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, Laufer fur reak-tionsmaschinen], 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 и 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 Н02K 19/20, Н02K 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 Н02K 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 так же 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, причем листы ферромагнитного материала 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 электрической машины и два соединительных кольца, а вал ротора и крепежные шпильки выполнены из немагнитного не токопроводящего материала, причем листы ферромагнитного материала имеют симметричную форму в поперечной плоскости машины, а каждая из токопроводящих шин расположена по всему объему в крепежных выемках последних листов каждого пакета полюса ротора, а два соединительных кольца электрически объединяют токопроводящие шины в основаниях цилиндрической части ротора.

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: дополнительно содержит два токопроводящих кольца, расположенных на валу ротора, и лопатки расположенные радиально, количество которых равно удвоенному числу числа полюсов электрической машины, электрически соединяющие токопроводящие шины с токопроводящими кольцами в основаниях цилиндрической части ротора.

Кроме того, в конструкции синхронного электродвигателя с анизотропной магнитной проводимостью ротора предусмотрены следующие отличия: основания цилиндрической части ротора и крепежные выемки листов пакета полюса ротора залиты электропроводящим материалом.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг. 1 - Фиг. 8 представлена конструкция синхронного электродвигателя и ротора с анизотропной магнитной проводимостью на примере шестиполюсной машины. На Фиг. 9 - Фиг. 11 изображены конструкции 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). Ротор 6 состоит из вала ротора 7, крепежных шпилек 8 и магнитопровода ротора 9, набранного из листов ферромагнитного материала 10 с промежутками, проложенными изоляцией 11 и шихтовкой, выполненной вдоль оси вала машины (Фиг. 2, 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. 3). Ротор 6 дополнительно содержит токопроводящие немагнитные шины 12, количество которых равно числу полюсов электрической машины и два соединительных кольца 13 и 14 (Фиг. 2). Вал ротора 7 и крепежные шпильки 8 выполнены из немагнитного не токопроводящего материала. Листы ферромагнитного материала 10 имеют симметричную форму в поперечной плоскости машины, а каждая из токопроводящих шин 12, расположена по всему объему в крепежных выемках последних листов каждого пакета полюса 15 ротора 6 (Фиг. 3). Два соединительных кольца 13 и 14 электрически объединяют токопроводящие шины 12 в основаниях цилиндрической части ротора 6 (Фиг. 2).

Синхронный электродвигатель с анизотропной магнитной проводимостью ротора может быть конструктивно выполнен так, что магнитная система синхронного электродвигателя выполнена со скосом пакетов полюсов 15 ротора 6 относительно пакета магнитопровода 2 статора 1. Ротор 6 синхронного электродвигателя с анизотропной магнитной проводимостью ротора со скосом пакетов полюсов 15 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 дополнительно содержит два токопроводящих кольца 16, 17, расположенных на валу 7 ротора 6, и лопатки 18 расположенные радиально, количество которых равно удвоенному числу числа полюсов электрической машины, электрически соединяющие токопроводящие шины 12 с токопроводящими кольцами 16 и 17 в основаниях цилиндрической части ротора 6 (Фиг. 5).

Синхронный электродвигатель с анизотропной магнитной проводимостью ротора может быть конструктивно выполнен так, что основания цилиндрической части ротора 6 и крепежные выемки листов пакета полюса 15 ротора 6 залиты электропроводящим материалом 19 (Фиг. 6).

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. 11) 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 (Фиг. 1 - Фиг. 8) 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 полюса 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 и успокоения колебаний ротора при работе электрической машины в конструкции ротора предусмотрена короткозамкнутая пусковая обмотка, выполненная в различных конструктивных вариантах (Фиг. 9 - Фиг. 11). Первый вариант пусковой обмотки, изображенный на Фиг. 9, состоит из токопроводящих шин 12 и двух соединительных колец 13 и 14, электрически объединяющих токопроводящие шины 12 в основаниях цилиндрической части ротора 6. Второй вариант пусковой обмотки, изображенный на Фиг. 10, состоит из токопроводящих шин 12, двух токопроводящих колец 16, 17, расположенных на валу 7 ротора 6, и лопаток 18. Причем число лопаток 18 равно удвоенному числу числа полюсов электрической машины. Лопатки 18 расположены радиально и электрически соединяют токопроводящие шины 12 с токопроводящими кольцами 16 и 17 в основаниях цилиндрической части ротора 6. Третий вариант пусковой обмотки, изображенный на Фиг. 11, выполнен таким образом, что основания цилиндрической части ротора 6 и крепежные выемки листов пакета полюса 15 ротора 6 залиты электропроводящим материалом 19.

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 электрически замкнуты накоротко между собой, это приведет к протеканию тока по токопроводящим шинам 12 и элементам, соединяющим их между собой. 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 соответственно в них не будет наводиться электродвижущая сила. Следовательно, в рабочем режиме в токопроводящих шинах 12 не будет протекать ток, а соответственно 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, изображенного на Фиг. 4, Фиг. 7, Фиг. 8 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 так же значительно упростить конструкцию и технологию изготовления ротора.