Однофазный электродвигатель со стартовыми полюсами

 

Изобретение относится к электротехнике, а точнее к электрическим машинам для бытовой техники, например для стиральных машин, электронасосов и кухонных комбайнов. Для повышения надежности пуска однофазного электродвигателя, содержащего зубчатый безобмоточный ротор, статор 1 с основными 2 и 3 и стартовыми полюсами 4 и 5 и обмотками 6 - 9, в пазах 14 основных полюсов размещены постоянные магниты 15. Стартовые полюса 4 и 5 смещены относительно основных полюсов 2 и 3 так, что угол между осями их зубцов не кратен угловому зубцовому шагу ротора t_z. При этом согласно изобретению в пазах основных полюсов размещены постоянные магниты, намагниченность которых согласна с намагниченностью соответствующих основных полюсов, а угол между осями постоянного магнита и осью зубца стартового полюса при этом не кратен угловому зубцовому шагу ротора t_z. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а точнее к электрическим машинам для бытовой техники, например для стиральных машин, кухонных комбайнов и электронасосов.

Известен однофазный электродвигатель индукторного типа, содержащий безобмоточный ротор и статор, который выполнен с дополнительными и основными полюсами, охваченными обмотками. Дополнительные полюса смещены с оси симметрии статора по направлению вращения ротора на некоторый угол. Электродвигатель снабжен блоком управления и источником питания постоянного тока, с которым через переключатель, открываемый по командам блока управления, связана основная обмотка, а в качестве датчика положения ротора используются дополнительные полюса, на одном из которых расположена первичная обмотка, питаемая от сети, на другом - вторичная обмотка, передающая сигналы на блок управления в момент замыкания магнитного контура дополнительных полюсов при повороте ротора (Патент ФРГ N 4012561, H 02 P 7/622 от 20.4.90).

Недостатком данного технического решения является невысокое значение фиксирующего момента дополнительного полюса при включении первичной обмотки, выставляющего ротор в стартовое положение при пуске. Кроме того, в кривой электромагнитного момента стартового полюса имеются нулевые, т.е. мертвые зоны, в которых кривая момента переходит через ноль. При наличии на валу момента трения покоя это приводит к тому, что при включенной обмотке стартового полюса при пуске ротор может оказаться в одном из двух положений: либо в нормальном стартовом положении, в котором зубцы ротора располагаются напротив дополнительного полюса, либо в положении, в котором напротив дополнительного полюса будет находиться не зубец, а паз ротора. Во втором случае датчик положения ротора дает запрет на включение обмотки основных полюсов и двигатель не запускается.

Известен однофазный индукторный электродвигатель со стартовыми полюсами, содержащий зубчатый ротор и статор с основными и стартовыми полюсами с размещенными на них обмотками. Согласное включение катушек стартовых полюсов повышает момент стартовых полюсов, устанавливающих ротор в стартовое положение при пуске. (Полезная модель России N 874, HO 2 K 19/06 от 15.03.94) Недостатком указанного технического решения является также наличие мертвых зон в кривой момента стартового полюса и поэтому неспособность двигателя надежно запускаться при значительном моменте трения покоя на валу.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение надежности пуска однофазного электродвигателя со стартовыми полюсами.

Решение указанной задачи обеспечивается предлагаемой конструкцией однофазного электродвигателя со стартовыми полюсами, содержащего безобмоточный ротор и статор, выполненный с основными и стартовыми полюсами и обмотками, причем стартовые полюса смещены относительно основных так, что угол между осями зубцов основных и стартовых полюсов не кратен угловому зубцовому шагу ротора t_z, в котором согласно данному изобретению в пазу основного полюса размещен постоянный магнит согласной с основным полюсов намагниченности. Магнит расположен так, что угол между осью магнита и осью зубца стартового полюса не кратен зубцовому шагу t_z.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным исполнением со ссылкой на чертежи.

На фиг. 1 показано поперечное сечение однофазного электродвигателя со стартовыми полюсами; на фиг. 2 - зависимости составляющих момента электродвигателя, обусловленных взаимодействием ротора с постоянными магнитами, а также возбужденными основными и стартовыми полюсами от углового положения ротора относительно статора.

Электродвигатель, показанный на фиг. 1, состоит из магнитопровода статора 1 с основными 2 и 3 и стартовыми 4 и 5 полюсами с размещенными на них катушками соответственно 6, 7 и 8, 9, ротора 10 с зубцами 11 и 12. На полюсах 2 и 3 статора 1 имеются зубцы 13 и пазы 14, катушки 6 и 7 образуют основную обмотку (OO) и в магнитном отношении включены согласно между собой. Катушки 8 и 9 также включены между собой согласно и образуют стартовую обмотку (CO). В пазах 14 основных полюсов 2 и 3, свободных от обмоток, установлены постоянные магниты (ПК) 15. Направление намагниченности магнитов 15 совпадает с намагниченностью соответствующих основных полюсов 2 и 3. Ротор выполнен с угловым зубцовым шагом t_z. Стартовые полюсы 4 и 5 смещены с оси симметрии основных полюсов L_оп в направлении вращения ротора так, что составляют с ближайшим зубцом основного полюса угол = 50 геометрических или 500 электрических градусов.

Перед пуском OO и CO обесточены. Ротор 10 устанавливается в стартовое положение синхронизирующим моментом Мпм, обусловленным взаимодействием магнитного поля ПМ с зубцами 11 ротора. Исходным при пуске является положение ротора, в котором ПМ 15 находится напротив зубцов ротора 11. Этому положению ротора на фиг. 1 соответствует точка g на фиг. 2, в которой момент, действующий на ротор со стороны ПМ, равен нулю. Это точка устойчивого равновесия, так как при малейших отклонениях в угловом положении ротора возникает момент, возвращающий его в эту точку. В CO подается импульс тока. Под действием момента M_g, созданного взаимодействием возбужденного стартового полюса и ротора, ротор начинает вращение по часовой стрелке. Ротор продолжает вращение до углового положения, в котором моменты, созданные полями ПМ и CO, равны по величине и противоположны по направлению. Этому положению на фиг. 2 соответствует точка j. В этом положении ротор после некоторых колебаний занимает устойчивое положение и готов к старту в заданном направлении, а именно по часовой стрелке.

В этом положении в OO подается ток и одновременно CO обесточивается. На ротор действует момент M_j, под действием которого ротор начинает вращение по часовой стрелке. Ротор продолжает вращение под действием положительного момента, создаваемого возбужденными основными полюсами. Вращению противодействует незначительный, по сравнению с моментом от основных полюсов, отрицательный момент, созданный полем ПМ, в положении, в котором зубец ротора располагается напротив зубца основного полюса, OO обесточивается. Этому угловому положению ротора на фиг. 2 соответствует точка е. В противном случае при дальнейшем движении на ротор будет действовать отрицательный момент. Ротор продолжает вращение за счет запасенной кинетической энергии и незначительного положительного момента от ПМ. В угловом положении ротора, в котором зубец ротора располагается напротив паза основного полюса, т.е. на оси L_п, в обмотку основных полюсов вновь подается импульс тока. Этому положению ротора на фиг. 2 соответствует точка h. В дальнейшем на ротор действует положительный момент от основных полюсов М_oo и незначительный отрицательный момент Мпм. Следующее обесточивание обмотки основных полюсов последует в точке i и т.д.

Последовательная подача таковых импульсов в OO обеспечивает разгон и работу двигателя в установившемся режиме. Своевременная подача токовых импульсов в обмотку основных полюсов может быть осуществлена от электронного коммутатора с использованием датчика положения ротора.

При отсутствии момента на валу неподвижного ротора последний всегда занимает устойчивое угловое положение, в котором зубцы ротора располагаются по оси L_m ПМ (точки g или d на фиг. 2). Угловое положение ротора, соответствующее на фиг. 2 точке f, при отсутствии момента на валу неподвижного ротора является точкой неустойчивого равновесия, из которого ротор всегда переходит в устойчивое положение (точки g или d на фиг. 2). Однако при наличии на неподвижном валу момента трения покоя М_ст, который особенно проявляется при остановке резинового сальника на валу двигателя, работавшего в составе водяного насоса, ротор при установке в стартовое положение постоянными магнитами может застревать в зоне, ограниченной на фиг.2 прямыми q и р. В этом случае подача токового импульса в CO обеспечивает действующий на ротор отрицательный момент М_ос, который по величине находится между M_g и M_p и направлен против часовой стрелки. Под действием этого момента ротор переходит в окрестность точки J, из которого происходит запуск двигателя подачей токовых импульсов в основную обмотку (аналогично ранее описанному).

Применение в предлагаемой конструкции двигателя постоянных магнитов позволяет обеспечить надежный пуск при наличии на неподвижном валу момента трения покоя. Это достигается за счет соответствующего размещения магнитов, установленных так, что угол между осями ПМ и стартовых полюсов не кратен tz. В этом случае мертвые зоны стартовых полюсов и ПM не совпадают и двигатель запускается в соответствии с приведенным выше описанием.

В двигателях без ПМ либо с ПМ, но установленных по другому, мертвые зоны стартовых полюсов и ПМ совпадут и будут в окрестности точек n или m (см. фиг. 2). В этом случае при моменте на валу неподвижного ротора M_ст последний может застрять в указанной мертвой зоне при включенной CO. При этом электронный коммутатор не подаст импульс тока в основную обмотку, так как ротор будет находиться в зоне отрицательного момента основных полюсов. То есть в этом случае на включение OO действует запрет, обусловленный командами от датчика положения ротора, разрешающего включение OO только в области положительных моментов, создаваемых основными полюсами. Установка ПМ предлагаемым способом не позволит ротору находиться в окрестности точек n или m за счет действия момента, создаваемого ПМ. Под действием М_пм ротор займет устойчивое положение соответственно в точках g или d.

Наиболее рациональной является установка ПМ таким образом, чтобы ось ПМ была сдвинута против вращения ротора относительно оси L_п соответствующего паза основного полюса, в котором установлен данный ПМ, на угол = (0,05 - 0,25)tz. При таком расположении мертвые зоны ПМ и стартовых полюсов значительно раздвинуты, что повышает допустимый момент М_ст, при котором двигатель обеспечивает надежный запуск.

Постоянные магниты следует устанавливать так, чтобы направление их намагниченности совпадало с направлением магнитного поля основных полюсов. В противном случае ПМ размагничивается встречным полем.

Таким образом, положительный эффект предлагаемого решения состоит в повышении надежности пуска двигателя за счет размещения в пазах основных полюсов ПМ таким образом, чтобы мертвые зоны стартовых полюсов и ПМ не совпадали.

Формула изобретения

1. Однофазный электродвигатель со стартовыми полюсами, содержащий безобмоточный зубчатый ротор и статор, выполненный с основными и стартовыми полюсами и обмотками, причем стартовые полюса смещены относительно основных полюсов так, что угол между осями зубцов основного и стартового полюсов не кратен угловому зубцовому шагу ротора t_z, отличающийся тем, что в пазу основного полюса размещен постоянный магнит с намагниченностью, согласной с намагниченностью полюса, при этом угол между осью постоянного магнита и осью зубца стартового полюса не кратен угловому зубцовому шагу t_z.

2. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что ось постоянного магнита смещена относительно оси паза на угол (0,05 0,25) t_z против вращения ротора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2