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 цилиндрический ферромагнитный ротор, смещенный относительно оси вращения, магнитопроводы статора имеют С-образную форму с плоскими рабочими зазорами и охватывают ротор, введена неподвижная кольцевая обмотка возбуждения, имеющая трапецеидальное сечение и питаемая переменным током, ротор имеет клинообразную проточку, а питание обмоток статора и возбуждения осуществляется по соотношениям

где амплитуды токов обмоток статора и возбуждения; их активные сопротивления; коэффициенты, определяющие средний электромагнитный момент

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 - зависимости амплитуды тока возбуждения и электромагнитного момента от амплитуды токов обмотки статора при фиксированной мощности электрических потерь.

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 вместе с ротором вращается с угловой скоростью 2ω. Например, при частоте питания 50 Гц скорость вращения ротора составляет 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 измеряемый от оси фазы 1 до продольной оси 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

Здесь Λ_m - амплитуда переменных составляющих магнитных проводимостей Λ_k. Средний момент электродвигателя определяется выражением

Для повышения энергетических характеристик решена задача математического программирования - найти амплитуды токов I_m, I_fm, создающих требуемый момент М₀ при минимальной мощности потерь:

Из первого уравнения следует

Приравнивая производную от последнего выражения нулю, получаем

На фиг. 4 представлены зависимости амплитуды тока возбуждения и среднего момента М₀ от амплитуды токов обмотки статора при следующих параметрах:

Ом;

Ом;

Гн;

Вт.

Оптимальные значения амплитуд токов , среднего по углу момента М₀ и коэффициент эффективности обмотки возбуждения - в таблице. Коэффициент определялся по формуле

Здесь М_с - момент двигателя без обмотки возбуждения, М_с = 1875 Н⋅м.

Видно, что с уменьшением активного сопротивления обмотки возбуждения R_f оптимальное значение амплитуды тока возбуждения, ее эффективность η и оптимальный момент M₀ возрастают.

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

Таким образом, благодаря тому, что на статоре установлена кольцевая обмотка возбуждения с питанием переменным током, и оптимальному соотношению между токами обмотки статора и возбуждения, получен синхронный электродвигатель с повышенными энергетическими характеристиками.