RU2412518C1

RU2412518C1 - Low-speed asynchronous electric motor

Info

Publication number: RU2412518C1
Application number: RU2010104026/07A
Authority: RU
Inventors: Алексей Петрович Сеньков (RU); Алексей Петрович Сеньков; Андрей Николаевич Калмыков (RU); Андрей Николаевич Калмыков; Андрей Алексеевич Сеньков (RU); Андрей Алексеевич Сеньков
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2011-02-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: low-speed asynchronous electric motor includes stator with multi-phase winding and rotor with interleaved core and short-circuited winding. Stator phases are made in the form of annular windings coaxial with rotor, each of which is located between two annular magnetic cores with teeth protruding in axial direction and which are opposite directed. At that, annular magnetic cores of the phase are offset relative to each other through π/z angle, and between them there arranged is toroidal magnetic core, and annular magnetic core of various phases are offset relative to each other through 2π/z·m angle, where z - the number of teeth of each annular magnetic core, and m - the number of phases.

EFFECT: simplifying the manufacturing procedure of the stator windings at simultaneous technically possible increase of the number of poles of low-speed asynchronous electric motor.

3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам и электроприводу.The invention relates to electrical engineering, in particular to electric machines and electric drives.

Аналогом является, например, асинхронный электродвигатель (Проектирование электрических машин, под ред. Копылова И.П., книга 1. М., «Энергоатомиздат», 1993, с.244, рис.8.4), имеющий статор, состоящий из шихтованного магнитопровода с обмоткой, и ротор с короткозамкнутой обмоткой.An analogue is, for example, an asynchronous electric motor (Designing of electrical machines, under the editorship of IP Kopylov, book 1. M., “Energoatomizdat”, 1993, p. 244, Fig. 8.4), which has a stator consisting of a charged magnetic circuit with winding, and squirrel cage rotor.

Наиболее близок к предлагаемому низкооборотному асинхронному электродвигателю асинхронный электродвигатель (Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины, ч.1. М., «Высшая школа», 1987, с.214, рис.4.3), имеющий шихтованный магнитопровод статора с пазами, проходящими в осевом направлении, в которые укладываются проводники обмотки статора, и ротор, содержащий шихтованный сердечник и короткозамкнутую обмотку. Такое исполнение асинхронного электродвигателя является традиционным. При подаче на обмотку статора многофазного (обычно - трехфазного) переменного напряжения статор создает вращающееся магнитное поле. При вращении магнитного поля относительно ротора в обмотке ротора индуцируется электродвижущая сила, которая создает в замкнутой обмотке ротора ток. Ток обмотки ротора взаимодействует с магнитным полем статора, в результате чего возникает электромагнитный момент, вращающий ротор.The closest to the proposed low-speed asynchronous electric motor is an asynchronous electric motor (Bruskin D.E., Zorokhovich A.E., Khvostov V.S. Electrical Machines, Part 1. M., "Higher School", 1987, p. 214, Fig. 4.3), having a lined stator magnetic circuit with grooves extending in the axial direction into which the stator winding conductors fit, and a rotor containing a lined core and a short-circuited winding. This design of an induction motor is traditional. When a multiphase (usually three-phase) alternating voltage is applied to the stator winding, the stator creates a rotating magnetic field. When the magnetic field rotates relative to the rotor, an electromotive force is induced in the rotor winding, which creates a current in the closed rotor winding. The rotor winding current interacts with the magnetic field of the stator, as a result of which there is an electromagnetic moment, which rotates the rotor.

Для некоторых электроприводов необходимы низкооборотные асинхронные электродвигатели, применение которых позволяет исключить механический редуктор. Для уменьшения частоты вращения магнитного поля и ротора асинхронного двигателя увеличивают число пар полюсов магнитного поля, созданного обмоткой статора. При увеличении числа пар полюсов асинхронного двигателя традиционного исполнения необходимо увеличивать число продольных пазов в шихтованном магнитопроводе статора, в которых укладывается статорная обмотка. С увеличением числа пар полюсов и пазов увеличивается трудоемкость и стоимость изготовления машины (Проектирование электрических машин, под ред. Копылова И.П., книга 1. М., «Энергоатомиздат», 1993, с.282). Кроме того, число пазов и зубцов ограничено минимально допустимой шириной зубцов магнитопровода статора, обеспечивающих механическую прочность.Some electric drives require low-speed asynchronous electric motors, the use of which eliminates the mechanical gearbox. To reduce the rotation frequency of the magnetic field and the rotor of the induction motor, increase the number of pairs of poles of the magnetic field created by the stator winding. With an increase in the number of pairs of poles of a traditional induction motor, it is necessary to increase the number of longitudinal grooves in the lined stator magnetic circuit in which the stator winding is placed. With an increase in the number of pairs of poles and grooves, the complexity and cost of manufacturing a machine increases (Designing of electrical machines, under the editorship of IP Kopylov, book 1. M., “Energoatomizdat”, 1993, p. 282). In addition, the number of grooves and teeth is limited by the minimum allowable width of the teeth of the stator magnetic circuit, providing mechanical strength.

Предлагаемое изобретение позволит создать низкооборотный асинхронный электродвигатель с большим числом пар полюсов магнитного поля, трудоемкость и стоимость изготовления которого значительно ниже, чем прототипа.The present invention will allow you to create a low-speed induction motor with a large number of pairs of poles of the magnetic field, the complexity and manufacturing cost of which is significantly lower than the prototype.

Это достигается тем, что в низкооборотном асинхронном электродвигателе, содержащем статор с многофазной обмоткой и ротор с шихтованным магнитопроводом и короткозамкнутой обмоткой, каждая фаза статора выполнена в виде кольцевой обмотки, соосной с ротором, расположенной между двумя кольцевыми магнитопроводами. Кольцевые магнитопроводы каждой фазы имеют зубцы, выступающие в осевом направлении и направленные встречно, число которых z на каждом кольцевом магнитопроводе равно числу полюсов двигателя р. Кольцевые магнитопроводы, между которыми размещена любая из фаз двигателя, смещены относительно друг друга на угол π/z, а кольцевые магнитопроводы разных фаз смещены относительно друг друга на угол 2π/z·m, где z - число зубцов каждого из кольцевых магнитопроводов, а m - число фаз. Между кольцевыми магнитопроводами одной и той же фазы размещен тороидальный магнитопровод.This is achieved by the fact that in a low-speed asynchronous electric motor containing a stator with a multiphase winding and a rotor with a charged magnetic circuit and a short-circuited winding, each phase of the stator is made in the form of a ring winding, coaxial with the rotor located between two ring magnetic circuits. The annular magnetic circuits of each phase have teeth protruding in the axial direction and directed in the opposite direction, the number of which z on each annular magnetic circuit is equal to the number of poles of the motor p. The annular magnetic cores, between which any of the phases of the motor are located, are offset relative to each other by an angle π / z, and the annular magnetic cores of different phases are offset relative to each other by an angle of 2π / z · m, where z is the number of teeth of each of the ring magnetic circuits, and m is the number of phases. Between the ring magnetic circuits of the same phase there is a toroidal magnetic circuit.

Заявляемая конструкция низкооборотного асинхронного электродвигателя позволяет упростить технологию выполнения обмоток статора и одновременно увеличить технически возможное число пар полюсов двигателя. Трудоемкость и стоимость изготовления такого асинхронного двигателя намного ниже, чем электродвигателя с уложенной в пазы магнитопровода статора обмоткой. Причем при увеличении числа пар полюсов двигателя преимущества предлагаемого асинхронного двигателя становятся более очевидными.The inventive design of a low-speed induction motor allows to simplify the technology of the stator windings and at the same time increase the technically possible number of pairs of motor poles. The complexity and cost of manufacturing such an induction motor is much lower than an electric motor with a winding laid in the grooves of the stator magnetic circuit. Moreover, with an increase in the number of pole pairs of the motor, the advantages of the proposed asynchronous motor become more apparent.

На фиг.1 показано осевое сечение низкооборотного асинхронного электродвигателя в трехфазном исполнении. На фиг.2 - элементы магнитной цепи одной из фаз статора. На фиг.3, 4 и 5 - осевые сечения двигателя.Figure 1 shows the axial section of a low-speed asynchronous electric motor in three-phase design. Figure 2 - elements of the magnetic circuit of one of the phases of the stator. In Fig.3, 4 and 5 are axial sections of the engine.

В изображенном на фиг.1 трехфазном, низкооборотном, асинхронном электродвигателе в корпусе 1 размещен статор, фазы которого выполнены в виде кольцевых обмоток 2, 3 и 4, расположенных соосно с ротором. Фаза 2 расположена между кольцевыми магнитопроводами 5 и 6, фаза 3 - между кольцевыми магнитопроводами 7 и 8, а фаза 4 - между кольцевыми магнитопроводами 9 и 10. Каждый из кольцевых магнитопроводов 5-10 имеет выступающие в осевом направлении зубцы. Магнитопровод 5 имеет зубцы 11, магнитопровод 6 - зубцы 12, магнитопровод 7 - зубцы 13, магнитопровод 8 - зубцы 14, магнитопровод 9 - зубцы 15, магнитопровод 10 - зубцы 16. Зубцы 11 и 12 (13 и 14; 15 и 16) кольцевых магнитопроводов 5 и 6 (7 и 8; 9 и 10), между которыми располагается кольцевая фаза 2 (3; 4), направлены встречно, и кольцевые магнитопроводы 5 и 6 (7 и 8; 9 и 10) развернуты друг относительно друга по углу на угол π/z. Кольцевые магнитопроводы 5-10 могут быть выполнены из магнитомягкого композиционного материала (ММК) либо сборными из нескольких элементов, выполненными из листовой электротехнической стали. Между кольцевыми магнитопроводами 5 и 6; 7 и 8; 9 и 10 расположены тороидальные магнитопроводы 17, которые также можно изготовить из ММК либо свернуть из листовой стали.In the three-phase, low-speed, asynchronous electric motor shown in FIG. 1, a stator is placed in the housing 1, the phases of which are made in the form of ring windings 2, 3 and 4, located coaxially with the rotor. Phase 2 is located between the ring magnetic circuits 5 and 6, phase 3 is between the ring magnetic circuits 7 and 8, and phase 4 is between the ring magnetic circuits 9 and 10. Each of the ring magnetic circuits 5-10 has teeth protruding in the axial direction. The magnetic circuit 5 has teeth 11, the magnetic circuit 6 - teeth 12, the magnetic circuit 7 - teeth 13, the magnetic circuit 8 - teeth 14, the magnetic circuit 9 - teeth 15, the magnetic circuit 10 - teeth 16. The ring teeth 11 and 12 (13 and 14; 15 and 16) magnetic circuits 5 and 6 (7 and 8; 9 and 10), between which the annular phase 2 (3; 4) is located, are directed in the opposite direction, and the circular magnetic circuits 5 and 6 (7 and 8; 9 and 10) are rotated relative to each other in angle by the angle π / z. Ring magnetic circuits 5-10 can be made of soft magnetic composite material (MMK) or prefabricated from several elements made of sheet electrical steel. Between the ring magnetic circuits 5 and 6; 7 and 8; 9 and 10, toroidal magnetic cores 17 are located, which can also be made of MMK or rolled up from sheet steel.

На фиг.2 показано расположение элементов магнитной цепи фазы 2 статора при сборке. Как уже было отмечено, кольцевые магнитопроводы 5 и 6 развернуты друг относительно друга по углу на угол π/z. Направление сборки показано стрелками. При сборке элементов зубцы 11 кольцевого магнитопровода 5 входят в пазы между зубцами 12 кольцевого магнитопровода 6, а зубцы 12 кольцевого магнитопровода 6 входят в пазы между зубцами 11 кольцевого магнитопровода 5. Фаза 2 оказывается расположенной в полости, образованной кольцевыми магнитопроводами 5 и 6 и тороидальным магнитопроводом 17. Аналогичным образом собираются элементы магнитной цепи фаз 3 и 4.Figure 2 shows the location of the elements of the magnetic circuit of phase 2 of the stator during assembly. As already noted, the annular magnetic circuits 5 and 6 are rotated relative to each other in angle to the angle π / z. The assembly direction is shown by arrows. When assembling the elements, the teeth 11 of the annular magnetic circuit 5 enter the grooves between the teeth 12 of the annular magnetic circuit 6, and the teeth 12 of the annular magnetic circuit 6 enter the grooves between the teeth 11 of the annular magnetic circuit 5. Phase 2 is located in the cavity formed by the annular magnetic circuits 5 and 6 and the toroidal magnetic circuit 17. Similarly, the elements of the magnetic circuit of phases 3 and 4 are assembled.

При установке в корпус 1 пары кольцевых магнитопроводов 5 и 6; 7 и 8; 9 и 10 фаз 2, 3 и 4 должны быть развернуты друг относительно друга на угол 2π/z·m, где m - число фаз электродвигателя, равное в приведенной конструкции 3. На фиг.3, 4 и 5 приведены диаметральные сечения двигателя, сделанные в зонах расположения каждой из трех фаз, на которых видно смещение по углу зубцов 11 и 12; 13 и 14; 15 и 16 пар кольцевых магнитопроводов 5 и 6; 7 и 8; 9 и 10.When installing in the housing 1 a pair of ring magnetic circuits 5 and 6; 7 and 8; 9 and 10 of phases 2, 3 and 4 should be rotated relative to each other at an angle of 2π / z · m, where m is the number of phases of the electric motor, equal to that in the above structure 3. In Figs. 3, 4 and 5, diametric sections of the engine are shown in the areas of each of the three phases, which show the angle offset of the teeth 11 and 12; 13 and 14; 15 and 16 pairs of ring magnetic circuits 5 and 6; 7 and 8; 9 and 10.

На валу 18 ротора установлен пакет шихтованного магнитопровода 19, пластины которого располагаются в диаметральной плоскости. В пазах шихтованного магнитопровода 19 проходят стержни 20 короткозамкнутой обмотки, которые замыкаются по торцам шихтованного магнитопровода 19 кольцами 21.On the shaft 18 of the rotor is installed a pack of lined magnetic core 19, the plates of which are located in the diametrical plane. In the grooves of the charged magnetic core 19 there are rods 20 of a short-circuited winding, which are closed at the ends of the charged magnetic core 19 by rings 21.

Электродвигатель работает следующим образом. На фазы 2, 3 и 4 электродвигателя подается стандартное трехфазное синусоидальное напряжение, у которого фазные напряжения имеют равную амплитуду, частоту и смещены во времени на треть периода. Первая фаза 2 создает пульсирующий магнитный поток, который проходит в радиальном направлении через кольцевой магнитопровод 5, зубцы 11 кольцевого магнитопровода 5, воздушный зазор между зубцами 11 и шихтованным магнитопроводом 19 ротора, через магнитопровод 19 в тангенциальном направлении, затем через зазор между магнитопроводом 19 и зубцами 12 кольцевого магнитопровода 6, через кольцевой магнитопровод 6 и в осевом направлении через тороидальный магнитопровод 17 от магнитопровода 6 к магнитопроводу 5. Зубцы 11 магнитопровода 5 и зубцы 12 магнитопровода 6 являются полюсами пульсирующего магнитного поля, созданного первой фазой 2 статора, при этом зубцы 11 и 12 смещены в тангенциальном направлении на угол, равный π/z, где z - число зубцов каждого из кольцевых магнитопроводов 2-7. Таким образом, фаза 2 создает пульсирующее магнитное поле, число пар полюсов которого равно числу зубцов z кольцевых магнитопроводов 5 и 6.The electric motor operates as follows. A standard three-phase sinusoidal voltage is applied to phases 2, 3 and 4 of the electric motor, in which the phase voltages have equal amplitude, frequency and are offset in time by a third of the period. The first phase 2 creates a pulsating magnetic flux that passes radially through the annular magnetic circuit 5, the teeth 11 of the annular magnetic circuit 5, the air gap between the teeth 11 and the lined magnetic circuit 19 of the rotor, through the magnetic circuit 19 in the tangential direction, then through the gap between the magnetic circuit 19 and the teeth 12 of the annular magnetic circuit 6, through the annular magnetic circuit 6 and in the axial direction through the toroidal magnetic circuit 17 from the magnetic circuit 6 to the magnetic circuit 5. The teeth 11 of the magnetic circuit 5 and the teeth 12 of the magnet oestrus 6 are poles pulsating magnetic field generated by the first phase of the stator 2, and the teeth 11 and 12 are offset in the tangential direction at an angle equal to π / z, where z - number of teeth of each of the annular cores 2-7. Thus, phase 2 creates a pulsating magnetic field, the number of pole pairs of which is equal to the number of teeth z of the ring magnetic circuits 5 and 6.

Аналогичное пульсирующее магнитное поле создает вторая фаза 3. Но так как кольцевые магнитопроводы фаз развернуты относительно друг друга на 2π/z·m, то полюсы магнитного поля второй фазы 3 смещены относительно полюсов первой фазы на угол 2π/3z.A similar pulsating magnetic field is created by the second phase 3. But since the ring magnetic circuits of the phases are rotated relative to each other by 2π / z · m, the poles of the magnetic field of the second phase 3 are shifted relative to the poles of the first phase by 2π / 3z.

Третья фаза 4 также создает аналогичное пульсирующее магнитное поле, полюсы которого смещены относительно полюсов первой фазы соответственно на угол 4π/3z.The third phase 4 also creates a similar pulsating magnetic field, whose poles are offset relative to the poles of the first phase by an angle of 4π / 3z, respectively.

Таким образом, пульсирующие магнитные поля, созданные фазами, смещены относительно друг друга на 2π/3 эл. радиан.Thus, the pulsating magnetic fields created by the phases are shifted relative to each other by 2π / 3 e. radian.

Каждое пульсирующее магнитное поле создает в стержнях 20 короткозамкнутой обмотки ротора ЭДС. Суммарная ЭДС в стержнях 20 короткозамкнутой обмотки предлагаемого двигателя будет аналогична ЭДС, создаваемой вращающимся магнитным полем в асинхронных электродвигателях традиционного исполнения. Под действием суммарной ЭДС в стержнях 20 короткозамкнутой обмотки ротора возникают токи, при взаимодействии которых с магнитными полями, созданными фазами 2, 3 и 4 статора, появляется электромагнитный момент, вращающий ротор.Each pulsating magnetic field creates an emf in the rods 20 of the short-circuited winding of the rotor. The total EMF in the rods 20 of the short-circuited winding of the proposed engine will be similar to the EMF created by a rotating magnetic field in traditional induction motors. Under the action of the total EMF, currents arise in the rods 20 of the short-circuited rotor winding, when they interact with the magnetic fields created by phases 2, 3 and 4 of the stator, an electromagnetic moment appears, which rotates the rotor.

В предлагаемом асинхронном электродвигателе число зубцов кольцевых магнитопроводов определяет число пар полюсов магнитного поля, а каждая фаза выполнена в виде компактной кольцевой обмотки. Так как в пазах между зубцами кольцевых магнитопроводов не располагаются витки обмотки статора, то выполнить предлагаемый двигатель с большим числом пар полюсов и получить низкие частоты вращения ротора намного проще и дешевле, чем в прототипе. Предлагаемую электрическую машину можно использовать также в режиме асинхронного генератора.In the proposed induction motor, the number of teeth of the ring magnetic circuits determines the number of pairs of poles of the magnetic field, and each phase is made in the form of a compact ring winding. Since the stator winding turns are not located in the grooves between the teeth of the ring magnetic circuits, it is much simpler and cheaper to perform the proposed engine with a large number of pole pairs and to obtain low rotor speeds than in the prototype. The proposed electric machine can also be used as an asynchronous generator.

Claims

Низкооборотный асинхронный электродвигатель, содержащий статор с многофазной обмоткой и ротор с шихтованным магнитопроводом и короткозамкнутой обмоткой, отличающийся тем, что фазы статора выполнены в виде кольцевых обмоток, соосных с ротором, каждая из которых расположена между двумя кольцевыми магнитопроводами с зубцами, выступающими в осевом направлении и направленными встречно, причем кольцевые магнитопроводы фазы смещены относительно друг друга на угол π/z, и между ними размещен тороидальный магнитопровод, а кольцевые магнитопроводы разных фаз смещены относительно друг друга на угол 2π/z·m, где z - число зубцов каждого из кольцевых магнитопроводов, а m - число фаз. A low-speed asynchronous electric motor containing a stator with a multiphase winding and a rotor with a charged magnetic circuit and a short-circuited winding, characterized in that the phases of the stator are made in the form of ring windings coaxial with the rotor, each of which is located between two ring magnetic circuits with teeth protruding in the axial direction and directed in the opposite direction, moreover, the annular magnetic cores of the phase are offset relative to each other by an angle π / z, and a toroidal magnetic circuit is placed between them, and the annular magnetic cores waters of different phases are shifted relative to each other by an angle of 2π / z · m, where z is the number of teeth of each of the ring magnetic circuits, and m is the number of phases.