RU2153755C2 - Synchronous-asynchronous electric motor with short- circuited winding of rotor - Google Patents
Synchronous-asynchronous electric motor with short- circuited winding of rotor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2153755C2 RU2153755C2 RU97114252A RU97114252A RU2153755C2 RU 2153755 C2 RU2153755 C2 RU 2153755C2 RU 97114252 A RU97114252 A RU 97114252A RU 97114252 A RU97114252 A RU 97114252A RU 2153755 C2 RU2153755 C2 RU 2153755C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- short
- synchronous
- stator
- circuited
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Synchronous Machinery (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике, а именно к универсальному бесконтактному электродвигателю переменного тока с короткозамкнутой обмоткой ротора, имеющего вращательное или линейное конструктивное исполнение, допускающего возможность плавного регулирования частоты вращения или скорости поступательного движения в широком диапазоне, работающего в синхронном и асинхронном режимах. The invention relates to electrical engineering, in particular to a universal non-contact alternating current motor with a short-circuited rotor winding having a rotational or linear design, allowing for the smooth adjustment of the rotational speed or translational speed in a wide range, operating in synchronous and asynchronous modes.
Область техники: в различных регулируемых и нерегулируемых маломощных и мощных электроприводах механизмов и систем автоматики, в частности синхронного, синфазного и шагового режимов, а также благодаря бесконтактной короткозамкнутой обмотке ротора в пожароопасных, взрывоопасных, агрессивных, токсичных, высокотемпературных средах и под водой. Field of technology: in various regulated and unregulated low-power and powerful electric mechanisms and automation systems, in particular synchronous, common-mode and step modes, as well as due to non-contact short-circuited rotor winding in fire hazardous, explosive, aggressive, toxic, high temperature environments and under water.
Уровень техники: основными недостатками современных синхронных электродвигателей являются наличие ненадежных искрящихся колец на коллекторе ротора для передачи тока во вращающуюся обмотку возбуждения и сложных устройств регулирования тока возбуждения, особенно при пусковых и низкооборотных режимах работы. От этих недостатков избавляются использованием одного из способов бесконтактной передачи электроэнергии на ротор. BACKGROUND: The main disadvantages of modern synchronous electric motors are the presence of unreliable sparking rings on the rotor manifold for transmitting current to the rotating field winding and complex devices for controlling the field current, especially during starting and low-speed operation. These disadvantages are eliminated by using one of the methods of non-contact transmission of electricity to the rotor.
Чаще всего для этого используют роторы из магнитно-твердых сплавов без обмоток возбуждения (реактивные или гистерезисные синхронные электродвигатели, см., например Л1, Вольдек А.И. Электрические машины. "Энергия", М.-Л., 1971, с. 794-795; Авторское свидетельство СССР N 1345291, МКИ H 02 K 19/02 от 15.10.87, Бюл.N 38) или вращающиеся выпрямители обмоток возбуждения (см. например Патент Японии N 5-3223, МКИ H 02 K 19/10, 19/36 от 14.01.93, N 7-81; Авторское свидетельство СССР N 1671170, МКИ H 02 K 19/14 от 15.08.91, Бюл. N 30). В первом случае роторы являются дорогостоящими и используются в основном для синхронных электродвигателей малой мощности с повышенной надежностью. Во втором случае усложняется конструкция электродвигателей за счет дополнительных вращающихся выпрямительных узлов и увеличиваются их габаритные размеры. Most often, rotors made of hard magnetic alloys without field windings are used (reactive or hysteresis synchronous electric motors, see, for example, L1, A. Voldek. Electric machines. "Energy", M.-L., 1971, p. 794 -795; USSR author's certificate N 1345291, MKI H 02 K 19/02 of 10.15.87, Bull.N 38) or rotating rectifiers of field windings (see, for example, Japanese Patent No. 5-3223, MKI H 02 K 19/10, 19/36 from 01/14/93, N 7-81; USSR Copyright Certificate N 1671170, MKI H 02 K 19/14 from 08/15/91, Bull. N 30). In the first case, rotors are expensive and are used mainly for low-power synchronous motors with increased reliability. In the second case, the design of electric motors is complicated due to additional rotating rectifier units and their overall dimensions are increased.
Наиболее близким к предлагаемому электродвигателю является синхронный реактивный электродвигатель (Авторское свидетельство СССР N 1497687, МКИ H 02 K 19/14 от 30.07.89, Бюл. N 28), содержащий статор с многофазной обмоткой и ротор из пакета ферромагнитного материала, в котором уменьшение отношения ширины паза к его глубине выполнены по закону косинуса. Этот электродвигатель выбран в качестве прототипа. Хотя он имеет более высокие энергетические показатели по сравнению с вышеуказанными электродвигателями, однако высокая стоимость и большой вес ротора являются его существенными недостатками. Closest to the proposed motor is a synchronous jet motor (USSR Author's Certificate N 1497687, MKI H 02 K 19/14 of 07.30.89, Bull. N 28), containing a stator with a multiphase winding and a rotor from a package of ferromagnetic material, in which the reduction in the ratio the width of the groove to its depth is made according to the law of cosine. This electric motor is selected as a prototype. Although it has higher energy performance compared to the above electric motors, however, the high cost and high weight of the rotor are its significant disadvantages.
Сущность изобретения: в основу изобретения поставлена задача создать синхронно-асинхронный электродвигатель с короткозамкнутой обмоткой ротора, который может иметь вращательное или линейное конструктивное исполнение, путем выполнения двух требований. Первое - витки и секции любой короткозамкнутой обмотки ротора выполнены параллельно или симметрично к его продольной оси, при этом индуктируемые в них ЭДС магнитным потоком статора вызывают противодействующий синхронизирующий момент при отклонении ротора от точки устойчивого равновесия, т.е. чтобы электродвигатель обладал угловой моментной характеристикой. Второе - для напряжений питания фазных обмоток статора, которые обеспечивают вращающееся магнитное поле статора и асинхронный режим работы, введено дополнительное амплитудное изменение для передачи энергии из статора в ротор при синхронном режиме работы. The essence of the invention: the basis of the invention is the task of creating a synchronous-asynchronous electric motor with a short-circuited winding of the rotor, which may have a rotational or linear design, by fulfilling two requirements. First, the turns and sections of any short-circuited rotor winding are made parallel or symmetrically to its longitudinal axis, while the EMF induced by the stator magnetic flux in them cause a counteracting synchronizing moment when the rotor deviates from the point of stable equilibrium, i.e. so that the electric motor has an angular torque characteristic. The second is for the supply voltage of the stator phase windings, which provide a rotating stator magnetic field and asynchronous operation mode, an additional amplitude change is introduced to transfer energy from the stator to the rotor during synchronous operation.
При этом обеспечить плавное регулирование частоты вращения или скорости поступательного движения в широком диапазоне, повышение КПД, расширение зоны применяемости в различных регулируемых и нерегулируемых маломощных и мощных электроприводах механизмов и систем автоматики, в частности синхронного, синфазного и шагового режимов, применение в безредукторных электроприводах, надежную работу в пожароопасных, взрывоопасных, агрессивных, токсичных, высокотемпературных средах и под водой, использование в синхронном и асинхронном режимах, фиксирование ротора в тормозном режиме при однофазном включении, увеличение угла демпфирования ударного момента, простоту и надежность конструкции. At the same time, provide smooth control of rotational speed or translational speed in a wide range, increase efficiency, expand the zone of applicability in various adjustable and unregulated low-power and powerful electric drives of automation mechanisms and systems, in particular synchronous, common-mode and step modes, use in gearless electric drives, reliable work in fire hazardous, explosive, aggressive, toxic, high temperature environments and under water, use in synchronous and asynchronous modes, iksirovanie rotor in the brake mode when a single-phase is turned on, increasing the angle of impact damping torque simplicity and reliability of construction.
Перечень фигур чертежей:
На фиг. 1 условно показан один виток короткозамкнутой обмотки на роторе, выполненный параллельно к его продольной оси dd.The list of drawings:
In FIG. 1 conventionally shows one coil of a short-circuited winding on the rotor, made in parallel to its longitudinal axis dd.
На фиг. 2 показан вариант секции из отдельных замкнутых витков короткозамкнутой обмотки явновыраженного ротора, выполненной параллельно к его продольной оси dd. In FIG. 2 shows a variant of a section of separate closed turns of a short-circuited winding of a pronounced rotor, made parallel to its longitudinal axis dd.
На фиг. 3 показан вариант из нескольких секций, где конец последней соединен с началом первой секции, короткозамкнутой обмотки ротора, выполненной параллельно к его продольной оси dd. In FIG. 3 shows a variant of several sections, where the end of the latter is connected to the beginning of the first section, a short-circuited rotor winding, made parallel to its longitudinal axis dd.
На фиг. 4 условно показано по два разностных витка короткозамкнутой обмотки на роторе, выполненные симметрично к его продольной оси dd и соединенные встречно между собой в лобовой части. In FIG. 4 conventionally shows two difference turns of a short-circuited winding on the rotor, made symmetrically to its longitudinal axis dd and connected counter-to each other in the frontal part.
На фиг. 5 показан вариант секции из веерообразных разностных витков короткозамкнутой обмотки ротора, выполненной симметрично к его продольной оси dd и соединенных соответственно встречно между собой в лобовой части. In FIG. 5 shows a variant of a section of fan-shaped difference turns of a short-circuited rotor winding, made symmetrically to its longitudinal axis dd and connected respectively counter to each other in the frontal part.
На фиг. 6 показан вариант: по два разностных витка четырехполюсной короткозамкнутой обмотки ротора, выполненные симметрично к его продольной оси dd и поперечной оси qq, а также соединенные встречно между собой в лобовой части. In FIG. 6 shows a variant: two difference turns of a four-pole short-circuited rotor winding, made symmetrically to its longitudinal axis dd and the transverse axis qq, as well as interconnected in the frontal part.
На фиг. 7 показаны варианты исполнения витков короткозамкнутой обмотки ротора (позиционера), выполненные параллельно (слева) и симметрично (справа) к его продольной оси линейного электродвигателя. In FIG. 7 shows embodiments of turns of the short-circuited rotor winding (positioner), made in parallel (left) and symmetrically (right) to its longitudinal axis of the linear electric motor.
На фиг. 8 условно показан двухфазный синхронный электродвигатель с обмотками статора и короткозамкнутой параллельной обмоткой ротора. In FIG. 8 conventionally shows a two-phase synchronous electric motor with stator windings and a short-circuited parallel rotor winding.
На фиг. 9 показаны графики угловой моментной характеристики синхронного электродвигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора и обычного синхронного электродвигателя с активным коллекторным ротором. In FIG. 9 shows graphs of the angular moment characteristics of a synchronous squirrel-cage rotor motor and a conventional synchronous motor with an active collector rotor.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения: для достижения поставленной задачи сначала рассмотрим создание синхронного электродвигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора, а также бесконтактное управление частотой вращения такого ротора. Information confirming the possibility of carrying out the invention: to achieve the task, we first consider the creation of a synchronous electric motor with a short-circuited rotor winding, as well as non-contact control of the rotational speed of such a rotor.
Для этого необходимо выполнить следующие два требования:
1. Создать короткозамкнутый ротор с точкой устойчивого равновесия по углу нагрузки Θ, т.е. чтобы изобретение обладало синхронизирующим моментом или так называемой угловой моментной характеристикой, которая присуща всем синхронным электродвигателям (см. например Л1 стр. 714-721, Л2 стр. 416-417). Это будет достигнуто, если короткозамкнутую обмотку выполнить на пакете ферромагнитного сердечника ротора специальным образом, т.е. необходимо витки и секции любой короткозамкнутой обмотки выполнить параллельно или симметрично к его продольной оси, при этом индуктируемые в них ЭДС магнитным потоком статора вызывают противодействующий синхронизирующий момент при отклонении ротора от точки устойчивого равновесия. На фиг. 1 показан виток короткозамкнутой обмотки на роторе, который выполнен параллельно к его продольной оси dd. На фиг. 4 показаны два разностных витка короткозамкнутой обмотки на роторе, которые выполнены симметрично к его продольной оси dd и соединены встречно между собой в лобовой части.To do this, the following two requirements must be met:
1. Create a squirrel-cage rotor with a point of stable equilibrium with respect to the load angle Θ, ie so that the invention has a synchronizing moment or the so-called angular moment characteristic, which is inherent in all synchronous electric motors (see, for example, L1 p. 714-721, L2 p. 416-417). This will be achieved if the short-circuited winding is performed on a package of the ferromagnetic core of the rotor in a special way, i.e. it is necessary to make the turns and sections of any short-circuited winding parallel or symmetrically to its longitudinal axis, while the EMF induced in them by the magnetic flux of the stator cause a counteracting synchronizing moment when the rotor deviates from the point of stable equilibrium. In FIG. 1 shows a winding of a short-circuited winding on a rotor, which is made parallel to its longitudinal axis dd. In FIG. 4 shows two difference turns of a short-circuited winding on the rotor, which are made symmetrically to its longitudinal axis dd and are connected counter-to each other in the frontal part.
Покажем, что роторы с такими короткозамкнутыми обмотками обладают угловой моментной характеристикой. При нахождении ротора в точке устойчивого равновесия, когда продольная ось ротора dd совпадает с осью магнитного потока статора Фст, т.е. когда угол между ими Θ = 0, в короткозамкнутой параллельной обмотке на фиг. 1 ЭДС индуктироваться не будет, т.е. результирующий ток ip равен нулю, т.к. эта обмотка будет расположена вдоль магнитного потока, статора, и ее площадь для пересечения потоком равна нулю. В короткозамкнутой симметричной разностной обмотке на фиг. 4 в этих условиях индуктируемые ЭДС в левой и правой секциях будут равны при их идентичности, иметь максимальные значения, но направлены встречно, т.е. и в этом случае результирующий ток ip=i1-i2 будет равен нулю.We show that rotors with such short-circuited windings have an angular torque characteristic. When the rotor is at a point of stable equilibrium, when the longitudinal axis of the rotor dd coincides with the axis of the stator magnetic flux Ф st , i.e. when the angle between them is Θ = 0, in the short-circuited parallel winding in FIG. 1 EMF will not be induced, i.e. the resulting current i p is zero, because this winding will be located along the magnetic flux, the stator, and its area for crossing the flux is zero. In the short-circuited symmetrical difference winding of FIG. 4 under these conditions, the induced EMFs in the left and right sections will be equal when they are identical, have maximum values, but are directed counter-clockwise, i.e. and in this case, the resulting current i p = i 1 -i 2 will be equal to zero.
При отклонении ротора от точки устойчивого равновесия на угол Θ в короткозамкнутой параллельной обмотке ротора на фиг.1 будет индуктироваться ЭДС, пропорциональная sinΘ, т.е. пропорциональная увеличению площади пересечения обмотки потоком статора, а в короткозамкнутой симметричной разностной обмотке на фиг. 4 индуктируемая ЭДС левой секции станет больше индуктируемой ЭДС правой секции во столько раз, во сколько раз изменится отношение их площадей пересечения потоком статора и результирующая ЭДС будет пропорциональна sinΘ. Эти индуктируемые ЭДС в первом и во втором случае вызывают результирующий ток ip в короткозамкнутой обмотке ротора. В результате взаимодействия этого тока ip с магнитным потоком статора Фст по закону Ампера возникает сила F, действующая на обмотку ротора и создающая противодействующий синхронизирующий момент, который будет стремиться возвратить ротор в точку устойчивого равновесия, т.е. свести угол θ до нуля. Таким образом, электродвигатели с вышеуказанными короткозамкнутыми обмотками ротора, на фиг. 1 и фиг. 4 обладают угловыми моментными характеристиками.When the rotor deviates from the point of stable equilibrium by an angle Θ in the short-circuited parallel winding of the rotor in Fig. 1, an EMF proportional to sinΘ will be induced, i.e. proportional to the increase in the area of intersection of the winding by the stator flux, and in the short-circuited symmetrical difference winding in FIG. 4, the inductive EMF of the left section will become larger than the inductive EMF of the right section by the number of times how many times the ratio of their areas of intersection with the stator flux changes, and the resulting EMF will be proportional to sinΘ. These inductive EMFs in the first and second cases cause the resulting current i p in the short-circuited rotor winding. As a result of the interaction of this current i p with the stator magnetic flux Ф st according to Ampere’s law, a force F arises, acting on the rotor winding and creating a counteracting synchronizing moment, which will tend to return the rotor to a point of stable equilibrium, i.e. reduce the angle θ to zero. Thus, motors with the aforementioned short-circuited rotor windings, in FIG. 1 and FIG. 4 possess angular moment characteristics.
На фиг. 2 и фиг. 3 показаны некоторые из возможных вариантов практического исполнения параллельных короткозамкнутых обмоток, аналогичных фиг. 1. In FIG. 2 and FIG. 3 shows some of the possible practical versions of parallel short-circuited windings, similar to FIG. 1.
На фиг. 5 и фиг. 6 - встречных симметричных короткозамкнутых обмоток, аналогичных фиг. 4. In FIG. 5 and FIG. 6 - counter symmetrical short-circuited windings similar to FIG. 4.
На фиг. 7 показаны статор 1, роторы (позиционеры) 2 и 3, направляющие роторов 4 линейного электродвигателя с двумя возможными вариантами практического исполнения параллельной 5 и симметричной 6 короткозамкнутых обмоток роторов, аналогичных фиг. 1 и 4 соответственно. In FIG. 7 shows the
2. Обеспечить бесконтактную передачу управляемой электромагнитной мощности из обмотки статора в короткозамкнутую обмотку ротора. 2. To provide non-contact transfer of controlled electromagnetic power from the stator winding to the short-circuited rotor winding.
В синхронных электродвигателях при установившемся режиме ротор вращается синхронно с вращающимся магнитным полем статора. При этом вращающееся магнитное поле статора является неподвижным относительно вращающегося ротора, не пересекает обмотку ротора и поэтому не может индуктировать в ней каких-либо ЭДС. В этих условиях невозможно обеспечить бесконтактную передачу электромагнитной мощности. In synchronous electric motors at steady state, the rotor rotates synchronously with the rotating magnetic field of the stator. In this case, the rotating magnetic field of the stator is stationary relative to the rotating rotor, does not cross the rotor winding and therefore cannot induce any EMF in it. Under these conditions, it is not possible to provide contactless transmission of electromagnetic power.
Указанная передача мощности будет обеспечена, если вектор Фс вращающегося магнитного потока статора
ΦC = ΦCM•ejΩt, (1)
который имеет постоянный по амплитуде модуль Фсм=const и описывает своим концом окружность с частотой Ω, будет дополнительно изменяться еще и по амплитуде по любому временному закону:
ΦC = ΦCM(t)•ejΩt. (2)
Теперь в режиме синхронного вращения магнитный поток статора будет пересекать короткозамкнутую обмотку ротора и индуктировать в ней ЭДС, которая вызывает ток обмотки ротора, взаимодействие которого с магнитным потоком статора, согласно закону Ампера, порождает электромагнитный крутящий момент ротора.The specified power transfer will be ensured if the vector f with a rotating magnetic flux of the stator
Φ C = Φ CM • e jΩt , (1)
which has a constant amplitude module см cm = const and describes a circle with frequency Ω at its end, it will additionally change in amplitude according to any temporal law:
Φ C = Φ CM (t) • e jΩt . (2)
Now, in synchronous rotation mode, the stator magnetic flux will cross the short-circuited rotor winding and induce an EMF in it, which causes the rotor winding current, the interaction of which with the stator magnetic flux, according to Ampere’s law, generates the electromagnetic torque of the rotor.
При двухфазном электродвигателе со взаимно перпендикулярными обмотками статора, магнитный поток (2) можно разложить по осям этих обмоток. С учетом перехода от показательной к тригонометрической форме записи:
ΦC = ΦCM(t)•(cosΩt+jsinΩt). (3)
Закон изменения модуля магнитного потока статора может быть, например, синусоидальным
где 
либо периодическим
либо почти периодическим и т.д.With a two-phase electric motor with mutually perpendicular stator windings, the magnetic flux (2) can be expanded along the axes of these windings. Given the transition from exponential to trigonometric form of recording:
Φ C = Φ CM (t) • (cosΩt + jsinΩt). (3)
The law of change of the stator magnetic flux modulus can be, for example, sinusoidal
Where
either periodic
either almost periodic, etc.
В выражении (4) магнитный поток статора Фс состоит из двух взаимно перпендикулярных потоков. В первом синусоидальное изменение амплитуды вектора магнитного потока с частотой ω модулировано фазным косинусоидальным сигналом частоты Ω а во втором - фазным синусоидальным сигналом частоты Ω. Исходя из этого предлагаемое изобретение можно еще назвать - синхронный электродвигатель с короткозамкнутой обмоткой ротора и модулированными потоками (токами или напряжениями питания).In expression (4), the magnetic flux of the stator Ф с consists of two mutually perpendicular fluxes. In the first, the sinusoidal change in the amplitude of the magnetic flux vector with frequency ω is modulated by a phase cosine wave signal of frequency Ω, and in the second, by a phase sinusoidal signal of frequency Ω. Based on this, the present invention can also be called a synchronous motor with a short-circuited rotor winding and modulated flows (currents or supply voltages).
Таким образом, в изобретении дополнительное амплитудное изменение модуля вектора магнитного потока (в частности синусоидальное с частотой ω обеспечивает передачу управляемой мощности из обмоток статора в короткозамкнутую обмотку ротора, а фазные сигналы частоты Ω определяют частоту вращения магнитного поля и ротора, которая управляема в широком диапазоне. Thus, in the invention, an additional amplitude change in the magnitude of the magnetic flux vector module (in particular, sinusoidal with a frequency ω provides the transfer of controlled power from the stator windings to the short-circuited rotor winding, and the phase signals of the frequency Ω determine the frequency of rotation of the magnetic field and rotor, which is controlled in a wide range.
Для анализа преимуществ изобретения рассмотрим простой двухфазный синхронный электродвигатель с короткозамкнутой параллельной обмоткой неявно выраженного двухполюсного ротора (см. фиг. 8). В нем вращение магнитного поля статора обеспечивается с помощью двух взаимно перпендикулярных статорных обмоток W1 и W2, на которые подаются модулированные фазные напряжения с дополнительным амплитудным изменением по синусоидальному закону с частотой ω
U1 = U1мsin(ωt+α)cosΩt (6)
и
U2 = U2мsin(ωt+α)sinΩt. (7)
Токи i1 и i2 которые возникают в обмотках W1 и W2, идентичны выражениям (6) и (7), порождают магнитные потоки, приведенные в выражении (4).To analyze the advantages of the invention, we consider a simple two-phase synchronous motor with a short-circuited parallel winding of an implicit bipolar rotor (see Fig. 8). In it, the rotation of the magnetic field of the stator is provided using two mutually perpendicular stator windings W 1 and W 2 , to which modulated phase voltages are supplied with an additional amplitude change according to a sinusoidal law with a frequency ω
U 1 = U 1m sin (ωt + α) cosΩt (6)
and
U 2 = U 2m sin (ωt + α) sinΩt. (7)
The currents i 1 and i 2 that occur in the windings W 1 and W 2 are identical to expressions (6) and (7), generate magnetic fluxes given in expression (4).
Из выражения (4) видно, что условия передачи управляемой мощности из обмоток статора в короткозамкнутую обмотку ротора определяются амплитудой вектора магнитного потока Фсм частотой его изменения ω и не зависят от частоты вращения Ω магнитного поля и ротора. В этих условиях при неизменных Фсм и ω электродвигатель будет работать с неизменной передачей мощности от максимально возможной до очень низкой частоты вращения ротора, полной его остановки, в шаговом режиме и в режиме фиксации заданного угла, причем его угловая моментная характеристика будет определяться только углом нагрузки Θ.
Расчетным путем с учетом Л3 и Л4 авторами получено выражение момента вращения ротора рассматриваемого электродвигателя при низких оборотах и в режиме останова, которое с допустимыми упрощениями имеет вид
где Uф - амплитудное значение фазного напряжения обмотки статора;
XLC = ωLC - индуктивное сопротивление обмоток статора;
K2=Lм 2/LсLр - коэффициент связи между статорной и роторной обмотками;
Lм - взаимоиндуктивность между обмотками статора и ротора;
Lс - индуктивность обмотки статора;
Lр - индуктивность короткозамкнутой обмотки ротора.It can be seen from expression (4) that the conditions for the transfer of controlled power from the stator windings to the short-circuited rotor winding are determined by the amplitude of the magnetic flux vector Φ cm, its frequency ω and are independent of the rotation frequency Ω of the magnetic field and rotor. Under these conditions, with unchanged Ф cm and ω, the electric motor will operate with constant power transfer from the maximum possible to a very low rotor speed, stopping it completely, in step mode and in the fixation mode of a given angle, and its angular torque characteristic will be determined only by the load angle Θ.
By calculation, taking into account L3 and L4, the authors obtained an expression of the moment of rotation of the rotor of the electric motor under consideration at low speeds and in the stop mode, which, with admissible simplifications, has the form
where U f - the amplitude value of the phase voltage of the stator winding;
X LC = ωL C is the inductive resistance of the stator windings;
K 2 = L m 2 / L with L p - the coupling coefficient between the stator and rotor windings;
L m - the mutual inductance between the stator and rotor windings;
L with - the inductance of the stator winding;
L p - the inductance of the short-circuited rotor winding.
Из полученного выражения (8) следует:
1. Знак минус перед выражением указывает на то, что возникающий электромагнитный момент вращения ротора MВР противодействует росту угла нагрузки Θ, значит точка, когда Θ = 0 и MВР, является точкой устойчивого равновесия угловой моментной характеристики. Любая попытка изменить уголку Θ путем увеличения момента нагрузки приводит к росту электромагнитного момента вращения ротора, направленного навстречу моменту нагрузки и стремящегося уменьшить угол Θ до нуля.From the resulting expression (8) it follows:
1. The minus sign in front of the expression indicates that the emerging electromagnetic rotational moment of the rotor M BP counteracts the increase in the load angle Θ, which means that the point when Θ = 0 and M BP is the point of stable equilibrium of the angular momentum characteristic. Any attempt to change the angle Θ by increasing the load moment leads to an increase in the electromagnetic moment of rotation of the rotor directed towards the load moment and tends to reduce the angle Θ to zero.
2. Для изменения частоты вращения коллекторного синхронного электродвигателя необходимо осуществить регулировку, например в сторону уменьшения, трех независимых величин одновременно: частоты фазных напряжений питания, амплитуды фазных напряжений питания и амплитуды постоянного напряжения, обеспечивающего ток возбуждения ротора [Л2, стр. 416, 417, 418, 423]. Это выполнять сложно и поэтому регулировку частоты вращения роторов таких синхронных электродвигателей практически не применяют. 2. To change the rotational speed of the collector synchronous electric motor, it is necessary to adjust, for example, in the direction of decreasing, three independent values simultaneously: the frequency of the phase supply voltages, the amplitude of the phase supply voltages and the amplitude of the constant voltage providing the rotor excitation current [L2, p. 416, 417, 418, 423]. This is difficult to perform and therefore the adjustment of the rotor speed of such synchronous motors is practically not used.
В выражении (8) все составляющие момента вращения предлагаемого электродвигателя не зависят от частоты Ω. Быстрое или плавное изменение частоты Ω вращения ротора осуществляется путем такого же или плавного регулирования частоты Ω фазных напряжений питания в широком диапазоне частот. In expression (8), all components of the rotation moment of the proposed electric motor are independent of the frequency Ω. A fast or smooth change in the rotor speed Ω is achieved by the same or smooth regulation of the frequency Ω of the phase supply voltages in a wide frequency range.
Кроме того, в предлагаемом электродвигателе глубина регулирования частоты вращения ротора вниз не ограничена никакими факторами, отношение может составлять 1: 10000 и выше. В то время как в известных синхронных электродвигателях такая глубина регулирования ограничена принципиально и отношение составляет примерно 1:300. In addition, in the proposed electric motor, the depth of regulation of the rotor speed down is not limited by any factors, the ratio can be 1: 10000 and higher. While in known synchronous electric motors such a control depth is fundamentally limited and the ratio is approximately 1: 300.
3. Электромагнитный момент вращения ротора MВР пропорционален квадратному значению амплитуды фазного напряжения UФ 2 (как и в асинхронных электродвигателях), которое остается неизменным при любой частоте Ω вращения ротора. Благодаря этому предлагаемый электродвигатель имеет повышенный КПД по сравнению с существующими синхронными и асинхронными, у которых с уменьшением частоты вращения необходимо уменьшать амплитуду фазного напряжения на обмотках статора, а следовательно, снижается КПД из-за уменьшения и недоиспользования мощности этих электродвигателей.3. The electromagnetic moment of rotation of the rotor M BP is proportional to the square value of the phase voltage amplitude U Ф 2 (as in asynchronous electric motors), which remains unchanged at any frequency Ω of rotation of the rotor. Due to this, the proposed motor has an increased efficiency compared to existing synchronous and asynchronous ones, in which, with a decrease in the rotation frequency, it is necessary to reduce the phase voltage amplitude on the stator windings, and therefore, the efficiency decreases due to a decrease and underutilization of the power of these electric motors.
Квадратичная зависимость момента от фазного напряжения обмотки статора имеет недостаток и преимущество. Недостаток заключается в том, что предлагаемый синхронный электродвигатель, как и асинхронный, чувствителен к уменьшению подводимого напряжения питания. Преимущество заключается в том, что увеличение напряжения питания на каждые 10% вызывает приращение момента вращения на 20%, что позволяет резко повышать перегрузочную способность предлагаемого синхронного электродвигателя в переходных режимах при питании от преобразователя. The quadratic dependence of the moment on the phase voltage of the stator winding has a disadvantage and an advantage. The disadvantage is that the proposed synchronous motor, as well as an asynchronous motor, is sensitive to a decrease in the input voltage. The advantage is that an increase in the supply voltage for every 10% causes an increase in the torque by 20%, which can dramatically increase the overload capacity of the proposed synchronous electric motor in transient conditions when powered by a converter.
В режиме холостого хода угол нагрузки θ = 0, ток ротора Ip=0 и момент вращения ротора MВР=0. При этом остаются лишь потери мощности сети на перемагничивание ферромагнитных пакетов статора и ротора. А это значит, что потребляемая мощность сети расходуется экономно и прямо пропорционально моменту нагрузки на валу ротора при любой частоте вращения. Это также повышает КПД предлагаемого электродвигателя.In idle mode, the load angle θ = 0, the rotor current I p = 0 and the rotor torque M BP = 0. In this case, only the network power loss due to magnetization reversal of the ferromagnetic packages of the stator and rotor remains. And this means that the power consumption of the network is consumed economically and in direct proportion to the moment of load on the rotor shaft at any speed. It also increases the efficiency of the proposed electric motor.
При уменьшении и стремлении к нулю активных сопротивлений обмоток статора и ротора электромагнитный момент вращения не уменьшается, электродвигатель остается работоспособным, его КПД возрастает, т.к. исчезают потери мощности в обмотках статора и ротора, кроме вышеуказанных потерь на перемагничивание ферромагнитных пакетов статора и ротора. Поэтому КПД предлагаемого электродвигателя может превосходить КПД асинхронного электродвигателя, для которого по принципу работы существует предел снижения потерь и повышения КПД. Из вышеизложенного следует, что при сверхнизких температурах, когда наступает сверхпроводимость материалов обмоток статора и ротора, асинхронный электродвигатель теряет работоспособность, а предлагаемый электродвигатель работоспособность не теряет и его КПД стремится к единице. When the active resistances of the stator and rotor windings decrease and tend to zero, the electromagnetic torque does not decrease, the electric motor remains operational, and its efficiency increases, because power losses in the stator and rotor windings disappear, in addition to the above losses on the magnetization reversal of the ferromagnetic packages of the stator and rotor. Therefore, the efficiency of the proposed electric motor can exceed the efficiency of an asynchronous electric motor, for which, according to the principle of operation, there is a limit to reducing losses and increasing efficiency. It follows from the foregoing that at ultralow temperatures, when superconductivity of the materials of the stator and rotor windings occurs, the asynchronous electric motor loses its working capacity, and the proposed electric motor does not lose its working capacity and its efficiency tends to unity.
4. Электромагнитный момент вращения при малых углах θ пропорционален sin2θ, и достигает максимального значения не при θ = 45o, а при 65-80o в зависимости от величины К2. Это является преимуществом, т.к. угол демпфирования ударных моментов и быстро наростающих нагрузок увеличился почти в два раза. Такой электродвигатель значительно легче переносит ударные нагрузки на валу ротора.4. The electromagnetic torque at small angles θ is proportional to sin2θ, and reaches its maximum value not at θ = 45 o , but at 65-80 o depending on the value of K 2 . This is an advantage because the angle of damping of shock moments and rapidly increasing loads almost doubled. Such an electric motor transfers shock loads to the rotor shaft much more easily.
На фиг. 9 представлен график угловой моментной характеристики в относительных величинах M1(θ)/Mmax предлагаемого электродвигателя. При этом относительная величина момента вращения зависит только от угла 
Пунктирной линией представлен аналогичный график угловой моментной характеристики M2(θ)/Mmax обычного синхронного электродвигателя (см. Л2, стр. 416-417, форм.11.14, рис 11.11)
Анализируя эти графики можно отметить:
1) интервал устойчивой работы (0-80o и 0-90o) обеих электродвигателей примерно одинаков;
2) интервал неустойчивой работы (20o и 180o) у предлагаемого электродвигателя примерно в 9 раз меньше;
3) при малых углах θ (0-30o), т.е. при малых моментах нагрузки, угловая моментная характеристика предлагаемого электродвигателя менее жесткая (наклонена), а при средних и больших (30o-80o) - более жесткая, чем у обычных синхронных электродвигателей, что допускает увеличение его перегрузочной способности, обеспечивает более активное затухание переходных процессов и большую точность передачи для метрологических и комплексных механизмов при синхронном, синфазном и шаговом режимах.The dashed line shows a similar graph of the angular momentum characteristic M 2 (θ) / M max of a conventional synchronous electric motor (see L2, p. 416-417, form 11.14, Fig 11.11)
Analyzing these graphs, we can note:
1) the interval of stable operation (0-80 o and 0-90 o ) of both electric motors is approximately the same;
2) the interval of unstable operation (20 o and 180 o ) of the proposed electric motor is approximately 9 times less;
3) at small angles θ (0-30 o ), i.e. at small load moments, the angular moment characteristic of the proposed motor is less rigid (tilted), and at medium and large (30 o -80 o ) - more rigid than conventional synchronous motors, which allows an increase in its overload capacity, provides more active attenuation of transitional processes and greater transmission accuracy for metrological and complex mechanisms in synchronous, in-phase and step modes.
5. Большая глубина регулирования частоты вращения ротора, особенно в сторону уменьшения до долей оборотов в секунду, расширяет зону применяемости предлагаемого электродвигателя в различных механизмах, системах автоматики, точной электромеханики, а также в маломощных и мощных безредукторных электроприводах. 5. The large depth of regulation of the rotor speed, especially in the direction of decreasing to fractions of revolutions per second, expands the range of applicability of the proposed electric motor in various mechanisms, automation systems, precision electromechanics, as well as in low-power and powerful gearless electric drives.
6. На фиг. 2 показан вариант секции из отдельных параллельных короткозамкнутых витков на явно выраженном роторе. При этом момент вращения увеличивается за счет дополнительного реактивного момента, создаваемого самим сердечником ротора. 6. In FIG. 2 shows a variant of a section of separate parallel short-circuited turns on a pronounced rotor. In this case, the rotation moment increases due to the additional reactive moment created by the rotor core itself.
На фиг. 3 показан вариант из последовательно соединенных параллельных секций, у которых конец витка последней соединен с началом первой. При этом число витков в секциях может быть различным, благодаря чему угловые моментные характеристики могут иметь нужную форму для потребного электропривода. In FIG. 3 shows an embodiment of series-connected parallel sections in which the end of the turn of the latter is connected to the beginning of the first. Moreover, the number of turns in the sections can be different, due to which the angular moment characteristics can have the desired shape for the desired electric drive.
На фиг. 5 и 6 показаны варианты короткозамкнутых симметричных встречных обмоток, секции которых в разных вариантах могут быть связаны гальванически и индуктивно. Расположение секций на фиг. 5 позволяет формировать круторастущию моментную характеристику, это очень важно, например для электропривода электровоза и электромобиля, а на фиг. 6 - медленно нарастающую, но крутоспадающую, это очень важно, например, для электропривода экскаватора и станочного оборудования. На общую характеристику короткозамкнутых обмоток можно влиять и с помощью числа витков в их секциях, выполняя их с разным числом. Несимметрия в выполнении короткозамкнутых обмоток приводит к нарушению балансировки ротора. In FIG. Figures 5 and 6 show variants of short-circuited symmetrical counter windings, sections of which in different versions can be galvanically and inductively coupled. The arrangement of the sections in FIG. 5 makes it possible to form a torque-torque characteristic that is very important, for example, for electric drive of an electric locomotive and electric vehicle, and in FIG. 6 - slowly increasing, but steeply falling, it is very important, for example, for electric excavator and machine tool equipment. The general characteristic of short-circuited windings can be influenced by the number of turns in their sections, performing them with a different number. The asymmetry in the performance of short-circuited windings leads to a violation of the balancing of the rotor.
7. Все рассмотренные варианты короткозамкнутых обмоток ротора способны порождать как синхронный, так и асинхронный моменты на валу электродвигателя. То есть предлагаемый электродвигатель является синхронно-асинхронным электродвигателем переменного тока при наличии одной и той же короткозамкнутой обмотки ротора. 7. All the considered options for short-circuited rotor windings are capable of generating both synchronous and asynchronous moments on the motor shaft. That is, the proposed motor is a synchronous-asynchronous AC motor in the presence of the same short-circuited rotor winding.
Пуск предлагаемого электродвигателя для работы в синхронном режиме проводится с плавно нарастающей частотой вращения ротора через преобразователь, обеспечивающий фазные напряжения питания согласно (4) и (5). Или сразу включаются фазные напряжения питания рабочей частоты вращения, при этом сначала осуществляется асинхронный пуск электродвигателя до подсинхронной частоты вращения, а затем происходит автоматическое втягивание ротора в синхронный режим работы. The start of the proposed motor for operation in synchronous mode is carried out with a gradually increasing rotor speed through a converter that provides phase supply voltages according to (4) and (5). Or, the phase supply voltage of the operating speed is immediately turned on, with the first asynchronous start of the electric motor to the sub-synchronous speed, and then the rotor automatically retracts into synchronous operation.
Пуск в асинхронном режиме практически не отличается от пуска обычного асинхронного электродвигателя. Starting in asynchronous mode is practically no different from starting a conventional asynchronous electric motor.
8. Важным преимуществом предлагаемого электродвигателя является свойство его работы при однофазном включении в синхронном или асинхронном режиме. При этом предлагаемый электродвигатель переходит от режима вращения к торможению, остановке и фиксации короткозамкнутого ротора в неподвижном состоянии синхронным тормозным моментом, не требуя дополнительного механического тормоза. Такой электродвигатель особенно необходим для электропривода крановых механизмов, исполнительных механизмов роботов, систем автоматики и т.д. 8. An important advantage of the proposed electric motor is the property of its operation during single-phase switching in synchronous or asynchronous mode. At the same time, the proposed electric motor goes from rotation mode to braking, stopping and fixing the squirrel-cage rotor in a stationary state with a synchronous braking torque, without requiring an additional mechanical brake. Such an electric motor is especially necessary for the electric drive of crane mechanisms, actuators of robots, automation systems, etc.
9. Там, где на практике применяются асинхронные электродвигатели, предлагаемый электродвигатель может успешно использоваться как в асинхронном, так и в синхронном режиме на той же частоте вращения. Для его перехода из асинхронного в синхронный режим достаточно фазные напряжения питания фазных обмоток статора сделать прерывистыми согласно (4) или (5), т.е. одновременно включать и выключать фазные напряжения, например, с частотой в 3-5 раз выше частоты сети питания. В данном случае преобразователь напряжения заменяется простым прерывателем. 9. Where asynchronous electric motors are used in practice, the proposed electric motor can be successfully used both in asynchronous and in synchronous mode at the same speed. For its transition from asynchronous to synchronous mode, it is sufficient to make the phase supply voltages of the phase stator windings intermittent according to (4) or (5), i.e. simultaneously turn on and off the phase voltage, for example, with a frequency of 3-5 times higher than the frequency of the power supply. In this case, the voltage converter is replaced by a simple breaker.
10. Авторами была принята за основу простая и надежная конструкция асинхронного электродвигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора. При этом в предлагаемом электродвигателе могут использоваться статоры однотипных синхронных и асинхронных электродвигателей без изменений. А простота и надежность конструкции обеспечивается тем, что все варианты короткозамкнутых обмоток могут выполняться сварными, заливкой или литыми. Роторы, обмотки которых выполнены таким образом, могут работать в высокотемпературных средах до нескольких сот градусов, в агрессивных и токсичных средах и под водой. 10. The authors took as a basis a simple and reliable design of an asynchronous electric motor with a short-circuited rotor winding. Moreover, in the proposed electric motor, stators of the same type of synchronous and asynchronous electric motors can be used without changes. And the simplicity and reliability of the design is ensured by the fact that all variants of short-circuited windings can be made welded, cast or cast. Rotors, the windings of which are made in this way, can work in high-temperature environments up to several hundred degrees, in aggressive and toxic environments and under water.
Литература:
1. Вольдек А.И. Электрические машины. "Энергия", М.-Л., 1971.Literature:
1. Voldek A.I. Electric cars. "Energy", M.-L., 1971.
2. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н. Общая электротехника. "Высшая школа", М, 1974. 2. Borisov Yu.M., Lipatov D.N. General electrical engineering. "Higher School", M, 1974.
3. Уайт Д. и Вудсон Г. Электромеханическое преобразование энергии, "Энергия", М. - Л., 1964. 3. White D. and Woodson G. Electromechanical energy conversion, "Energy", M. - L., 1964.
4. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. "Высшая школа", М. , 1984. 4. Bessonov L.A. Theoretical foundations of electrical engineering. "Higher School", M., 1984.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU97114252A RU2153755C2 (en) | 1997-08-12 | 1997-08-12 | Synchronous-asynchronous electric motor with short- circuited winding of rotor |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UA97063324 | 1997-06-27 | ||
| RU97114252A RU2153755C2 (en) | 1997-08-12 | 1997-08-12 | Synchronous-asynchronous electric motor with short- circuited winding of rotor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU97114252A RU97114252A (en) | 1999-06-27 |
| RU2153755C2 true RU2153755C2 (en) | 2000-07-27 |
Family
ID=20196523
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU97114252A RU2153755C2 (en) | 1997-08-12 | 1997-08-12 | Synchronous-asynchronous electric motor with short- circuited winding of rotor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2153755C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2638826C2 (en) * | 2013-04-12 | 2017-12-18 | Сименс Акциенгезелльшафт | Jet-drive rotor with launching support device |
| RU2755208C2 (en) * | 2017-02-21 | 2021-09-14 | Луис Дж. ФИНКЛ | Hybrid asynchronous electric engine with self-leveling hybrid rotor based on induction and permanent magnets |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2444106C2 (en) * | 2009-11-30 | 2012-02-27 | ЗАО "Сев-Евродрайф" | Rotor of synchronous electric machine and synchronous electric machine comprising such rotor |
-
1997
- 1997-08-12 RU RU97114252A patent/RU2153755C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2638826C2 (en) * | 2013-04-12 | 2017-12-18 | Сименс Акциенгезелльшафт | Jet-drive rotor with launching support device |
| US10284032B2 (en) | 2013-04-12 | 2019-05-07 | Siemens Aktiengesellschaft | Reluctance rotor with runup aid |
| RU2755208C2 (en) * | 2017-02-21 | 2021-09-14 | Луис Дж. ФИНКЛ | Hybrid asynchronous electric engine with self-leveling hybrid rotor based on induction and permanent magnets |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Leonhard | Control of electrical drives | |
| JP5892628B2 (en) | Bearingless motor | |
| CN101490946B (en) | Variable magnetic flux motor drive system | |
| Xu et al. | Design and operation characteristics of a novel switched reluctance motor with a segmental rotor | |
| Gryzlov et al. | New Approaches to Designing of Electrical Machines for Modern Controlled AC Electric Drives | |
| CN102624314A (en) | Variable-flux motor drive system | |
| JPH08294248A (en) | Electromagnetic rotating machine | |
| Morel et al. | Study of ultra high speed switched reluctance motor drive | |
| Pillai | A first course on electrical drives | |
| Zhang et al. | Electromagnetic performance analysis on the bearingless permanent magnet synchronous motor with Halbach magnetized rotor | |
| RU2153755C2 (en) | Synchronous-asynchronous electric motor with short- circuited winding of rotor | |
| KR20020067863A (en) | Self-bearing step motor and its control method | |
| Raggl et al. | A comparison of separated and combined winding concepts for bearingless centrifugal pumps | |
| Vadde et al. | Influence of skewing design for reduction of force ripples in DSL-SynRM using 3D FEA | |
| Gobel et al. | Control of a rotation-thrust drive with helical motor | |
| Asama et al. | Novel control method for magnetic suspension and motor drive with one three-phase voltage source inverter using zero-phase current | |
| JP3524303B2 (en) | Radial rotating body position control device | |
| Reinhard et al. | New approaches for contactless power transmission systems integrated in PM motor drives transferring electrical energy to rotating loads | |
| Frolov et al. | Modeling an induction motor based on the equations of a generalized electric machine, taking into account the saturation of the magnetic circuit | |
| Law et al. | Design and performance of the field regulated reluctance machine | |
| JP3705658B2 (en) | Control system for permanent magnet type rotating electrical machine generating radial force | |
| RU2207578C2 (en) | Procedure determining emf of rotor of synchronous and current of rotor of asynchronous electric motors (variants) | |
| RU2414040C1 (en) | Non-contact synchronous magnetic electric machine with modulated magnetomotive force of armature | |
| Dobriyan et al. | Theoretical and experimental research of synchronous reluctance motor | |
| RU2414794C1 (en) | Non-contact modular synchronous magnetoelectric machine |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090813 |