Однофазный индукционный электродвигатель

Однофазный индукционный электродвигатель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к однофазным индукционным двигателям, а более конкретно к однофазным индукционным двигателям с изменяющимся количеством витков вспомогательной обмотки, по которым протекает ток, в зависимости от режима работы электродвигателя, благодаря чему улучшаются параметры пускового крутящего момента при запуске электродвигателя и коэффициент полезного действия электродвигателя при его работе в нормальном режиме.

Уровень техники

Однофазный индукционный электрический двигатель представляет собой устройство, которое создает при подаче переменного тока в обмотку статора переменное магнитное поле, благодаря которому на ротор действует крутящий момент и возникает вращающая сила.

Однако если на электродвигатель поступает однофазный переменный ток от источника электропитания, электродвигатель создает переменное магнитное поле в направлении оси обмотки, которое не способно создать силу вращения. Обычно для запуска электродвигателя предусматривается пусковое устройство. В качестве такого пускового устройства обычно используют пусковое устройство на основе конденсатора.

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема типового однофазного индукционного электрического двигателя. Как видно из фиг.1, типовой однофазный индукционный электрический двигатель приводится в действие от источника электропитания Е и содержит основную обмотку М, вспомогательную обмотку S, соединенный последовательно с вспомогательной обмоткой рабочий конденсатор Cr, и соединенное параллельно с рабочим конденсатором Cr дополнительное пусковое устройство. Дополнительное пусковое устройство обычно состоит из элемента 50 с положительным температурньм коэффициентом (ПТК). ПТК-элемент 50 представляет собой элемент, сопротивление которого меняется в зависимости от температуры. При высокой температуре его сопротивление является высоким, а при низкой - низким.

Однофазный индукционный электрический двигатель также включает ротор 20, изображенный в виде круга между обмотками М и S на фиг.2. Пусковой конденсатор (не показан) может быть соединен последовательно со вспомогательным пусковым устройством.

Выполненный как описано выше однофазный индукционный электрический двигатель работает следующим образом.

При подаче на электродвигатель мощности от источника электропитания Е ток Im течет по основной обмотке М, где создается основное переменное магнитное поле. На вспомогательную обмотку S поступает ток Is, фаза которого сдвинута за счет рабочего конденсатора Cr, и на ней создается вспомогательное переменное магнитное поле, фаза которого отличается от фазы основного переменного магнитного поля, создаваемого основной обмоткой М. Поскольку вспомогательная обмотка S создает вспомогательное магнитное поле, фаза которого отличается от фазы основного магнитного поля, получается вращающееся магнитное поле, в результате чего на ротор 20 воздействует вращающий момент и он вращается.

Поскольку используемый в качестве вспомогательного пускового устройства ПТК-элемент 50 при запуске электродвигателя имеет относительно низкую температуру, через него проходит большая часть тока Is, повышая тем самым пусковой коэффициент полезного действия электродвигателя.

С другой стороны, по прошествии определенного времени после запуска, когда электродвигатель работает в нормальном режиме, ПТК-элемент 50 имеет уже очень высокое сопротивление, разрывая тем самым соединение, посредством которого ПТК-элемент 50 соединен со электросхемой, и предотвращая прохождение тока через него.

Соответственно большая часть тока Is, протекающего через вспомогательную обмотку S, идет через рабочий конденсатор Cr, и ротор 20 вращается с синхронной скоростью из-за взаимодействия ротора 20 и магнитных полей, создаваемых основной обмоткой М и вспомогательной обмоткой S с рабочим конденсатором Cr.

На фиг.2 показана схема соединения проводов вспомогательной обмотки типового однофазного индукционного электрического двигателя. Однофазный индукционный электрический двигатель содержит статор 30 с множеством пазов 1-14 и 1'-14'. Уложенные в этих пазах обмотки образуют соответственно основную и вспомогательную обмотки. Вспомогательная обмотка имеет две катушки, соединенные параллельно. Первая катушка (n3-n7) вспомогательной обмотки образована витками n3-n7, уложенными в пазах 12, 3, 11, 4, ...) статора в указанном порядке. Вторая катушка (n3'-n7') образована витками n3'-n7' в пазах 12', 3', 11', 4' ...) статора 30, уложенными в указанном порядке. Две катушки вспомогательной обмотки соединены параллельно посредством соединения концов первой катушки (n3-n7) вспомогательной обмотки с концами второй ее катушки (n3'-n7') соответственно.

Рабочий конденсатор Cr подсоединен между источником электропитания Е и концами двух параллельных катушек вспомогательной обмотки, находящимися на одной стороне этой обмотки. ПТК-элемент 50 соединен параллельно с рабочим конденсатором Cr. С созданием проходящим через катушки током вращающегося магнитного поля, к ротору 20 прикладывается вращающая сила, придавая ему вращательное движение. Для передачи вращения от электродвигателя в центре ротора 20 расположен вал 40, ось которого параллельна оси ротора 20.

И рабочий, и пусковой коэффициенты полезного действия типового однофазного индукционного электрического двигателя оказывают существенное влияние на его характеристики. Но и рабочий, и пусковой коэффициенты полезного действия зависят от количества витков вспомогательной обмотки. Конкретнее, при большом числе витков вспомогательной обмотки рабочий коэффициент полезного действия электродвигателя больше, а его пусковой коэффициент полезного действия меньше. И, наоборот, при малом числе витков во вспомогательной обмотке пусковой коэффициент полезного действия электродвигателя больше, а рабочий меньше.

Типовой однофазный индукционный электрический двигатель не обеспечивает одновременно высокого коэффициента полезного действия и в пусковом, и в рабочем режиме поскольку число витков вспомогательной обмотки остается постоянным от момента запуска и до остановки электродвигателя.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение учитывает вышеуказанные проблемы, и его задачей является создание однофазного индукционного электрического двигателя, в котором число витков вспомогательной обмотки, по которым течет ток, меняется в зависимости от режима работы электродвигателя, благодаря чему достигаются удовлетворительные значения коэффициента полезного действия электродвигателя как в пусковом, так и в рабочем режимах.

В соответствии с настоящим изобретением указанные и другие проблемы могут быть решены в результате создания однофазного индукционного электрического двигателя, содержащего ротор, статор, имеющий ряд выполненных в нем пазов, основную и вспомогательную обмотки, уложенные в пазах статора, в котором вспомогательная обмотка содержит первую часть вспомогательной обмотки и вторую часть вспомогательной обмотки, при этом первая часть вспомогательной обмотки содержит две катушки, соединенные параллельно, и вторая часть вспомогательной обмотки содержит две катушки, соединенные параллельно, причем первая катушка второй части вспомогательной обмотки дополнительно соединена с первой катушкой первой части вспомогательной обмотки, а вторая катушка второй части вспомогательной обмотки дополнительно соединена со второй катушкой первой части вспомогательной обмотки, так что вторая часть вспомогательной обмотки образована путем навивки указанных катушек из одного конца первой части вспомогательной обмотки.

Предпочтительно вспомогательная обмотка образована посредством соединения первой части со второй частью через ответвление. Электродвигатель также содержит рабочий конденсатор, соединенный последовательно с вспомогательной обмоткой, и дополнительное пусковое устройство, соединенное параллельно и с рабочим конденсатором, и со второй частью вспомогательной обмотки.

Предпочтительно в качестве дополнительного пускового устройства использовать ПТК-элемент, центробежный выключатель или реле, сопротивление которых может изменяться.

Краткое описание чертежей

Задачи, решаемые изобретением, его возможности и преимущества будут более понятны из последующего подробного описания и сопровождающих его чертежей.

На фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема типового однофазного индукционного электрического двигателя;

на фиг.2 - принципиальная электрическая схема соединения проводов вспомогательной обмотки типового однофазного индукционного электрического двигателя;

на фиг.3 - принципиальная электрическая схема однофазного индукционного электрического двигателя в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.4 и 5 - схемы, иллюстрирующие вспомогательные пусковые устройства в соответствии с настоящим изобретением, которые могут быть использованы вместо ПТК-элемента, показанного на фиг.3;

на фиг.6 - принципиальная электрическая схема, иллюстрирующая соединение проводов вспомогательной обмотки типового однофазного индукционного электрического двигателя в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.7 - эквивалентная принципиальная электрическая схема вспомогательной обмотки по фиг.6;

на фиг.8 - график сравнения коэффициента полезного действия электродвигателя в пусковом режиме в зависимости от количества витков вспомогательной обмотки;

на фиг.9 - график сравнения коэффициента полезного действия электродвигателя в рабочем режиме в зависимости от количества витков вспомогательной обмотки;

Осуществление изобретения

Варианты выполнения настоящего изобретения будут описаны далее более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одни и те же элементы названы одинаково в описании и имеют одинаковые ссылочные номера в чертежах.

На фиг.3 изображена принципиальная электрическая схема однофазного индукционного электрического двигателя в соответствии с настоящим изобретением; а на фиг.4 и 5 - схемы, иллюстрирующие вспомогательные пусковые устройства, которые могут быть использованы вместо ПТК-элемента 50, показанного на фиг.3.

Как видно на фиг.3, однофазный индукционный электрический двигатель имеет основную обмотку М, вспомогательную обмотку S, рабочий конденсатор Cr и дополнительное пусковое устройство. Основная обмотка М создает основное магнитное поле, а вспомогательная обмотка S, соединенная параллельно с основной обмоткой М, создает вспомогательное магнитное поле. Рабочий конденсатор Cr связан последовательно со вспомогательной обмоткой S так, что протекающий через вспомогательную обмотку S ток имеет определенный сдвиг по фазе относительно тока, протекающего через основную обмотку М, поэтому фаза вспомогательного магнитного поля имеет определенный сдвиг относительно фазы основного магнитного поля. Дополнительное пусковое устройство соединено параллельно с рабочим конденсатором. В этом примере дополнительное пусковое устройство содержит ПТК-элемент 50.

Вспомогательная обмотка S состоит из двух частей: первой части S1 и второй части S2, которая образована дополнительно навитой катушкой, соединенной с первой частью S1 и выступающей за ее конец. Рабочий конденсатор Cr расположен в линии соединения и последовательно связан с отходящей от конца части S2 вспомогательной обмотки S. ПТК-элемент 50 расположен параллельно с рабочим конденсатором Cr в соединительной линии и связан с первой частью S1 вспомогательной обмотки S.

ПТК-элемент 50, используемый в качестве вспомогательного пускового устройства, представляет собой элемент, сопротивление которого меняется в зависимости от температуры. При низкой температуре, когда электродвигатель только начинает вращаться, ПТК-элемент 50 имеет низкое сопротивление. При протекании тока через электродвигатель в течение определенного времени после запуска температура ПТК-элемент 50 увеличивается и его сопротивление становится очень высоким, из-за чего разрывается соединительная линия пускового устройства, посредством которой ПТК-элемент 50 соединен с электросхемой и предотвращается прохождение тока через ПТК-элемент 50.

В качестве вспомогательного пускового устройства вместо ПТК-элемента 50 можно использовать либо центробежный выключатель 51, показанный на фиг.4, либо реле 52, показанное на фиг.5.

Работа типового однофазного индукционного электрического двигателя далее будет описана более подробно со ссылкой на фиг.3-5.

При подаче мощности на электродвигатель от источника электропитания Е через основную обмотку М и вспомогательную обмотку S текут токи Im и Is соответственно.

При запуске электродвигателя эквивалентное сопротивление ПТК-элемента 50 очень низко. Соответственно большая часть тока Is, подаваемого на вспомогательную обмотку S, проходит после первой части S1 (в первом направлении «р») к ПТК-элементу 50, который установлен в соединительной линии пускового устройства, связанной с концом первой части S1.

Когда же электродвигатель достигает нормального рабочего режима, эквивалентное сопротивление ПТК-элемента 50 становится очень высоким из-за увеличившейся температуры ПТК-элемента 50, благодаря чему разрывается соединительная линия пускового устройства, и предотвращается прохождение тока через ПТК-элемент 50.

Соответственно, когда электродвигатель работает в нормальном режиме, большая часть тока Is, подаваемого на вспомогательную обмотку S, течет после прохождения по первой S 1 и второй S2 частям (во втором направлении «q») к рабочему конденсатору Cr, установленному в соединительной линии, связанной с концом второй части S2.

Как было сказано выше, при запуске электродвигателя из-за очень низкого сопротивления ПТК-элемента 50 большая часть тока Is, подаваемого на вспомогательную обмотку S, течет после прохождения через первую часть S1 к ПТК-элемент 50, установленному в соединительной линии пускового устройства, связанной с концом первой вспомогательной части S1 вспомогательной обмотки S. Поскольку при запуске электродвигателя большая часть тока Is течет к ПТК-элементу 50 только через первую часть S1, то, независимо от добавленной к вспомогательной обмотке S второй части S2, однофазный индукционный электрический двигатель в соответствии с изобретением будет работать точно так же, как если бы вспомогательная обмотка S имела бы небольшое количество витков, соответственно улучшая пусковой коэффициент полезного действия электродвигателя.

С другой стороны, как указывалось выше, когда электродвигатель работает в нормальном режиме, ПТК-элемент 50 из-за его повышенной температуры имеет очень высокое сопротивление, разрывая тем самым соединительную линию пускового устройства, посредством которой ПТК-элемент 50 связан с электросхемой, и предотвращая прохождение тока через ПТК-элемент 50. Соответственно направление течения тока Is, который тек к ПТК-элементу 50 в первом направлении «р» через первую часть S1, переключается на второе направление «q», так что ток Is течет от конца первой части S1 к рабочему конденсатору Cr через вторую часть S2.

Так как при работе электродвигателя в нормальном режиме ток Is протекает полностью через всю вспомогательную обмотку S, включая первую и вторую части S1 и S2, однофазный индукционный электрический двигатель в соответствии с настоящим изобретением работает так же, как если бы вспомогательная обмотка S имела бы большое количество витков, что приводит к повышению коэффициента полезного действия электродвигателя в рабочем режиме.

Таким образом, в однофазном индукционном электрическом двигателе в соответствии с настоящим изобретением изменяется количество витков вспомогательной обмотки S, через которую протекает ток, до нужного в данном режиме работы. Более конкретно, когда электродвигатель запускается, ток может протекать через небольшое количество витков вспомогательной обмотки S. Когда же электродвигатель достигает нормального рабочего режима, ток течет уже через большое количество витков вспомогательной обмотки S. Изменение количества витков вспомогательной обмотки S, через которую протекает ток, в соответствии с изобретением повышает и пусковой, и рабочий коэффициенты полезного действия электродвигателя.

Вместо ПТК-элемент 50 можно использовать другие элементы с изменяемым сопротивлением в зависимости от режима работы электродвигателя (например, в качестве вспомогательного пускового устройства можно использовать элемент, который имеет низкое эквивалентное сопротивление при запуске электродвигателя и высокое эквивалентное сопротивление при нормальном режиме его работы). В частности, можно использовать либо центробежный выключатель 51, либо реле 52, которые представляют собой элементы с изменяемым сопротивлением.

На фиг.6 представлена принципиальная электрическая схема, иллюстрирующая соединение проводов вспомогательной обмотки однофазного индукционного электрического двигателя в соответствии с настоящим изобретением; а на фиг.7 - эквивалентная принципиальная электрическая схема вспомогательной обмотки по фиг.6.

Как видно на фиг.6, однофазный индукционный электрический двигатель в соответствии с настоящим изобретением содержит ротор 20, статор 30 с рядом образованных в нем пазов и вал 40, расположенный в роторе 20 и предназначенный для передачи вращения от электродвигателя.

Основная и вспомогательная обмотки могут быть размещены в пазах статора 30. В однофазном индукционном электрическом двигателе на фиг.6 вспомогательная обмотка выполнена в виде двух параллельных катушек.

Как показано на фиг.6, вспомогательная обмотка образована укладкой в пазы витков катушки 1-14, 1'-14' статора 30. Вспомогательная обмотка включает первую часть, показанную сплошной линией, и вторую часть, показанную пунктирной линией и образованную за счет навивки дополнительной катушки из конца первой части.

Вспомогательная обмотка выполнена в виде двух соединенных параллельно катушек. Более конкретно, первая часть включает две соединенные параллельно катушки. Первая катушка (n3-n7) первой части образована витками n3-n7, уложенными в пазах 12, 3, 11 ... в статоре 30 в указанном порядке. Вторая катушка (n3'-n7') образована витками n3'-n7', уложенными в пазах 12', 3', 11', ... в статоре 30 в указанном порядке.

Вторая часть также содержит две соединенные параллельно катушки. Первая катушка (n8) второй части, которая дополнительно соединена с первой катушкой (n3-n7) первой части, выполнена путем укладки ряда витков n8 в пазы 7 и 8 статора 30 в указанном порядке. Вторая катушка (n8') второй части, которая дополнительно соединена со второй катушкой (n3'-n7') первой части, образована укладкой ряда витков n8' в пазы 7' и 8' в указанном порядке.

Конец первой части (n3-n7, n3'-n7') соединен с концом второй части (n8, n8'), предпочтительно, через ответвление.

Как показано на фиг.6, вспомогательная обмотка, содержащая первые витки (n3-n7, n3'-n7') и вторые витки (n8, n8'), образована навивкой витков, укладываемых в пазы на обеих сторонах статора. Две катушки и первой, и второй частей связаны параллельно посредством соединения обоих концов первой катушки (n3-n7) первой части соответственно с обоими концами второй катушки (n3'-n7'), и посредством соединения обоих концов первой катушки (n8) второй части соответственно с обоими концами ее второй катушки (n8').

Как показано на фиг.7, две параллельные катушки каждой первой и второй частей могут быть представлены одной эквивалентной катушкой.

В соответствии с настоящим изобретением для обеспечения изменения количества витков вспомогательной обмотки, по которым течет ток, в зависимости от режима работы электродвигателя, рабочий конденсатор Cr и ПТК-элемент 50 соединены с первой и второй частями вспомогательной обмотки следующим образом. Рабочий конденсатор Cr связан с соединительной линией, через которую связаны концы одной стороны (соответствующие концевым виткам) двух катушек (n8, n8') второй части так, что рабочий конденсатор Cr связан со второй частью последовательно. ПТК-элемент 50 связан с соединительной линией, через которую соединены концы одной стороны (соответствующие концевым виткам (n7 и n7') двух катушек (n3-n7, n3'-n7') первой части так, что ПТК-элемент 50 связан с рабочим конденсатором Cr параллельно.

Так как вторая часть (n8, n8') образована за счет накручивания дополнительной катушки из конца первой части (n3-n7, n3'-n7'), а концы первой и второй частей связаны через ответвление, как показано выше, становится возможным изменять количество витков вспомогательной обмотки в зависимости от режима работы электродвигателя, позволяя эквивалентному сопротивлению ПТК-элемент 50 оставаться низким при запуске электродвигателя, и высоким - в нормальном режиме его работы. Благодаря этому, улучшается пусковой коэффициент полезного действия электродвигателя при его запуске и коэффициента полезного действия электродвигателя при его работе в нормальном режиме.

В данном варианте выполнения вместо ПТК-элемента 50 можно использовать любой элемент переменного сопротивления, как, например, в качестве вспомогательного пускового устройства можно использовать центробежный выключатель 51 и реле 52, с низким эквивалентным сопротивлением при запуске электродвигателя и высоким эквивалентным сопротивлением при работе электродвигателя в нормальном режиме.

На фиг.8 представлен график сравнения коэффициента полезного действия в зависимости от количества витков при запуске электродвигателя, а на фиг.9 - при работе электродвигателя в нормальном режиме.

На фиг.8 горизонтальная ось представляет собой скорость вращения ротора в об/мин, а вертикальная ось - пусковой крутящий момент в (Н·м). Сплошной линией показан крутящий момент электродвигателя при запуске, когда вспомогательная обмотка имеет большое количество витков, а пунктирной линией обозначен крутящий момент электродвигателя в его нормальном режиме работы, когда вспомогательная обмотка имеет малое количество витков.

На фиг.9 горизонтальная ось представляет собой скорость вращения ротора в об/мин, а вертикальная ось - коэффициент полезного действия электродвигателя в процентах. Сплошной линией обозначен коэффициент полезного действия электродвигателя в его нормальном режиме работы, когда вспомогательная обмотка имеет большое количество витков, а пунктирной линией обозначен коэффициент полезного действия электродвигателя в нормальном режиме работы, когда вспомогательная обмотка имеет малое количество витков.

Из фиг.8 и 9 видно, что, если в электродвигателе вспомогательная обмотка имеет большое количество витков, пусковой крутящий момент низок и электродвигатель вращается с малой скоростью, но в нормальном режиме работы электродвигателя его коэффициент полезного действия оказывается высоким.

С другой стороны, если в электродвигателе используется вспомогательная обмотка с малым количеством витков, пусковой крутящий момент электродвигателя является высоким, когда он запускается и вращается с малой скоростью, но коэффициент полезного действия электродвигателя в нормальном режиме работы низкий в сравнении с тем, когда вспомогательная обмотка имеет большое количество витков.

Как следует из вышеприведенного описания, настоящее изобретение представляет собой однофазный индукционный электрический двигатель со следующими признаками и преимуществами. Однофазный индукционный электрический двигатель включает вспомогательную обмотку, которая состоит из первой и второй частей. Вторая часть образована посредством дополнительной навивки катушки из конца первой части. Дополнительное пусковое устройство, сопротивление которого меняется в зависимости от режима работы электродвигателя, связано с концом первой обмотки. Соответственно количество витков вспомогательной обмотки, через которые течет ток, меньше при запуске электродвигателя. А когда двигатель работает в нормальном режиме, количество витков вспомогательной обмотки увеличивается. Благодаря этому однофазный индукционный электрический двигатель имеет удовлетворительные и пусковой, и рабочий коэффициенты полезного действия.

Другими словами, в однофазном индукционном электрическом двигателе в соответствии с настоящим изобретением уменьшается количество витков вспомогательной обмотки при запуске, улучшая тем самым коэффициент полезного действия электродвигателя в пусковом режиме. При достижении рабочего режима в однофазном индукционном электрическом двигателе увеличивается количество витков вспомогательной обмотки, повышая тем самьм коэффициент полезного действия электродвигателя в рабочем режиме.

Предпочтительные варианты настоящего изобретения были описаны в иллюстративных целях, и любой специалист поймет, что возможны любые модификации, дополнения и замены, если они не выходят за рамки духа и объема изобретения, как оно изложено в формуле изобретения.

1. Однофазный индукционный электрический двигатель, содержащий ротор, статор, имеющий ряд выполненных в нем пазов, основную и вспомогательную обмотки, уложенные в пазах статора, характеризующийся тем, что вспомогательная обмотка содержит первую часть вспомогательной обмотки и вторую часть вспомогательной обмотки, при этом первая часть вспомогательной обмотки содержит две катушки, соединенные параллельно, и вторая часть вспомогательной обмотки содержит две катушки, соединенные параллельно, причем первая катушка второй части вспомогательной обмотки дополнительно соединена с первой катушкой первой части вспомогательной обмотки, а вторая катушка второй части вспомогательной обмотки дополнительно соединена со второй катушкой первой части вспомогательной обмотки так, что вторая часть вспомогательной обмотки образована путем навивки указанных катушек из одного конца первой части вспомогательной обмотки.

2. Электродвигатель по п.1, характеризующийся тем, что вспомогательная обмотка образована посредством соединения первой части со второй частью через ответвление.

3. Электродвигатель по п.1, характеризующийся тем, что он содержит рабочий конденсатор, соединенный последовательно со вспомогательной обмоткой, и дополнительное пусковое устройство, соединенное параллельно и с рабочим конденсатором, и со второй частью вспомогательной обмотки.

4. Электродвигатель по п.3, характеризующийся тем, что дополнительное пусковое устройство содержит элемент с переменным сопротивлением, эквивалентное сопротивление которого является низким при запуске электродвигателя и высоким при его работе в нормальном режиме.

5. Электродвигатель по п.4, характеризующийся тем, что дополнительным пусковым устройством является элемент с положительным температурным коэффициентом.

6. Электродвигатель по п.4, характеризующийся тем, что дополнительным пусковым устройством является центробежный выключатель.

7. Электродвигатель по п.4, характеризующийся тем, что дополнительным пусковым устройством является реле.