Результат интеллектуальной деятельности: Синхронный электродвигатель

Изобретение относится к электротехнике, а именно к синхронным электродвигателям с реактивным ротором, и может быть применено в электромеханических системах с большими скоростями вращения, например, в компрессоростроении.

Известен синхронный электродвигатель, имеющий шихтованный магнитопровод статора с многофазной обмоткой и реактивный ферромагнитный ротор. Обмотка статора получает питание от инвертора частоты, вырабатывающего систему напряжений согласно требуемой скорости вращения (Г.Б. Онищенко «Электрический привод: учебник для студ. высш. учеб. заведений». 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 288 с.) – [1].

Его недостатком является сложность схемы питания.

Известен синхронный электродвигатель, имеющий П-образные магнитопроводы статора с сосредоточенной многофазной обмоткой и реактивный ферромагнитный ротор с явно выраженными полюсами (патент РФ № 2159494, H02K19/06, H02K1/06, опубл. 20.11.2000) – [2].

Его недостатком является низкая скорость вращения. Например, при частоте питания 50 Гц, трех П-образных магнитопроводах статора и двух полюсах на роторе скорость вращения ротора составляет 1500 об/мин.

Известен синхронный электродвигатель, имеющий П-образные шихтованные магнитопроводы статора с многофазной сосредоточенной обмоткой, фазы обмотки питаются переменными напряжениями, сдвинутыми по фазе на угол, меньший пространственного сдвига П-образных магнитопроводов, а ротор содержит два зубца, смещенных по оси и имеющих одинаковое угловое положение (патент РФ № 2499344, H02K19/06, H02K1/06, опубл. 20.11.2013) – [3].

Его недостатком является сложность конструкции и большой момент инерции ротора.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по конструкции и достигаемому эффекту является синхронный электродвигатель, имеющий шихтованные магнитопроводы статора с многофазной сосредоточенной обмоткой, фазы которой питаются напряжениями, сдвинутыми по фазе на угол, меньший пространственного сдвига магнитопроводов, и ферромагнитный ротор, магнитопроводы статора имеют С-образную форму с плоскими рабочими зазорами, а цилиндрический ротор смещен относительно оси вращения (патент РФ № 2704308, H02K1/06, Н02К 19/06, Н02К 41/06, опубл. 28.10.2019) – [4].

Его недостатком являются низкие энергетические характеристики в связи с реактивной природой электромагнитного момента, пропорционального квадрату фазных токов обмотки.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в повышении энергетических характеристик.

Технический результат достигается тем, что в синхронный электродвигатель, имеющий шихтованные магнитопроводы статора с многофазной сосредоточенной обмоткой, фазы которой питаются напряжениями, сдвинутыми по фазе на угол, вдвое меньший пространственного сдвига магнитопроводов, и ферромагнитный ротор, магнитопроводы статора имеют С-образную форму с плоскими рабочими зазорами и охватывают цилиндрический ротор, смещенный относительно оси вращения, введена неподвижная кольцевая обмотка возбуждения, имеющая трапецеидальное сечение и питаемая переменным током, а ротор имеет клинообразную проточку.

Сущность технического решения поясняется фиг. 1-4, где

Фиг. 1 – поперечное сечение электродвигателя;

Фиг. 2 – продольное сечение электродвигателя;

Фиг. 3 – графики фазных токов и тока возбуждения;

Фиг. 4 – зависимость электромагнитного момента от угла поворота ротора.

На фиг. 1 – 2 обозначено:

1 – 6 – первая – шестая фазы обмотки статора;

7 – 12 – первый – шестой магнитопроводы статора;

13, 14 – подшипниковые щиты;

15, 16 – подшипники;

17 – вал;

18 – ротор;

19 – обмотка возбуждения.

С-образные магнитопроводы 7-12 статора выполнены шихтованными из электротехнической стали и расположены под углом 60 градусов относительно друг друга. Они объединены в единую конструкцию с помощью подшипниковых щитов 13, 14, выполненных из немагнитного материала. На С-образных магнитопроводах 7-12 установлены фазы 1-6 обмотки статора. Ротор 18 выполнен из ферромагнитного материала. Он имеет форму цилиндра с клинообразной проточкой, смещенного относительно оси вала 17, опирающегося на подшипники 15, 16. Ротор входит в зазоры между магнитопроводами 7-12. На статоре установлена неподвижная обмотка возбуждения 19, имеющая форму кольца с трапецеидальным сечением и входящая в проточку ротора.

Синхронный электродвигатель работает следующим образом.

Фазы 1-6 обмотки статора питаются переменными токами, сдвинутыми по фазе на угол π/6:

Здесь ω – угловая частота питающих напряжений.

В рабочих воздушных зазорах возникает волна магнитной индукции, соответствующая углу π. За время, соответствующее половине периода синусоидального напряжения, волна магнитной индукции поворачивается на угол 2π. Эта волна вращается с угловой скоростью 2ω. Например, при частоте питания 50 Гц скорость вращения ротора составит 6000 об/мин.

Магнитная проводимость рабочего воздушного зазора для одного магнитопровода определяется формулой

где магнитная постоянная; S – площадь между магнитопроводом и ротором; δ – зазор между ними. Ротор стремится занять положение, при котором максимальная магнитная проводимость и максимум площади перекрытия соответствуют максимуму модулей МДС и магнитной индукции.

На фиг. 3 представлены графики фазных токов обмотки статора и тока возбуждения Видно, что ток возбуждения пропорционален сумме мгновенных значений фазных токов. В качестве аргумента взят угол поворота ротора

Электромагнитный момент определяется формулой

Здесь Λ_k – магнитная проводимость между ротором и k-м магнитопроводом; w, w_f – числа витков фаз обмотки статора и обмотки возбуждения.

Если

то

Была рассчитана моментная характеристика при следующих значения параметров:

Гн;

Здесь Λ_m – амплитуда переменных составляющих магнитных проводимостей Λ_k.

Средний момент электродвигателя определяется выражением

Без обмотки возбуждения момент имеет постоянное значение М₀ = 75 Н⋅м. С обмоткой возбуждения момент изменяется по углу в пределах от 75 до 147,444 Н⋅м, а среднее значение момента – 123,296 Н⋅м.

График моментной характеристики показан на фиг. 4.

Момент состоит из двух компонент – из постоянного реактивного момента М₀ = 75 Н∙м и переменного активного момента, равного нулю в отдельных точках, когда ток возбуждения равен нулю. Показан средний момент М_ср = 123,3 Н⋅м. Видна эффективность введения обмотки возбуждения.

Благодаря кольцевой проточке на роторе и выполнению обмотки возбуждения в виде кольца с трапецеидальным сечением возможно уменьшение ее среднего радиуса, что уменьшает ее длину, сопротивление и мощность потерь в ней.

Таким образом, благодаря установке на статоре кольцевой обмотки возбуждения с питанием переменным током, получен синхронный электродвигатель с повышенными энергетическими характеристиками.