Результат интеллектуальной деятельности: СТАТОР ДВУХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для использования предприятиями электромашиностроительной отрасли, осуществляющими производство асинхронных электрических двигателей.

Хорошо известна конструкция статора асинхронного электрического двигателя [1; с. 340; рис. 10.1]. Статор, в общем случае, содержит корпус, к которому изнутри крепится стальной шихтованный сердечник. На поверхности сердечника, обращенной к ротору, выполнены пазы, в которых размещены секции (катушки) из изолированного провода, преимущественно медного. Секции соединены между собой по определенной схеме, образуя обмотку статора. Выводы обмотки статора заведены в коробку выводов, которая расположена на корпусе статора.

Известна конструкция статора асинхронного электрического двигателя, отличие которой от выше описанной, заключается в том, что из секций, размещенных в пазах стального шихтованного сердечника, образованы две однофазные обмотки. Укладка секций по пазам сердечника статора и соединение секций осуществлено с учетом того, чтобы оси однофазных обмоток оказались смещены в пространстве на 90 электрических градусов. Выводы одной из обмоток подключены к питающей электрической сети однофазного переменного напряжения непосредственно. Последовательно со второй однофазной обмоткой статора включен фазосмещающий элемент (резистор, индуктивность, совокупность резистора и индуктивности, емкость). Свободный вывод фазосмещающего элемента и свободный вывод второй однофазной обмотки статора подключены на напряжение той же однофазной питающей сети [2; с. 611; рис. 30.6].

Намагничивающие токи, проходящие по однофазным обмоткам статора при работе двигателя, возбуждают магнитное поле, которое по форме является эллиптическим. Двухфазные асинхронные электрические двигатели с эллиптической формой магнитного поля статора имеют неудовлетворительные рабочие характеристики. Кроме того, включение фазосмещающего элемента последовательно с одной из однофазных обмоток усложняет конструкцию статора, двигателя в целом, снижает надежность работы двигателя, повышает его стоимость.

Известна еще одна конструкция статора двухфазных асинхронных электрических двигателей [3]. В пазы стального шихтованного сердечника этого статора уложены две, равные по числу, группы секций. Секции одной группы отличаются от секций другой группы количеством витков в раз и сечением провода в раз. Причем, секции с большим числом витков выполнены проводом меньшего сечения. Из секций, входящих в каждую из групп, образована однофазная обмотка. Размещение секций групп в пазах сердечника и их соединение произведено с учетом того, чтобы оси однофазных обмоток оказались смещены в пространстве на 90 электрических градусов. Выводы одной из однофазных обмоток подключены на фазное напряжение, а выводы второй однофазной обмотки - на линейное напряжение питающей четырехпроводной трехфазной сети. Выбор фазного и линейного напряжений произведен с учетом того, чтобы изменения этих напряжений во времени происходили со сдвигом по фазе на 90 электрических градусов, например напряжение U_A фазы A-N и напряжение U_BC между началами фаз В-Y и С-Z.

Намагничивающие токи однофазных обмоток такого статора возбуждают круговое магнитное поле без использования фазосмещающих элементов в диапазоне изменения скольжения от 1 до 0. Поэтому рабочие характеристики двухфазных асинхронных электрических двигателей с таким статором аналогичны рабочим характеристикам трехфазных асинхронных двигателей. Отсутствие в конструкции статора фазосмещающих элементов способствует улучшению эксплуатационных и стоимостных характеристик.

Техническое решение, описанное в [3], является наиболее близким к заявляемому техническому решению и принимается в дальнейшем в качестве прототипа.

Недостатком статора двухфазного асинхронного электрического двигателя, конструкция которого выбрана в качестве прототипа, является то, что по однофазным его обмоткам проходят намагничивающие токи. Эти токи потребляются из питающей трехфазной электрической сети и проходят по элементам систем электроснабжения (генераторы электрических станций, повышающие и понижающие трансформаторы, воздушные и кабельные линии различных напряжений), обуславливая дополнительную нагрузку токоведущих частей, потери электрической энергии и напряжения. Это отрицательно отражается на энергетических показателях отдельных элементов системы электроснабжения и всей системы электроснабжения в целом, на показателях качества электрической энергии в сети, на рабочих характеристиках потребителей. Особенно значительно потребление намагничивающих токов двухфазными асинхронными электрическими двигателями, в пазах стального шихтованного сердечника статора которых уложены обмотки с количеством пар полюсов 8; 10; 15; 20. Острую потребность в многополюсных асинхронных двигателях испытывает нефтяная промышленность для электропривода плунжера плунжерных насосов штанговых скважинных насосных установок. Потреблением больших намагничивающих токов характеризуется также работа двухфазных индукционных электрических машин установок для перемешивания, транспортировки и разливки жидких металлов, применяемых в металлургической и атомной промышленности, в которых немагнитный зазор составляет порой многие десятки миллиметров.

Задача изобретения: компенсация намагничивающих токов в однофазных обмотках статора двухфазных асинхронных электрических двигателей, уменьшение за счет этого потерь энергии в элементах систем электроснабжения, улучшение показателей качества электрической энергии и рабочих характеристик приемников.

Поставленная задача достигается за счет того, что в пазы стального шихтованного сердечника статора уложены дополнительные секции изолированного провода, например медного, в количестве, которое равно общему числу секций однофазных обмоток статора, при этом все дополнительные секции образованы одинаковым числом витков провода одного и того же сечения, из общего числа дополнительных секций одна их половина размещена в пазах сердечника статора, в которых уложены секции однофазной обмотки, которая подключена на фазное напряжение трехфазной четырехпроводной сети, вторая половина дополнительных секций размещена в пазах, в которых расположены секции второй однофазной обмотки, которая подключена на линейное напряжение трехфазной четырехпроводной сети, а размещение дополнительных секций каждой половины по пазам и схема соединения этих секций между собой осуществлены аналогично схемам укладки и соединения секций соответствующих однофазных обмоток, а выводы обмоток, образованных соединением первой и второй половин дополнительных секций, подключены к конденсаторам с одинаковой величиной емкости.

Общие признаки заявляемого изобретения и прототипа.

Стальной шихтованный сердечник с пазами; две, равные по числу, группы секций, размещенные в пазах; количество витков в секциях групп и сечение провода, из которого выполнены секции групп, отличаются в раз; размещение секций групп по пазам и их соединение между собой осуществлены с учетом обеспечения сдвига осей образованных при этом двух однофазных обмоток в пространстве относительно друг друга на 90 градусов; выводы однофазной обмотки с меньшим количеством витков подключены на фазное напряжение трехфазной четырехпроводной электрической сети; выводы однофазной обмотки с большим количеством витков подключены на междуфазное напряжение трехфазной четырехпроводной электрической сети, сдвинутое во времени по фазе относительно упомянутого фазного напряжения на 90 электрических градусов.

Отличительные признаки заявляемого изобретения и прототипа.

В пазах стального шихтованного сердечника статора размещены дополнительные секции изолированного провода, например медного; число дополнительных секций равно общему количеству секций однофазных обмоток; все дополнительные секции выполнены проводом одного и того же сечения и имеют одинаковое количество витков; одна половина дополнительных секций уложена в пазы, в которых размещены секции однофазной обмотки, подключенной на фазное напряжение трехфазной четырехпроводной сети; вторая половина дополнительных секций уложена в пазы, в которых размещены секции однофазной обмотки, подключенной на междуфазное напряжение трехфазной четырехпроводной сети; схема размещения первой и соответственно второй половин дополнительных секций по пазам и соединение дополнительных секций между собой осуществлены по аналогии со схемами укладки и соединения секций соответствующих однофазных обмоток; выводы обмоток, образованных соединением первой и второй половин дополнительных секций, подключены к конденсаторам; емкость конденсаторов одинакова.

Графический материал:

фиг. 1 - сердечник статора с пазами и секциями обмоток, размещенными в пазах;

фиг. 2 - размещение секций первой однофазной обмотки по пазам и схема их соединения;

фиг. 3 - размещение секций второй однофазной обмотки по пазам и схема их соединения;

фиг. 4 - размещение секций первой дополнительной обмотки по пазам и схема их соединения;

фиг. 5 - размещение секций второй дополнительной обмотки по пазам и схема их соединения;

фиг. 6 - векторная диаграмма напряжений и намагничивающих сил однофазных обмоток статора, выбранного в качестве прототипа;

фиг. 7 - векторная диаграмма напряжений и намагничивающих сил однофазных обмоток статора заявляемой конструкции.

В пазах 1-8 стального шихтованного сердечника 9 (фиг. 1) уложены секции (катушки) 10-17 (фиг. 2-5), выполненные изолированным проводом, как правило, медным. Начала и концы секций 10-17 на фиг. 1-5 дополнены буквенными обозначениями «Н» и «К». Например, 10Н, 10К означают начало и конец секции 10.

В пазах 1 и 6, 2 и 5 размещены секции 10 и 11 (фиг. 2). Секции 10, 11 выполнены с одинаковым количеством витков w_1c проводом одного и того же сечения s_1c. Конец 10К секции 10 соединен с началом 11Н секции 11, в результате чего образована первая однофазная обмотка. Начало 10Н и конец 11К первой однофазной обмотки подключены на фазное напряжение U_ф питающей четырехпроводной трехфазной сети, например на напряжение U_A фазы A-N. В пазах 3 и 8, 4 и 7 (фиг. 3) размещены секции 12 и 13. Число витков секций 12 и 13 одинаково и равно . Сечение провода, из которого выполнены секции 12 и 13, равно . Начало 12Н секции 12 соединено с концом 13К секции 13, в результате чего образована вторая однофазная обмотка. Ось второй однофазной обмотки смещена в пространстве относительно оси первой однофазной обмотки на 90 градусов. Конец 12К и начало 13Н второй однофазной обмотки подключены на линейное напряжение U_л четырехпроводной трехфазной сети. В качестве линейного напряжения использовано напряжение между началами фаз В и С, т.е. U_BC, которое изменяется во времени со сдвигом по фазе относительно упомянутого выше фазного напряжения U_A на 90 градусов.

В пазах 1 и 6, 2 и 5 шихтованного сердечника 9 размещены также секции 14 и 15 (фиг. 4), а в пазах 3 и 8, 4 и 7 секции 16 и 17 (фиг. 5). Секции 14, 15, 16, 17 выполнены с одинаковым числом витков w_∂ провода одного и того же сечения s_∂. Конец 14К секции 14 соединен с началом 15Н секции 15, в результате чего образована первая дополнительная обмотка. Начало 14Н и конец 15К первой дополнительной обмотки подключены к конденсатору 18. Начало 16Н секции 16 соединено с концом 17К секции 17, в результате чего образована вторая дополнительная обмотка. Ось второй дополнительной обмотки смещена в пространстве относительно оси первой дополнительной обмотки на 90 градусов. Конец 16К и начало 17Н второй дополнительной обмотки подключены к конденсатору 19. Емкость конденсаторов 18, 19 одинакова.

Конденсаторы 18, 19 установлены в коробке для выводов 10Н, 11К, 12К, 13Н однофазных обмоток. В эту же коробку заведены выводы 14Н, 15К, 16К, 17Н дополнительных обмоток и здесь же произведено соединение выводов 14Н, 15К, 16К, 17Н дополнительных обмоток с конденсаторами 18, 19. Возможен вариант, при котором конденсаторы 18, 19 и выводы 14Н, 15К, 16К, 17Н дополнительных обмоток размещены в дополнительной коробке, выполненной на корпусе статора. В графических материалах на изобретение коробки для выводов 10Н, 11К, 12К, 13Н однофазных и выводов 14Н, 15К, 16К, 17Н дополнительных обмоток и для размещения конденсаторов 18, 19 не показаны.

Компенсация намагничивающих токов в однофазных обмотках статора, образованных соединением секций 10, 11 и 12, 13, осуществляется следующим образом.

При подключении выводов 10Н, 11К, 12К, 13Н однофазных обмоток статора к питающей четырехпроводной сети трехфазного переменного напряжения в однофазных обмотках возникают электрические токи, содержащие активную и намагничивающую составляющие. Из-за различия величины напряжения на однофазных обмотках, а также отличия количества витков и сечения провода секций 10, 11 и 12, 13, их образующих, токи в однофазных обмотках оказываются различными по величине. Больший по величине ток проходит по однофазной обмотке, образованной секциями 10, 11, имеющими меньшее количество витков и большее сечение провода. В однофазной обмотке, образованной секциями 12, 13, имеющими большее количество витков более тонкого провода, ток имеет меньшее значение. Намагничивающие силы однофазных обмоток вследствие различия количества витков оказываются одинаковыми по величине. Сдвиг фазного и линейного напряжений по фазе во времени на 90° и отличие параметров однофазных обмоток обуславливают сдвиг по фазе во времени намагничивающих сил однофазных обмоток также на 90° (фиг. 6). В результате действия намагничивающих сил однофазных обмоток возникает магнитное поле, форма которого является круговой. Исследованиями на математической модели установлено, что круговая форма магнитного поля статора сохраняется при пуске и в рабочих режимах работы двухфазных асинхронных электрических двигателей.

Круговое магнитное поле статора наводит в секциях 14, 15, 16, 17 дополнительных обмоток электродвижущие силы, под действием которых в дополнительных обмотках, подключенных к конденсаторам 18, 19, возникают электрические токи, являющиеся практически намагничивающими. Электродвижущие силы, наводимые в дополнительных обмотках, и намагничивающие токи в дополнительных обмотках в силу равенства параметров дополнительных обмоток, а также равенства емкости конденсаторов 18, 19, оказываются одинаковыми по величине. Смещение осей дополнительных обмоток статора в пространстве на 90° приводит к сдвигу намагничивающих сил по фазе во времени на 90°. Поэтому магнитное поле намагничивающих токов дополнительных обмоток статора является круговым как при пуске, так и в рабочих режимах работы двухфазных асинхронных электрических двигателей.

Действие кругового магнитного поля дополнительных обмоток статора приводит к уменьшению намагничивающих токов в однофазных обмотках статора, следствием чего является уменьшение токов, потребляемых однофазными обмотками из питающей электрической сети трехфазного переменного напряжения (фиг. 7). Уменьшение намагничивающих токов в трехфазной электрической сети способствует снижению потерь энергии и напряжения в элементах систем электроснабжения, повышению КПД элементов системы электроснабжения и всей системы электроснабжения в целом, приводит к улучшению показателей качества электрической энергии в электрической сети и рабочих характеристик потребителей.

Развертка на плоскости стального шихтованного сердечника 9 с секциями 10-17 однофазных и дополнительных обмоток в пазах 1-8 (фиг. 1) приводится для статора двухфазного асинхронного электрического двигателя, создающего при работе одну пару полюсов. При частоте питающего напряжения 50 Гц частота вращения кругового магнитного поля статора с цилиндрической внутренней поверхностью сердечника составляет 3000 мин^-1. В тихоходных двухфазных асинхронных электрических двигателях количество пар полюсов, создаваемых токами однофазных и дополнительных обмоток статора, должно быть увеличено. Так, для получения частоты вращения кругового магнитного поля двухфазных асинхронных электрических двигателей в 200 мин^-1 токи в однофазных и дополнительных обмотках статора при работе должны возбуждать пятнадцать пар полюсов. Статор двухфазного асинхронного электрического двигателя с таким количеством пар полюсов статора можно представить в виде совокупности пятнадцати модулей (фиг. 1), объединенных конструктивно.

Использование синтетических пленок при производстве конденсаторов, а также низкие напряжения на выводах 14Н, 15К, 16К, 17Н дополнительных обмоток способствуют уменьшению габаритов и стоимости конденсаторов 18, 19 и создают благоприятные возможности для компенсации намагничивающих токов двухфазных асинхронных электрических двигателей широкого спектра номинальной мощности. Местом для размещения конденсаторов 18, 19 и выводов 14Н, 15К, 16К, 17Н дополнительных обмоток может явиться коробка для выводов 10Н, 11К, 12К, 13Н однофазных обмоток статора. Возможен вариант выполнения дополнительной коробки на корпусе статора для размещения конденсаторов 18, 19 и выводов дополнительных обмоток 14Н, 15К, 16К, 17Н.

Создание заявляемым статором кругового магнитного поля обеспечивает двухфазным асинхронным электрическим двигателям рабочие характеристики, аналогичные рабочим характеристикам трехфазных асинхронных электрических двигателей. Уменьшение числа фаз заявляемого статора, по сравнению со статором трехфазных двигателей, способствует уменьшению в 1,5 раза длины полюсного деления, диаметра внутренней расточки статора и наружного диаметра ротора, за счет чего достигается уменьшение габаритов двигателей и улучшение их динамических характеристик. Компенсация намагничивающей составляющей тока однофазных обмоток способствует увеличению коэффициента мощности асинхронных двигателей с заявляемым статором до теоретически максимального значения, равного единице. Предлагаемый статор, с учетом вышесказанного, рекомендуется к применению при производстве линейных и дугостаторных асинхронных двигателей, индукционных насосов и других типов электрических машин, принцип действия которых базируется на использовании кругового магнитного поля.

Применение на практике заявляемого изобретения позволяет разгрузить токоведущие части электрооборудования систем производства, передачи и распределения электрической энергии за счет компенсации реактивных намагничивающих токов. Появляется возможность подключения к существующим системам электроснабжения дополнительных электрических нагрузок. Положительный эффект от использования изобретения становится особенно значимым в условиях серийного производства электрических машин с двухфазным статором заявляемой конструкции.

Источники информации

1. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н. Общая электротехника. Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1974.

2. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высших технических учебных заведений. Издание 2-е, переработанное и дополненное. Л.: Энергия, 1974.

3. Патент 2402141 РФ. Тихоходный асинхронный преобразователь энергии / Е.Ф. Беляев, П.Н. Цылев, Е.А. Власов; заявитель и патентообладатель Перм. гос. техн. ун-т. - №2009141468; заявл. 09.11.2009; опубл. 20.10.2010 - Бюл. №29. - 9 с.