Однофазний електродвигун харченка

Винахід належить до електротехніки та теорії електричних машин і може бути використаний в електромашинобудуванні для виготовлення безконтактних однофазних електромашин змінного струму з регульованою частотою обертання ротора. Однофазні електромашини, розроблені на основі винаходу, можуть бути широко і доцільно застосовуванні в якості тягового електродвигуна на електротранспорті, в побуті та в інши х галузях промисловості. Відома однофазна електромашина, яка містить статор з однофазною обмоткою, ротор з багатофазною та додатковою короткозамкненою обмотками, допоміжний статор з однією або декількома однофазними обмотками та допоміжний ротор з багатофазною обмоткою, причому багатофазні роторні обмотки зустрічно з'єднані між собою [Авт. свідоцтво СРСР №394899, H02К17/04, 1973]. Недоліки - електромашина в режимі електродвигуна розвиває малий пусковий момент, має складну конструкцію та неефективне використання активних матеріалів допоміжного статора та ротора і, як наслідок цього, високі масогабаритні показники та обмежену область використання. Відома також електромашина [патентна публікація ER №0411563А1, 5H02К21/20,21/42, Фіг.7 - 9, 31.07.1990] яка містить станину статора з підшипниковими щитами, статор з обмотками і роторний індуктор з валом, причому осердя статора виконано із багатьох соленоїдів П - подібної форми, які нерухомо зафіксовані на внутрішній поверхні станини статора на однаковій кутовій віддалі один від одного, зосереджені статорні обмотки розташовані на кожному полюсному виступі соленоїдів, причому соленоїди своїми полюсами в просторі орієнтовані до зовнішньої поверхні роторного індуктора і відповідно поздовж осі електромашини, роторний індуктор розташований на валу і містить дві пари феритових постійних магнітів, де кожна їх пара має одну магнітну полярність на своїй зовнішній поверхні, а протилежну - відповідно на своїй внутрішній поверхні, причому пари магнітів розташовані поздовж осі вала так, що мають різну магнітну полярність на своїй зовнішній поверхні роторного індуктора до двох обмоток кожного статорного соленоїда. Головний недолік - відома електромашина не може працювати в режимі електродвигуна через те, що в цьому режимі у неї виникають непритаманні для роботи електродвигуна два неспецифічні режими його роботи, а саме: невизначений та електромагніта. Причиною виникнення цих режимів є нераціональна конструкція статора та його електромагнітна взаємодія з роторним індуктором. Розглянемо природу виникнення цих режимів у відомій електромашині. Невизначений режим і причина його виникнення. При однаковій магнітній полярності полюсів кожного соленоїда статора відповідно до полюсів роторного індуктора ротор електромашини в такому стані не має чіткого визначеного напрямку обертання. Із фізики відомо, що два магніти своїми однойменними полюсами відштовхуються один від одного, а різнойменними притягуються. Таким чином, у такому невизначеному стані, під впливом любих зовнішніх факторів ротор електромашини може почати обертатися непередбачено в одну сторону або в протилежну. Режим електромагніта і причина його виникнення. При зміні напрямку стр уму живлення статорних обмоток електромашини водночас змінять свою магнітну полярність на зворотну і всі полюси соленоїдів і тепер вона стане оберненою до відповідних постійних магнітів роторного індуктора. У цьому режимі статор та роторний індуктор електромашини перетворяться на звичайний електромагніт в якому радіальні магнітні сили взаємодії різнойменних полюсів статора та роторного індуктора будуть взаємно притягувати статор та роторний індуктор один до одного. В такому режимі у електромашини буде відсутній обертовий момент через те, що роторний індуктор магнітними силами буде нерухомо зафіксований у внутрішньому просторі статорних соленоїдів. Таким чином, відома електромашина може працювати тільки в режимі генератора, а цей фактор сильно обмежує область її використання у промисловості та в побуті. В якості прототипу для електромашини, що заявляється, обрана багатофазна регульована електромашина [патент US №6310417В1, 7H02К16/00,17/16, 30.10.2001]. Відома електромашина змінного струму конструктивно поєднана з обертовим трансформатором, причому його статорні обмотки електрично з'єднані з агрегатом для регулювання величини струму у ци х згаданих обмотках, при цьому сама електромашина містить статор, який виконано у вигляді порожнистого циліндра на внутрішній поверхні якого розташована статорна обмотка, ротор електромашини та ротор обертового трансформатора з обмотками розташовані на загальному валу І нерухомо там зафіксовані, причому два ротори з валом встановлені у підшипникові щити і коаксіально у внутрішньому просторі статора електромашини та обертового трансформатора з можливістю там вільного обертання навколо своєї осі, при цьому їх обмотки електрично з'єднані між собою, агрегат для регулювання величини струму містить регулювальний реостат, джерела постійного струму та змінного струму з регульованою частотою, а також перемикач для підключення реостата або джерел живлення агрегата до статорних обмоток обертового трансформатора почергово або в інших різних комбінаціях. Крім того, при роботі електромашини в режимі електродвигуна або генератора її роторний магніто провід з обмоткою або обмотками на валу виконує в одному випадку роль фазового ротора, а в др угому випадку - роторного індуктора. Недоліки відомої електромашини слідуючі: електромашина, в однофазному своєму виконанні, не здатна самостійно працювати в режимі електродвигуна , має понижену надійність, високі масогабаритні показники та обмежену область використання. Першопричиною всіх цих недоліків у електромашини є нераціональна конструкція її статора та ротора, їх взаємне просторове розташування одне відносно одного та їх електромагнітна взаємодія між собою. Головний недолік - електромашина, в однофазному своєму виконанні, не здатна самостійно отримати рух в режимі електродвигуна через те, що не розвиває початкового обертового моменту. Суть причини. Згідно теорії, електромашина з однією фазною обмоткою, яка розташована на внутрішній циліндричній поверхні осердя статора, при живленні її однофазним змінним струмом створює у внутрішньому просторі електромашини не обертове, а пульсуюче магнітне поле, яке з провідниками роторної обмотки не може створити початковий обертовий момент достатній для початку руху ротора. Таким чином, відома електромашина може працювати в режимі електродвигуна тільки в багатофазному своєму виконанні, а цей фактор сильно обмежує область її використання у промисловості та в побуті. Понижена надійність та високі масогабаритні показники у відомої електромашини обумовлені тим, що в її конструкцію входить багатоелементний агрегат для регулювання величини струму в статорних обмотках обертового трансформатора, який містить в своїй конструкції реостат, два джерела живлення та комутаційний перемикач. В основу винаходу поставлена задача створити нову надійну однофазну обернену електромашину змінного струму шля хом зміни конструкції її електромагнітної частини статора та ротора забезпечується виникнення нового характера електромагнітної взаємодії між ними і, внаслідок цього, появи великого початкового обертового момента у електромашини під час її роботи в режимі електродвигуна. Це рішення дозволяє новій однофазній електромашині ефективно працювати і в режимі генератора, а також вилучити із її конструкції тепер уже непотрібний для її роботи масогабаритний та багатоелементний агрегат із його зв'язками, тобто агрегат для регулювання величини струму в статорних обмотках обертового трансформатора і, за рахунок цього, підвищити її надійність, спростити конструкцію та зменшити масогабаритні показники. За рахунок появи нових корисних технічних характеристик значно зросли споживчі властивості запропонованої однофазної електромашини та область її використання внаслідок того, що електромашину можна тепер широко і ефективно використовувати, в першу чергу, у якості тягового однофазного електродвигуна на електротранспорті, в побуті та в інши х галузях промисловості, а також і в якості генератора. Поставлена задача вирішуються тим, що однофазна електромашина Харченка, яка містить станину статора з підшипниковими щитами, магніто провідні осердя статора та роторного індуктора з їх обмотками, конструктивно сполучена з обертовим трансформатором, який містить також магніто провідні осердя статора та ротора з їх обмотками, при цьому роторний індуктор електромашини та ротор обертового трансформатора розташовані на загальному валу і нерухомо там зафіксовані , причому два ротори з валом встановлені в підшипникові щити і коаксіально у вн утрішньому просторі статора електромашини та обертового трансформатора, при цьому їх роторні обмотки електрично з'єднані між собою, згідно з винаходом, статор електромашини конструктивно виконано просторовим з двох однакових магніто провідних осердь по формі у вигляді порожнистих циліндрів принаймні з двома або більше радіальними виступами на своїй зовнішній поверхні, причому виступи розташовані симетрично по колу кожного статорного осердя на рівній віддалі один від одного і вони виконані з пазами, які направлені в просторі поздовж осі електромашини, крім того, статорні осердя нерухомо зафіксовані в станині статора з поздовжньою попередньо визначеною повітряною щілиною між собою по осі електромашини, при цьому вони з'єднані між собою в одну магніто провідну конструкцію статора магніто провідними конструктивними елементами у вигляді ярмових перемичок, котрі вставлені в пази радіальних виступів осердь і нерухомо там зафіксовані, причому навколо статорних осердь електромашини розташовані спіральні статорні обмотки, які між собою з'єднані електрично в статорну обмотку електромашини послідовно і узгоджено, а загальна однофазна статорна обмотка електромашини утворена відповідно уже шляхом послідовного з'єднання статорної обмотки принаймні з однією статорною обмоткою обертового трансформатора, роторний індуктор електромашини конструктивно також виконаний просторовим з однією або більше парою різнойменних полюсів збудження, причому тіла полюсів збудження розташовані на валу в поздовжньому напрямку по осі електромашини на відстані один від одного, яка рівна попередньо визначеній повітряній щілині між статорними осердями, при цьому магніто провідні тіла різнойменних полюсів збудження з'єднані між собою магнітопровідно конструктивним магніто провідним елементом або елементами, наприклад, у вигляді ярмових перемичок, причому роторний індуктор обладнаний принаймні однією обмоткою збудження. Тут і далі під терміном "спіральна статорна обмотка" мається на увазі та найменша частина статорної обмотки електромашини, яка розташована навколо окремого статорного осердя і яка, в свою чергу, може бути самостійно підключена до вихідних затискачів електромашини. Тут і далі під терміном "статорна обмотка електромашини" мається на увазі та обмотка, яка утворена шляхом електричного з'єднання між собою окремих спіральних статорних обмоток узгоджено або послідовно, або паралельно, або по іншій схемі з'єднання і яка, в свою чергу, може бути самостійно підключена до вихідних затискачів електромашини. Тут і далі під терміном "загальна однофазна статорна обмотка електромашини" мається на увазі та обмотка, яка утворена шляхом електричного послідовного з'єднання між собою статорної обмотки електромашини принаймні з однією статорною обмоткою обертового трансформатора і яка підключена до вихідних затискачів електромашини. Виконання магніто проводів статора та роторного індуктора електромашини просторової конструкції, при якій статорні осердя та тіла різнойменних полюсів збудження рознесені в просторі поздовж осі електромашини і при цьому вони відокремлені одне від одного попередньо визначеною повітряною щілиною, вигідно відрізняє запропоновану однофазну електромашину від прототипу тим, що цим запропонованим рішенням створені в електромашині умови для відновлення у неї класичного типу електромагнітної взаємодії між її основними частинами, а саме: статором та ротором, тобто класичного процесу перетворення електричної енергії в механічну під час її роботи в режимі двигуна. При цьому режимі електромеханічна дія магнітного поля роторного індуктора на провідники з струмом статорних обмоток використовується тепер в електромашині для отримання обертового моменту. Це технічне рішення у запропонованій електромашині забезпечило, при відсутності в неї тепер обертового магнітного поля статора, появу великого початкового обертового моменту при умові, що її обмотка збудження, тобто статорна обмотка обертового трансформатора, послідовно з'єднана з її статорною обмоткою. Крім того, конструктивна модифікація електромагнітної частини статора та роторного індуктора забезпечила також необхідні умови для виникнення в запропонованій однофазній електромашині побіжно і уніполярної взаємодії між її основними частинами і, внаслідок чого, тепер кожний провідник окремої спіральної статорної обмотки постійно взаємодіє тільки з полюсами збудження однієї магнітної полярності роторного індуктора під час роботи електромашини. Застосування обертового трансформатора в якості безконтактного джерела живлення обмоток збудження роторного індуктора робить запропоновану однофазну електромашину безконтактною. Крім того, вилучення з її конструкції агрегата для регулювання величини струму, який до речі уже не приймає участі в процесі перетворення електричної енергії в механічну і навпаки в запропонованій електромашині, дозволяє значно спростити її конструкцію, зменшити масогабаритні показники і цим підвищити її надійність. Застосування різних способів підключення статорної обмотки трансформатора до статорної обмотки електромашини, тобто різних способів збудження, дозволяє значно розширити функціональні можливості електромашини по її застосуванню в регульованому електроприводі за рахунок отримання різних та необхідних пускових, робочих, механічних та регульованих характеристик. Крім того, згідно з винаходом, статорні осердя електромашини можуть бути виконані з пазами на своїй внутрішній циліндричній поверхні під спіральні статорні обмотки. Можливе виконання статорних осердь електромашини з пазами на обох їх циліндричних поверхнях під спіральні статорні обмотки. Можливе виконання електромашини в якої спіральні статорні обмотки розташовані на своїх осердях частково в пазах або повністю в пазах. Можливе виконання електромашини в якої спіральні статорні обмотки з'єднані між собою в одну статорну обмотку електромашини паралельно і узгоджено. Можливе виконання електромашини в якої принаймні одна статорна обмотка обертового трансформатора виконана на напругу, яка по величині відрізняється від напруги живлення спіральних статорних обмоток. Можливе виконання електромашини в якої принаймні одна статорна обмотка обертового трансформатора та електромашини виконані на однакову по величині напругу живлення. Можливе виконання електромашини в якої принаймні одна статорна обмотка обертового трансформатора ввімкнена по відношенню до статорної обмотки електромашини паралельно. Можливе виконання електромашини в якої принаймні одна статорна обмотка обертового трансформатора може бути ввімкнена на окреме незалежне від електромашини джерело живлення. Можливе конструктивне виконання магніто провідної частини роторного індуктора з неявно вираженими магнітними полюсами збудження. Можливе конструктивне виконання магніто провідної частини роторного індуктора з явно вираженими магнітними полюсами збудження. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де зображені: на Фіг.1 - однофазна електромашина Харченка, поздовжній розріз; на Фіг.2 - уривок кільця статорного осердя з радіальним виступом та пазом; на Фіг.3 - електрична схема електромашини. Пояснення на фігурах, де w - кутова швидкість вала, а Ф - шля х магнітного потоку. Розглянемо один з багатьох можливих варіантів конструктивного виконання однофазної електромашини, зображеної на Фіг.1, 2 та 3, в якої для живлення принаймні однієї обмотки збудження роторного індуктора застосований однофазний обертовий трансформатор з кільцевою статорною та роторною обмотками. Однофазна електромашина складається з двох основних частин, а саме: однофазної електромашини та обертового трансформатора. Однофазна електромашина містить станину статора 1 з підшипниковими щитами 2, магніто провідні осердя статора 3 та роторного індуктора 4 з їх обмотками 5 та 6, конструктивно сполучена з обертовим трансформатором 7, який містить також магніто провідні осердя статора 8 та ротора 9 з їх обмотками 10 та 11, при цьому роторний індуктор 4 та ротор 9 обертового трансформатора 7 розташовані на загальному валу 12 і нерухомо там зафіксовані, причому роторний індуктор 4 з ротором 9 та валом 12 встановлені в підшипникові щити 2 І коаксіально у внутрішньому просторі статора 3 та 8 з можливістю там вільного обертання навколо своєї осі, при цьому їх роторні обмотки 6 та 11 електрично з'єднані між собою. Статор 3 однофазної електромашини конструктивно виконано просторовим з двох однакових магніто провідних осердь 13 по формі у вигляді порожнистих циліндрів принаймні з двома або більше радіальними виступами 14 на своїй зовнішній поверхні, причому виступи 14 розташовані симетрично по колу кожного статорного осердя 13 на рівній віддалі один від одного і при цьому вони виконані з пазами 15, які направлені в просторі поздовж осі електромашини, крім того, статорні осердя 13 нерухомо зафіксовані в станині статора 1 з поздовжньою попередньо визначеною повітряною щілиною 16 між собою по осі електромашини, при цьому вони з'єднані між собою в одну магніто провідну конструкцію статора З магніто провідними конструктивними елементами у вигляді ярмових перемичок 17, котрі вставлені в пази 15 радіальних виступів 14 статорних осердь 13 і нерухомо там зафіксовані, причому навколо статорних осердь 13 електромашини розташовані спіральні статорні обмотки 5, які між собою з'єднані електрично в статорну обмотку 18 електромашини послідовно і узгоджено, а загальна однофазна статорна обмотка 19 електромашини утворена шляхом послідовного з'єднання статорної обмотки 18 принаймні з однією статорною обмоткою 10 обертового трансформатора 7. Роторний індуктор 4 електромашини конструктивно виконаний також просторовим з однією або більше парою різнойменних полюсів збудження, причому тіла полюсів збудження 20 розташовані на валу 12 в поздовжньому напрямку по осі електромашини на відстані один від одного, яка рівна попередньо визначеній повітряній щілині 16 між статорними осердями 13, при цьому магніто провідні тіла різнойменних полюсів збудження 20 з'єднані між собою магнітопровідно конструктивним магніто провідним елементом або елементами, наприклад, у вигляді ярмових перемичок 17, причому роторний індуктор 4 обладнаний однією обмоткою збудження 6. З метою створення в однофазній електромашині замкнутих магніто провідних контурів з малим внутрішнім магнітним опором для проходження по ним робочих магнітних потоків та зменшення одночасно марних втрат електроенергії від дії паразитних струмів Фуко всі її магніто провідні частини та обертового трансформатора, або окремі їх частини, виконані переважно шихтованими або іншим способом із других відомих феромагнітних речовин. Конструктивним з'єднувальним магніто провідним елементом у статорних осердь 13 служить, як правило, звичайна відома ярмова перемичка 17 із заздалегідь розрахованим перерізом в залежності від їх кількості та потужності електромашини, а у полюсів збудження 20 роторного індуктора 4 - також ярмова перемичка 17 або втулка, або інший конструктивний магніто провідний елемент. Попередньо визначена повітряна щілина 16 конструктивно закладена в конструкцію електромашини, особливо між її статорними осердями 13, з метою там вільного розміщення лобових частин двох сусідніх спіральних статорних обмоток 5 і для кращого їх охолодження. З метою зменшення негативної взаємодії змінного статорного робочого магнітного потоку електромашини із станиною статора 1 її статорні осердя 13 вставлені за допомогою радіальних виступів 14 в станину статора 1 так, що на більшій своїй частині зовнішньої поверхні вони мають з нею заздалегідь передбачену по величині повітряну щілину. Отже, кількість радіальних виступів 14 на окремому статорному осерді 13 залежить від потужності електромашини та їх геометричних розмірів, а саме: ширини та висоти. Однофазна електромашина послідовного збудження в режимі електродвигуна працює наступним чином. Згідно приведеної електричної схеми електромашини (Фіг.3) статорна обмотка 10 обертового трансформатора 7 послідовно ввімкнена з її статорною обмоткою 18. При подачі напруги живлення від зовнішнього джерела змінного струму на вхідні затискачі електромашини по статорній обмотці 10 обертового трансформатора 7, а також по двох спіральних обмотках 5 статорних осердь 13 буде одночасно проходить змінний струм однієї величини. Створений статорною обмоткою 10 трансформатора 7 магнітний потік Ф замикається (шлях його замикання показаний штрих п унктирною лінією на Фіг.1) через повітряну щілину на його роторне осердя 9. Отже, внаслідок того, що змінний магнітний потік Ф обмотки 10 перетинає витки вторинної обмотки 11 обертового трансформатора 7 в останній індукується змінна електрорушійна сила. Внаслідок того, що обмотка збудження 6 роторного індуктора 4 прямо під'єднана до вторинної обмотки 11 обертового трансформатора 7 то в останній також буде протікати змінний струм, який, в свою чергу, створює змінний магнітний потік збудження Ф електромашини, шлях якого зображений суцільними стрілками по її активним частинам на Фіг.1. Внаслідок електромагнітної взаємодії провідників із струмом спіральних обмоток 5 статорних осердь 13 з магнітним полем, створеним обмоткою збудження 6 разом з тілами різнойменних полюсів збудження 20 роторного індуктора 4, в електромашині виникає достатня по величині електромагнітна сила завдяки якій роторний індуктор 4 почне обертатися разом з валом 12. Незважаючи на те, що змінний струм живлення змінює свій напрямок на зворотній через рівні проміжки часу одночасно в спіральних обмотках 5 статорних осердь 13 і в обмотці збудження 6 роторного індуктора 4, напрямок обертового моменту електромашини в режимі електродвигуна не змінюється. Для зміни напрямку обертання роторного індуктора 4 разом з валом 12 на протилежний напрямок необхідно змінити напрямок струму окремо або в спіральних обмотках 5, або в обмотці збудження 6, тобто в статорній обмотці 10 обертового трансформатора 7. В електромашині послідовного збудження, при малому насичені її магнітопровідних частин статорних осердь, обертальний момент М можна рахувати пропорційний квадрату стр уму статора: М=с* І 2, де с - постійна конструктивна величина конкретної електромашини; І - величина стр уму статорних обмоток електромашини. Квадратична залежність обертового моменту від величини струм у в статорних обмотках дозволяє однофазній електромашині з послідовним способом збудження стрімко збільшувати свій обертовий момент в залежності від величини навантаження. Ця властивість має велике значення, особливо в тих випадках, коли потрібен великий початковий обертовий момент (крани, електровози і т.п.), і там, де потрібна велика (до 300%) перевантажувальна здатність електромашини. Ці важливі властивості відносять запропоновану однофазну електромашину послідовного збудження, при її використанні, в розряд тягового електродвигуна. Регулювання частоти обертання ротора електромашини виконують, як правило, шляхом зміни величини живлячої напруги. Безконтактність, змінний струм живлення та простий спосіб регулювання частоти обертання ротора електромашини дозволяють широко застосовувати її в якості тягового однофазного електродвигуна для електровозів, поїздів метрополітену, трамваїв, кранів і тому подібне. Широке застосування однофазної електромашини у промисловості дозволить отримати значний економічний зиск для суспільства.