СИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к электрическим машинам, конкретно - к синхронным электродвигателям с активным ротором, и может быть использовано в качестве исполнительного двигателя с большим вращающим моментом.

Известен синхронный электродвигатель, содержащий корпус, пакет статора с зубцами z_c и с многофазной обмоткой, магнитопровод ротора с зубцами z_p=z_c±2p (где p - число пар полюсов статора) на валу с подшипниками, чередующиеся коаксиальные полые цилиндры ротора и статора, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов, расположенных вдоль оси вращения, причем цилиндры ротора механически связаны с магнитопроводом ротора, а цилиндры статора - с корпусом, при этом зубцы полюсов и ферромагнитные элементы цилиндров статора, а также зубцы магнитопровода и ферромагнитные элементы цилиндров ротора имеют свои одинаковые угловые положения (Афанасьев А.Ю., Давыдов Н.В. Синхронный электродвигатель. Патент РФ №2321140, МПК⁷ H02K 19/06, H02K 19/00, опубл. 2008.03.27, Бюл. №9) - [1]).

Его недостатком является наличие тонкостенных полых цилиндров с консольным креплением, что усложняет технологию изготовления, ограничивает скорость вращения и снижает надежность при работе на подвижном основании.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является синхронный электродвигатель, содержащий корпус, вал с подшипниками, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, чередующиеся диски ротора и статора, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, пакет статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками установлены на торцевой поверхности кольца пакета статора, на поверхности зубцов и на другом кольце имеются клиновидные выступы, при этом клиновидные выступы и ферромагнитные элементы дисков статора, а также ферромагнитные элементы дисков ротора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора z_c и на диске ротора z_p связаны равенством z_p=z_c±2p, где p - число пар полюсов статора (Афанасьев А.Ю., Милосердов В.Ф., Завгороднев М.Ю. Патент РФ №2544836).

Его недостатком является наличие ферромагнитных и немагнитных элементов дисков ротора, что усложняет технологию изготовления и уменьшает энергетические показатели из-за реактивной природы момента.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в улучшении технологичности конструкции и энергетических показателей.

Технический результат достигается тем, что в электродвигатель, содержащий корпус, вал с подшипниками, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, чередующиеся диски ротора и статора, диски статора состоят из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, пакет статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками установлены на торцевой поверхности кольца пакета статора, на поверхности зубцов и на другом кольце имеются клиновидные выступы, при этом клиновидные выступы и ферромагнитные элементы дисков статора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, новым является то, что диски ротора выполнены из магнитотвердого материала с аксиально намагниченными секторами чередующейся полярности, равномерно расположенными по окружности, при этом намагниченные сектора дисков ротора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, причем количества элементов на диске статора z_c и намагниченных секторов на диске ротора z_p связаны равенством z_p=z_c±2р, где p - число пар полюсов статора.

Сущность заявленного изобретения поясняется на Фиг. 1 - Фиг. 7, где

Фиг. 1 - продольное сечение синхронного электродвигателя с одной обмоткой;

Фиг. 2 - продольное сечение синхронного электродвигателя с двумя обмотками;

Фиг. 3 - зубцы с выступами и катушками;

Фиг. 4 - диск статора;

Фиг. 5 - диск ротора;

Фиг. 6 - направления сил, действующих на эквивалентные токи;

Фиг. 7 - форма листов шихтованного ферромагнитного элемента.

Далее детально представлены конструктивные особенности признаков, приведенных на указанных фигурах, где 1 - корпус; 2, 3 - подшипниковые щиты; 4, 5 - кольца пакета статора; 6 - зубец; 7 - катушка; 8 - диски статора; 9 - втулка статора; 10 - диски ротора; 11 - втулка ротора; 12 - вал; 13, 14 - подшипники; 15, 16 - клиновидные выступы; 17, 18 - втулки; 19, 20 - хомуты.

Корпус 1 жестко связан с подшипниковыми щитами 2, 3. На них установлены кольца 4, 5 пакета статора. На кольце 4 имеются шесть зубцов 6 с катушками 7 (фиг. 3).

Диски 8 статора закреплены на втулке 9 статора, установленной на корпусе 1. Диски 10 ротора установлены на втулке 11 ротора. Вал 12 опирается на подшипники 13, 14, установленные в подшипниковых щитах 2, 3.

Кольца 4, 5 и зубцы 6 выполнены лентой из электротехнической стали путем навивки на втулки 17, 18 и охвачены хомутами 19, 20. Втулки 17, 18 и хомуты 19, 20 являются элементами конструкции и могут отсутствовать, например, при применении точечной сварки.

Диски 8 статора имеют чередующиеся элементы в виде секторов из магнитомягкого и немагнитного материалов. Магнитные элементы выполнены шихтованными из электротехнической стали и образуют шесть групп по числу зубцов статора (на фиг. 4 показаны темным цветом) и немагнитные элементы (на фиг. 4 показаны светлым цветом).

Диски 10 ротора выполнены из магнитотвердого материала с аксиально намагниченными секторами чередующейся полярности, расположенные равномерно по окружности, имеющие с одной стороны северные полюса (на фиг. 5 темные) и южные полюса (на фиг. 5 светлые).

Количество элементов диска статора и намагниченных секторов диска ротора, приходящихся на один полюс, отличаются на единицу. На фиг. 3-5 показан случай, когда p=2, количество элементов у диска статора z_c=48, количество намагниченных секторов диска ротора z_p=44.

Зубцы 6 имеют вид секторов из электротехнической стали и содержат коронки. Они установлены на магнитопроводе 4 статора. Зубцы 6 имеют выступы (на фиг.3 показаны темным цветом). Катушки, расположенные диаметрально, соединены последовательно встречно и образуют три фазы обмотки статора: А, В и С. Число пар полюсов здесь p=2.

Синхронный электродвигатель работает следующим образом. При подаче на фазы A-C обмотки статора трехфазной системы напряжений получается вращающееся магнитное поле. При этом ротор поворачивается в положение, при котором намагниченные сектора дисков ротора соответствующей полярности располагаются вблизи выступов на зубцах статора и соответствующих ферромагнитных элементов дисков статора в зоне максимума модуля магнитной индукции.

Если напряжения питания имеют угловую частоту ω_c, то угловая скорость ротора определяется выражением

ω_p=2ω_c/z_p.

Наличие нескольких дисков статора и ротора с большим числом элементов и секторов вызывает многократную деформацию магнитного поля в зоне дисков, что увеличивает развиваемый момент и позволяет улучшить массогабаритные показатели.

На торцевой поверхности магнитопровода 5 статора, обращенной к активной зоне, и на поверхности зубцов 6 имеются ферромагнитные выступы в виде секторов, повторяющие по форме и количеству ферромагнитные элементы дисков статора, что увеличивает развиваемый момент.

У синхронного электродвигателя на фиг. 2 имеются две обмотки, расположенные на зубцах 6, установленных на кольцах 4, 5 пакета статора, что облегчает охлаждение и делает симметричным магнитное поле в рабочей зоне.

На фиг. 6 показаны токи, эквивалентные магнитодвижущим силам намагниченных секторов ротора, и силы Ампера, действующие на эти токи со стороны магнитного поля, созданного обмоткой статора. Видно, что они максимальны в зоне максимума модуля магнитной индукции обмотки статора и имеют одинаковые направления.

Ферромагнитные элементы дисков статора выполнены из электротехнической стали шихтованными для уменьшения потерь в стали на вихревые токи, поскольку в процессе работы магнитная индукция в секторах изменяется. На фиг. 7 показана форма листов шихтованного ферромагнитного элемента, выполняемого из электротехнической стали.

Передача момента от статора к ротору является упругой - через магнитное поле. При увеличении момента нагрузки на валу он отстает на некоторый угол от положения, соответствующего холостому ходу.

Благодаря выполнению дисков ротора из магнитотвердого материала он имеет однородную структуру и более технологичен в изготовлении. Диски ротора имеют свое магнитное поле, взаимодействующее с токами обмотки статора и создающее активный электромагнитный момент. За счет этого электродвигатель имеет повышенные энергетические показатели.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, т.к. из исследованного уровня техники заявителем не выявлена заявленная совокупность признаков, обеспечивающая достижение заявленных целей.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, т.к. не является очевидным для специалистов в данной области техники.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, т.к. может быть изготовлено на известном оборудовании, с применением известных материалов и технологий.