Результат интеллектуальной деятельности: Синхронный электродвигатель с анизотропной магнитной проводимостью ротора

Предложение относится к электрическим машинам и может быть использовано в качестве синхронного реактивного электрического двигателя.

Известна конструкция синхронной реактивной машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора [патент ФРГ №871183, класс 21 d², группа 16, от 08.07.1949, дата публикации 27.04.1953, Ernst Massar, reaktionsmaschinen], содержащая статор с магнитопроводом и статорными электрическими обмотками, подшипниковые щиты и ротор, выполненный цилиндрическим, набранным из листов ферромагнитного материала с шихтовкой вдоль оси вала машины, скрепленных в основаниях цилиндрической активной части, с фланцами вала, выполненными из диамагнитного материала. Недостатками известной конструкции являются сложная конструкция ротора электрической машины, а также малое значение пускового момента и, как следствие, необходимость использования электрического преобразователя для работы предложенной электрической машины.

Известна конструкция синхронной реактивной машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора [патент №2541513, класс H02K 19/20, H02K 1/20, авторы: Гельвер Ф.А., Самосейко В.Ф., Лазаревский Н.А., Хомяк В.А., Гагаринов И.В., Синхронная машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора], содержащая статор с магнитопроводом и статорными электрическими обмотками, подшипниковые щиты и ротор, выполненный цилиндрическим, набранным из листов ферромагнитного материала. Достоинством предложенной конструкции является большая технологичность при изготовлении ротора и простота его конструкции. Основным же недостатком предложенной конструкции остается малое значение величины пускового момента.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство реактивного синхронного электродвигателя [патент SU 1374354 А1, МПК H02K 19/14, от 24.09.1986, дата публикации 15.02.1988, автор Манатейкин Г.А., Реактивный синхронный электродвигатель], содержащее статор с обмоткой и четырехполюсный ротор, выполненный из V-образных ферромагнитных слоев, расположенных вдоль оси вращения, выполненных ассиметрично под разными углами к плоскостям, проходящим через оси полюсов. Технический результат такой конструкции обеспечивает улучшение использования активных материалов и пусковых характеристик двигателя. Недостатком такого устройства является сложная несимметричная конструкция ротора, эффективная работа электродвигателя возможна только в одном направлении, то есть электродвигатель нереверсивный. К недостаткам такой конструкции следует отнести и низкую эффективность работы немагнитных электропроводящих слоев пакета ротора, расположенных ближе к центру.

Предлагаемая конструкция синхронного электродвигателя с анизотропной магнитной проводимостью ротора позволит увеличить величину пускового момента, обеспечить возможность реверса, а также значительно упростить конструкцию и технологию изготовления ротора. К достоинствам предлагаемого электродвигателя можно отнести то, что ротор конструктивно может содержать любое требуемое число пар полюсов. Использование скоса пакетов полюсов ротора относительно пакета статора в предлагаемом синхронном электродвигателе с анизотропной магнитной проводимостью ротора позволит уменьшить величину пульсации электромагнитного момента.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в конструкции синхронного электродвигателя с анизотропной магнитной проводимостью ротора, содержащего статор с магнитопроводом и статорными электрическими обмотками, подшипниковые щиты и цилиндрический ротор, состоящий из вала ротора, крепежных шпилек и магнитопровода ротора, набранного из листов ферромагнитного материала с промежутками, проложенными изоляцией и шихтовкой, выполненной вдоль оси вала машины, которые имеют форму, зависящую от числа пар полюсов статора и обеспечивающую минимальную длину замыкания линий магнитного поля, создаваемого статорной обмоткой, предусмотрены следующие отличия: ротор дополнительно содержит токопроводящие немагнитные шины, количество которых равно числу полюсов синхронного электродвигателя с анизотропной магнитной проводимостью ротора, а вал ротора выполнен из токопроводящего немагнитного материала, листы ферромагнитного материала имеют симметричную форму в поперечной плоскости машины, изоляция между листами ферромагнитного материала выполнена из не токопроводящего немагнитного материала, листы ферромагнитного материала с изоляцией между ними образуют пакет полюса ротора, крепление которого к валу ротора осуществляется через отверстия, расположенные вдоль вала машины в оснований пакета полюса ротора, токопроводящими немагнитными шпильками, расположенными на площадках вала ротора под каждым из пакетов полюсов ротора, один конец токопроводящей немагнитной шпильки ввернут в вал ротора, а другой - с помощью токопроводящей немагнитной гайки и токопроводящей немагнитной шины, расположенной по всему объему в крепежных выемках листов пакета полюса, прижимает пакет полюса ротора к его токопроводящему немагнитному валу.

Кроме того, в конструкции синхронного электродвигателя с анизотропной магнитной проводимостью ротора предусмотрены следующие отличия: магнитная система синхронного электродвигателя выполнена со скосом пакетов полюсов ротора относительно пакета магнитопровода статора.

Кроме того, в конструкции синхронного электродвигателя с анизотропной магнитной проводимостью ротора предусмотрены следующие отличия: промежутки между листами ферромагнитного материала и все пустоты залиты компаундом.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг. 1÷Фиг. 5 представлена конструкция синхронного электродвигателя и ротора с анизотропной магнитной проводимостью на примере шестиполюсной машины. На Фиг. 6 изображена конструкция пусковой (демпферной) обмотки синхронного электродвигателя с анизотропной магнитной проводимостью ротора.

Синхронный электродвигатель с анизотропной магнитной проводимостью ротора содержит статор 1 с магнитопроводом 2 и статорными электрическими обмотками 3, подшипниковые щиты 4 и 5 и цилиндрический ротор 6 (Фиг. 1), состоящий из вала 7 ротора, крепежных шпилек 8 и магнитопровода 9 ротора 6 (Фиг. 2). Магнитопровод 9 ротора 6 набран из листов ферромагнитного материала 10 с промежутками, проложенными изоляцией 11 и шихтовкой, выполненной вдоль оси вала 7 машины (Фиг. 3). Листы ферромагнитного материала 10 имеют форму, зависящую от числа пар полюсов статора 1 и обеспечивающую минимальную длину замыкания линий магнитного поля, создаваемого статорной обмоткой 3 (Фиг. 1÷Фиг. 5). Ротор 6 дополнительно содержит токопроводящие немагнитные шины 12, количество которых равно числу полюсов синхронного электродвигателя с анизотропной магнитной проводимостью ротора. Вал 7 ротора 6 выполнен из токопроводящего немагнитного материала, листы ферромагнитного материала 10 имеют симметричную форму в поперечной плоскости машины, изоляция 11 между листами ферромагнитного материала 10 выполнена из нетокопроводящего немагнитного материала. Листы ферромагнитного материала 10 с изоляцией 11 между ними образуют пакет полюса 13 ротора 6, крепление которого к валу 7 ротора 6 осуществляется через отверстия, расположенные вдоль вала машины в основании пакета полюса 13 ротора 6, токопроводящими немагнитными шпильками 8, расположенными на площадках вала 7 ротора 6 под каждым из пакетов полюсов 13 ротора 6. Один конец токопроводящей немагнитной шпильки 8 ввернут в вал 7 ротора 6, а другой - с помощью токопроводящей немагнитной гайки 14 и токопроводящей немагнитной шины 12, расположенной по всему объему в крепежных выемках листов пакета полюса 13, прижимает пакет полюса 13 ротора 6 к его токопроводящему немагнитному валу 7.

Синхронный электродвигатель, с анизотропной магнитной проводимостью ротора, может быть конструктивно выполнен так, что магнитная система синхронного электродвигателя выполнена со скосом пакетов полюсов 13 ротора 6 относительно пакета магнитопровода 2 статора 3. Ротор 6 синхронного электродвигателя с анизотропной магнитной проводимостью ротора со скосом пакетов полюсов 13 ротора 6 относительно пакета магнитопровода 2 статора 3 изображен на Фиг. 4.

Синхронный электродвигатель с анизотропной магнитной проводимостью ротора может быть конструктивно выполнен так, что промежутки между листами ферромагнитного материала 10 и все пустоты залиты компаундом 15. Ротор 6 синхронного электродвигателя с анизотропной магнитной проводимостью ротора с промежутками между листами ферромагнитного материала 10 и пустотами, залитыми компаундом 15, изображен на Фиг. 5.

Синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора работает следующим образом.

Статор 1 предлагаемой электрической машины выполнен так же, как и в обычной электрической машине переменного тока (Фиг. 1). Обмотка статора 3 может быть выполнена m-фазной, при этом оси катушек сдвинуты в пространстве на углы 360°/m относительно друг друга в поперечном разрезе машины и на статоре 3 содержится требуемое количество пар полюсов. Для представленных рисунков (Фиг. 1÷Фиг. 6) число пар полюсов равно трем. При подаче переменного питающего напряжения, одинакового по амплитуде, но сдвинутого на 360°/m электрических градусов, по обмоткам статора 3 потекут токи, которые создадут вращающееся магнитное поле. Ротор 6 двигателя может иметь различное конструктивное исполнение с числом полюсов, соответствующих числу полюсов статорной обмотки 3.

Вращающий момент в таком двигателе будет создан из-за разницы в магнитных проводимостях по продольной и поперечной осям. Для увеличения разницы между магнитными проводимостями по продольной и поперечной осям ротор 6 выполнен набранным из листов ферромагнитного материала 10 с изоляцией 11 между собой и с шихтовкой вдоль оси вала машины. При этом явно выраженные пакеты полюса 13 ротора 6 стремятся сориентироваться относительно поля так, чтобы магнитное сопротивление для силовых линий поля было бы минимальным. Вследствие чего появляются силы, образующие вращающий момент, и ротор 6 вращается в том же направлении и с той же скоростью, что и поле. Следует отметить, что силы, стремящиеся сориентировать ротор относительно поля, будут действовать на каждую из пластин 10 ротора 6, каждая из которых будет создавать свой вращающий момент.

Для пуска в ход предлагаемого электродвигателя в роторе предусмотрена короткозамкнутая пусковая обмотка (Фиг. 6). Пусковая обмотка, изображенная на Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 4, Фиг. 6, состоит из токопроводящих шин 12, шпилек 8, которые играют роль не только крепежного элемента, но и электрического соединителя токопроводящих шин 12 и вала 7 ротора 6. Принцип действия такой обмотки заключается в следующем: при подаче переменного питающего напряжения на статорные электрические обмотки 3 по ним потечет ток, который в магнитопроводе 2 статора 1 создаст круговое вращающееся поле, которое, пересекая неподвижный ротор 6, наведет в его токопроводящих шинах 12 электродвижущую силу. С учетом того, что токопроводящие шины 12 замкнуты накоротко между собой, это приведет к протеканию тока по токопроводящим шинам 12 и элементам, соединяющим их между собой (шпильки 8 и вал 7 ротора 6). Протекание тока по токопроводящим шинам 12 приведет к появлению поля вокруг токопроводящих шин 12. Взаимодействие поля статора 1 и поля ротора 6 приведет к созданию вращающего момента, и предлагаемый электродвигатель будет запущен в асинхронном режиме. После втягивания ротора в синхронизм линии электромагнитного поля, создаваемого электрической обмоткой 3 статора 1, будут замыкаться через листы ферромагнитного материала 10, при этом они не пересекают токопроводящие шины 12 и в них не будет наводиться электродвижущая сила. Следовательно, в рабочем режиме в токопроводящих шинах 12 не будет протекать ток и потери в короткозамкнутой обмотке ротора 6 отсутствуют. Потери в короткозамкнутой обмотке ротора 6 будут происходить только при пуске электрической машины в ход. Для создания значительной величины пускового момента токопроводящие шины 12 должны быть выполнены из материала с повышенным удельным сопротивлением.

Следует отметить, что такая пусковая обмотка ротора 6 будет выполнять функцию и успокоительной или демпферной обмотки для успокоения электромеханических колебаний машины в динамических режимах при ее работе.

Использование скоса пакетов полюсов ротора 6 (Фиг. 4) относительно пакета статора 1 в предлагаемом синхронном электродвигателе с анизотропной магнитной проводимостью ротора позволит сгладить индуктивности статорных обмоток 3, которые позволят уменьшить величину пульсации электромагнитного момента. При этом скос пакета полюса 13 ротора 6 должен быть выполнен на одно зубцовое деление магнитопровода 2 статора 1.

Таким образом, предлагаемый синхронный электродвигатель с анизотропной магнитной проводимостью ротора позволяет увеличить величину пускового момента, обеспечить возможность реверса, уменьшить пульсации электромагнитного момента, а также значительно упростить конструкцию и технологию изготовления ротора.