СИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к электрическим машинам, а конкретно к индукторным электродвигателям с переменным магнитным сопротивлением, и может быть использовано в устройствах различного назначения, например в низкоскоростных электроприводах бытового назначения.

Известны индукторные электромашины, работающие на принципе электромагнитной редукции, имеющие переменное магнитное сопротивление и число фаз M ≥ 3 (1, 2, 3). Недостатком этих двигателей являются их сложная конструкция, необходимость применения электронного коммутатора, подающего импульсы напряжения в определенном порядке на начала фаз, и, как следствие, их высокая стоимость и большие массогабаритные характеристики. Типичным представителем таких машин являются двигатели серии ШД-4.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является синхронный электродвигатель с переменным магнитным сопротивлением по заявке Франции N 7418161(патент-аналог в США N 4039908). Электродвигатель по прототипу имеет статор, содержащий 3n пар полюсов, на которых расположены идентичные индуктивные катушки, а также пассивный ротор, расположенный коаксиально относительно статора. Внешняя поверхность полюсов статора и ротора имеет зубцовую зону, причем количество зубцов на роторе на два меньше, чем количество зубцов на полюсах статора с учетом зубцов, которые были бы расположены в промежутках между полюсами. Катушки на полюсах соединены в звезду, каждый вывод которой запитывается одной фазой трехфазного источника переменного тока. Для этого катушки объединены в группы по две с одним диодом, а группы соединены параллельно таким образом, что обеспечивают на двух смежных полюсах возможность прохода противоположно направленных магнитных потоков.

Предлагаемое техническое решение направлено на решение задачи по усовершенствованию индукторного двигателя с пассивным ротором, дающее возможность получить низкооборотный двигатель, устойчиво работающий непосредственно от сети как однофазного, так и трехфазного тока, простой по конструкции и имеющий минимальные массогабаритные характеристики, высокую равномерность крутящего момента и низкую стоимость. Технический результат предлагаемого решения заключается в возможности получения заранее заданной низкой частоты вращения ротора и, одновременно, получения большого и равномерного крутящего момента. Этот результат достигается за счет того, что в синхронном двигателе, имеющем статор с полосами и безобмоточный ротор, на внешней поверхности которого имеется зубцовая зона, на полюсах статора намотаны идентичные индуктивные катушки, соединенные в фазы, состоящие из двух параллельных ветвей, каждая из которых состоит из цепочки последовательно соединенных диода и катушек, причем диоды в параллельных ветвях имеют встречное включение, один вывод фазы подключен к нулевому входу двигателя, а другой - к источнику переменного синусоидального напряжения. Кроме указанных, в двигателе имеются еще следующие признаки: количество полюсов статора ≥ 4, каждый полюс снабжен одним или двумя магнитными шунтами, внешняя поверхность которых идентична внешней поверхности полюсов, а катушки объединены в фазы таким образом, что образуют на всех полюсах одноименную полярность.

Для обеспечения дополнительного технического результата, выражающегося в повышении величины и равномерности крутящего момента, предусмотрены два частных случая:
при наличии в предлагаемом решении зубцовой зоны у полюсов предлагается смещение зубцовой зоны шунтов выполнить равным половине смещения зубцовых зон смежных полюсов, для чего магнитные шунты располагаются симметрично относительно смежных с ними полюсов и выполняют функцию дополнительных пассивных полюсов, которые участвуют в образовании дополнительных крутящих моментов и тем самым сглаживают пульсации крутящего момента на роторе при переходе от одного активного полюса к другому.

Другой частный случай, когда ширина зубцов статора не превышает 0,7 ширины межзубцового паза ротора, а ширина зубцов ротора не превышает 0,7 межзубцового паза статора при его наличии в техническом решении. Уменьшение ширины вершин зубцов статора и ротора по отношению к ширине межзубцового паза увеличивает тангенциальную составляющую сил межзубцового притяжения, снижает затраты энергии на ее создание и повышает крутящий момент и устойчивость работы двигателя во всех режимах.

Третий частный случай направлен на упрощение конструкции, повышение технологичности электродвигателя, уменьшение коэффициента трения и расширение функциональных возможностей двигателя. Это достигается за счет того, что пазы ротора и статора заполняются антифрикционным материалом и образуют совместно с внешней поверхностью полюсов поверхность подшипника скольжения, имеющего малый коэффициент трения, при уменьшении рабочего магнитного зазора увеличивается тангенциальная составляющая сил межзубцового притяжения, увеличивается крутящий момент и коэффициент полезного действия. Использование поверхностей статора и ротора в качестве рабочих поверхностей подшипника скольжения позволяет во много раз уменьшить длину размерных цепочек, участвующих в образовании величины зазора, и тем самым обеспечить получение минимального рабочего магнитного зазора, отказаться от подшипниковых щитов. Возможность осевого перемещения ротора расширяет функциональные возможности двигателя.

В целом такая конструкция двигателя позволяет получить хорошие пусковые характеристики и получить его устойчивую работу на холостом ходу и при полной нагрузке, а также при питании непосредственно от сети переменного синусоидального напряжения, с частотой вращения ротора в несколько раз ниже частоты переменного напряжения, с большим и равномерным крутящим моментом и высоким коэффициентом полезного действия, а кроме того, значительно упростить конструкцию, повысить надежность двигателя.

На фиг. 1 показана конструкция двигателя со сборным статорам и полюсами, имеющими зубцовую зону и снабженными двумя магнитными шунтами.

На фиг. 2 показана электрическая схема соединения 12-полюсного двигателя с возможностью подключения к 3-фазному источнику переменного тока.

Двигатель по предлагаемому техническому решению содержит статор 1, изготовленный из ферромагнитного магнитомягкого материала, на котором выполнены или закреплены полюса 2, внешняя поверхность которых гладкая или имеет зубцовую зону; ротор 3, выполненный также из ферромагнитного магнитомягкого материала и имеющий зубцовую зону на внешней поверхности. Зубцовые зоны ротора и полюсов статора при этом смещены относительно друг друга или за счет разности количества зубцов, например на роторе на два меньше, чем на статоре, или зубцы смежных полюсов смещены на часть зубцового шага, равную зубцовому шагу, деленному на число фаз двигателя. Форма зубцов может быть разнообразной, зависит от технологии изготовления и конструктивных особенностей статора. Отношение ширины вершин зубцов к ширине пазов расчетное, зависящее от заданной частоты оборотов и рабочей нагрузки на валу двигателя. При этом наибольший крутящий момент и равномерность вращения достигаются при соотношении, когда ширина зубцов статора не превышает 0,7 ширины межзубцового паза ротора, а ширина зубцов ротора не превышает 0,7 ширины межзубцового паза статора. Полюса статора двигателя снабжены одним или двумя магнитными шунтами 4, выполненными также из магнитомягкого материала и имеющими зубцовые зоны, при этом полюс вместе с шунтом (шунтами) образует единый полюсной сегмент, зубцы которого имеют одинаковый шаг. Полюса, снабженные шунтами, могут быть установлены в статоре магнитоизолированными друг от друга, а статор может иметь сборную конструкцию. Статор с полюсами, снабженными магнитными шунтами, имеет вдвое меньшую площадь сечения магнитопроводов полюса, спинки статора и ротора, а длина лобовых частей его обмоток уменьшается в два раза по сравнению с полюсами без магнитных шунтов.

На полюсах статора намотаны или установлены катушки 5, имеющие одинаковое число витков и одинаковое направление намотки. Катушки соединены в фазы, при этом каждая фаза состоит из двух параллельных ветвей, каждая из которых представляет цепочку последовательно соединенных диода и катушек, число которых не менее двух, а диоды в параллельных ветвях имеют встречное включение. Один конец каждой фазы подключен к нулевому входу двигателя, а другой - к источнику переменного синусоидального напряжения. Двигатель по данному техническому решению может иметь различные исполнения как по числу фаз, так и по конструкции, например с различным взаимным расположением ротора и статора, с различными формами выполнения ротора и статора. При этом двигатель с цилиндрическими по форме ротором и статором может иметь как внутреннее, так и внешнее расположение ротора. Кроме того, двигатель может иметь линейное исполнение как ротора, так и статора, а также торцевое исполнение и ротора и статора.

Двигатель по предлагаемому техническому решению работает следующим образом.

При подключении двигателя к источнику переменного синусоидального напряжения на каждую фазу двигателя подается напряжение одной фазы источника. Поскольку напряжение на обмотки каждой фазы подается через диоды, включенные в противоположных направлениях, то на обмотки одной ветви фазы поступают только положительные полуволны напряжения, а на обмотки другой ветви фазы - только отрицательные. Так поочередно на обмотки фаз каждой пары ветвей поступают в виде полуволн импульсы напряжения длительностью, равной полупериоду изменения напряжения и со смещением для ветвей одной фазы, равным полупериоду. При этом импульсы напряжения, поступающие на каждую пару ветвей фазы, дополнительно смещены между собой в соответствии со сдвигом фаз источника питания.

Соответственно, под действием каждого импульса напряжения в обмотках одной ветви фазы формируется импульс тока, который, в свою очередь, создает магнитные потоки в полюсах статора и вызывает силы магнитного притяжения между зубцами полюсов и шунтов статора и зубцами ротора. При этом радиальные составляющие сил притяжения полюсов одной фазы, расположенных симметрично, взаимно уравновешиваются, а тангенциальные составляющие этих сил создают на роторе крутящий момент, под действием которого ротор стремится повернуться до положения совмещения зубцов ротора с зубцами возбужденного полюса. На соседних полюсах, зубцы которых смещены, например, на величину, равную зубцовому шагу, деленному на число фаз двигателя, магнитные потоки, которые в них возбуждаются при круговом распределении импульсов напряжения, также создают крутящий момент на роторе. Крутящие моменты, возникающие при этом под действием одновременно возбужденных полюсов, суммируются на роторе, а перемещение ротора за один оборот импульсов напряжения в статоре равно одному зубцовому шагу. Этим достигается редуцирование частоты вращения импульсов напряжения. Кроме того, возникающий при возбуждении обмоток полюсов магнитный поток замыкается через магнитные шунты, и так же, как и на полюсе, на магнитном шунте создается дополнительное усилие (крутящий момент). При этом магнитные шунты выполняют роль пассивных дополнительных полюсов, расположенных симметрично относительно смежных полюсов, за счет чего сглаживаются пульсации усилия (крутящего момента) на роторе при переходе от одного из соседних активных полюсов к другому, и тем самым делают более равномерный момент на роторе.

В двигателе, с учетом п.4 формулы, использование поверхностей статора и ротора в качестве рабочих поверхностей подшипника скольжения позволяет во много раз уменьшить длину размерных цепочек, участвующих в образовании величины зазора, и тем самым обеспечить получение минимального рабочего магнитного зазора. При уменьшении рабочего магнитного зазора увеличивается тангенциальная составляющая сил межзубцового притяжения, повышается крутящий момент, увеличивается коэффициент полезного действия. При осевом смещении ротора при работающем двигателе возникает сила магнитного притяжения, величина которой пропорциональна величине смещения ротора. Эта сила, вызванная уменьшением площади, а следовательно, проводимости магнитного зазора двигателя, препятствует осевому смещению ротора и удерживает его в рабочем положении. Уменьшение магнитного рабочего зазора, исключение подшипниковых щитов, исключение подшипников осевого и/или радиального перемещения упрощают конструкцию двигателя, увеличивают его крутящий момент, увеличивают коэффициент полезного действия, расширяют функциональные возможности двигателя.