СИНХРОННО-АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
SYNCHRONOUS-ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к области электротехники, а именно к вращающимся бесконтактным электрическим машинам переменного тока, и может быть использовано в качестве высокомоментных двигателей для привода различных машин и механизмов, которые при использовании повышают удельную мощность данных электрических машин, синхронизирующий момент, надежность, а также обеспечивают расширение области их применения,
Известен, например синхронно-асинхронный двигатель [патент РФ №2141713 С1, МПК Н02К 17/26, Н02К 17/12, публикация патента 20.11.1999], содержащий статор с его полюсопереключаемой многофазной обмоткой и ротор с его совмещенной обмоткой, которая совмещает обмотку переменного тока и обмотку возбуждения.
Недостатком данного известного изобретения является наличие двух контактных колец, снижающих его надежность, необходимость использования источника постоянно тока (возбудителя), снижающего общий КПД электродвигателя, и коммутатора, который подключает при необходимости роторную обмотку к этому источнику, что также снижает надежность данного двигателя.
Известен, например, реконфигурируемый синхронно-асинхронный двигатель [патент РФ №2543992 С2, МПК Н02К 17/16, Н02К 17/30, публикация патента 10.03.2015], содержащий статор с его обмотками, поворотный двигательный вал, и ротор с поворотными постоянными магнитами или немагнитными проводящими шунтирующими частями, полюсными наконечниками, короткозамкнутой обмоткой, центробежным зажимным приспособлением, или вязким демпфированием, задерживающим поворот магнитов и/или шунтирующих частей, или устройством с электрическим управлением, управляющим положением магнитов и/или шунтирующей части.
Недостатком данного известного изобретения является значительная конструктивная сложность, обусловленная наличием множества подвижных (поворотных) деталей, например центробежных зажимов, обеспечивающих удержание постоянных магнитов в заданном положении во время пуска, а также элементов магнитного контура, содержащих подвижную шунтирующую часть с закрепленными постоянными магнитами и полюсными наконечниками и возможностью перемещения для регулирования магнитного поля от слабого к сильному; наличием центробежного зажимного приспособления, или конструкции вязкого демпфирования с ее лопастями, расположенными в камере с вязкой текучей средой, или устройства с электрическим управлением, управляющим положением магнитов и/или шунтирующей части. По этой причине данный известный двигатель характеризуется сравнительно низкой надежностью и достаточно высокой стоимостью. По этой же причине технологичным его назвать нельзя. Кроме того, работая в синхронном режиме, он развивает сравнительно малый электромагнитный момент по сравнению с обычным синхронным двигателем на постоянных магнитах по той причине, что магнитное поле постоянных магнитов в воздушном зазоре здесь более слабое, т.к. они расположены не на поверхности ротора, а ближе к его оси за короткозамкнутой обмоткой. Поэтому данный известный двигатель имеет невысокую удельную мощность.
Известен, например "Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами и пуском от сети …", принятый за прототип [патент РФ №2267201 С2, МПК Н02К 1/27, Н02К 17/16, Н02К 21/46, публикация патента 27.12.2005], содержащий сердечник ротора с осевым отверстием для вала, множеством четырехугольных сквозных отверстий (пустот) с введенными в отдельные из них постоянными магнитами (ПМ), а также соединенные между собой с помощью соединительных частей (стержней короткозамкнутой обмотки ротора) крайние (концевые) (торцовые замыкающие) кольца, закрепляющие упомянутые ПМ на торцевых сторонах данного сердечника; фиксирующие элементы ПМ, поддерживающую магниты пластину, статор с расположенной в его изолированных пазах симметричной трехфазной медной обмоткой.
Известное устройство работает следующим образом. При подаче стандартного трехфазного переменного напряжения на симметричную трехфазную медную (по документации) обмотку статора каждой фазой этой обмотки создается магнитный поток, который изменяется с частотой подаваемого напряжения. Эти магнитные потоки сдвинуты относительно друг друга на 120°, как во времени, так и в пространстве. Результирующий магнитный поток в воздушном зазоре оказывается при этом вращающимся. Этот результирующий вращающийся магнитный поток статора, пересекая соединительные части (стержни короткозамкнутой обмотки) ротора, индуцирует в каждой из них, в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея, ЭДС. Так как соединительные части (стержни короткозамкнутой обмотки ротора) замкнуты с обоих торцов посредством кольцеобразных корпусных частей концевых (торцовых замыкающих) колец, то образуется замкнутая электрическая цепь (короткозамкнутая обмотка ротора), в которой при этом возникает переменный электрический ток. Взаимодействие магнитного потока этого тока с вращающимся магнитным потоком трехфазной медной обмотки статора, приводит к появлению электромагнитного момента синхронного электродвигателя, под воздействием которого его ротор разгоняется с пуском от сети до подсинхронной скорости (т.е. скорости, близкой к скорости вращения магнитного потока (поля) трехфазной обмотки статора) в направлении вращения магнитного потока (поля) трехфазной обмотки статора. После чего упомянутый вращающийся магнитный поток (поле) этой трехфазной обмотки статора сцепляется с магнитным потоком постоянных магнитов ротора, и ротор с этого момента времени начинает синхронно вращаться с вращающимся магнитным потоком (полем) трехфазной обмотки статора, т.е. синхронный электродвигатель работает в уже синхронном режиме. Таким образом, разгон известного электродвигателя производят в асинхронном режиме, а работает он - в синхронном режиме, т.е. электродвигатель является синхронно-асинхронным.
Данный ротор имеет несколько более простую конструкцию, по сравнению с ротором в описанном выше патенте РФ №2543992. Но ему свойственен такой же недостаток: ввиду того, что ПМ расположены не на поверхности ротора, а ближе к его оси, за короткозамкнутой обмоткой (за соединительными частями кольцеобразных корпусных частей концевых колец), магнитное поле ПМ в воздушном зазоре достаточно слабое. Сердечник ротора, представляющий собой собранный в пакет корпус из множества тонких (изолированных) пластин постоянной толщины (т.е. является шихтованным), достаточно слабо проводит магнитный поток. Кроме того, магнитное поле протекающего по короткозамкнутой обмотке ротора в процессе пуска данного электродвигателя достаточно большого пускового тока экранирует магнитной поток (поле) ПМ, что приводит к снижению синхронизирующего момента и соответственно затруднению перехода электродвигателя в синхронный режим работы, что также является недостатком данного известного изобретения.
Поэтому данный электродвигатель развивает сравнительно малый электромагнитный момент, вследствие чего он имеет невысокую удельную мощность. Кроме того, магнитное поле (магнитный поток) ПМ в воздушном зазоре несимметрично и неравномерно распределено ввиду того, что, во-первых, четырехугольные сквозные отверстия, в которые вставлены ПМ, выполнены не полукруглыми, а прямоугольными, поэтому наибольший магнитный поток от ПМ в воздушном зазоре создается на той боковой поверхности цилиндрического ротора, которая расположена над торцами данных четырехугольных сквозных отверстий, т.к. они расположены ближе всего к данной поверхности ротора, а наименьший магнитный поток - на той поверхности ротора, которая расположена напротив середины этих четырехугольных сквозных отверстий, т.к. расстояние от ПМ до боковой поверхности ротора здесь наибольшее; а во вторых, сами четырехугольные сквозные отверстия выполнены несимметричными относительно друг друга (симметрично выполнены противоположные друг другу сквозные отверстия), т.е. торцевые стороны у одной пары ПМ друг с другом соприкасаются, у другой пары - нет, и образованные соседними отверстиями углы не равны друг другу. Это также снижает электромагнитный момент синхронного электродвигателя и его удельную мощность.
Также приведенные выше известные синхронно-асинхронные двигатели, включая аналог, характеризуются тем недостатком, что при выходе из строя их обмотки статора, например, вследствие механического повреждения, перегрева токами перегрузки и короткого замыкания на корпус или между ее витками, они становится неработоспособным. Т.е. характеризуются сравнительно невысокой надежностью.
Кроме того, рассмотренные выше известные синхронно-асинхронные двигатели, включая прототип, не позволяют без применения дополнительных преобразователей регулировать развиваемую ими мощность на валу, что снижает область их применения.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в устранении указанных недостатков, а именно: повышение удельной мощности, синхронизирующего момента, надежности, а также расширение области применения синхронно-асинхронных двигателей.
Поставленная задача достигается тем, что в известном синхронно-асинхронном электродвигателе, содержащем цилиндрической формы статор с расположенной в его изолированных пазах симметричной трехфазной медной обмоткой, обмотки фаз которой расположены со сдвигом в пространстве 120°, цилиндрический ротор с сердечником с осевым отверстием для приводного вала и множеством пустот с введенными в них постоянными магнитами, а также и с концевыми торцовыми кольцами, соединенными друг с другом, а также и сам приводной вал, в отличие от него заявляемый синхронно-асинхронный электродвигатель содержит несколько статорно-роторных пар и центральный стержень. Статор статорно-роторных пар содержит несколько цилиндрической формы, коаксиальных сердечников-магнитопроводов уменьшающегося диаметра, каждый из которых является элементом соответствующей статорно-роторной пары. При этом каждый сердечник-магнитопровод статора набран из отдельных, одинаковых по форме и материалу, изолированных, кольцевых, наложенных друг на друга коаксиальных, зубчатых по внутренней кромке пластин. Образованные при этом зубцы и пазы сердечника-магнитопровода статора расположены на каждой внутренней цилиндрической поверхности каждого из данных сердечников-магнитопроводов статора, а число этих зубцов и пазов по всем этим их поверхностям между собой одинаково. Симметричная трехфазная медная обмотка уложена каждая в изолированные пазы каждой данной внутренней поверхности каждого сердечника-магнитопровода статора, и выводы каждых данных обмоток, соединенных между собой параллельно, соединены пофазно с образованием общих зажимов в клеммной коробке.
При этом каждый сердечник-магнитопровод статора внешним торцом, имеющим выводы проводников симметричных трехфазных медных, расположенных в его пазах обмоток, жестко сочленен с имеющимся опорным статорным кольцом. Короткозамкнутый ротор статорно-роторных пар содержит столько же цилиндрической формы, коаксиально расположенных, с уменьшающимся диаметром сердечников-магнитопроводов, каждый из которых является элементом соответствующей статорно-роторной пары, набран вплотную по оси из отдельных, одинаковых по форме и материалу, изолированных, кольцевых, коаксиальных, наложенных друг на друга зубчатых пластин, с многочисленными полузакрытыми глубокими и узкими, а именно глубокопазными, с внешней стороны пластин одинаковыми пазами, а также и с двумя на каждой пластине, симметрично относительно ее центра расположенными, одинаковыми по геометрическим размерам и форме широкими пустотами-пазами, образованными в форме равнобедренной трапеции, расположенными также с внешней стороны каждой пластины. При этом глубина этих двух широких пустот-пазов каждой пластины такая же, как и у глубокопазных пазов, большее основание трапецеидального пустот-паза обращено во внутрь сердечника-магнитопровода и образовано так же, как и его боковые стороны, внешними кромками его пластин, а меньшее его основание обращено на внешнюю поверхность сердечника-магнитопровода и является открытым. Причем в данные широкие пустот-пазы трапецеидальной формы по всей их длине плотно вставлены постоянные редкоземельные магниты. В образованных, множеством глубокопазных пазов набора данных пластин каждого сердечника-магнитопровода ротора, многочисленных глубоких каналах залит расплавленный электропроводящий металл, образующий в каждом из них продольные стержни, которые соединены по их обоим торцам накоротко общими концевыми торцовыми замыкающими, из того же материала, кольцами, с образованием короткозамкнутой обмотки ротора каждого его сердечника-магнитопровода. При этом в совокупности с образованными заливными продольными стержнями и концевыми торцовыми замыкающими кольцами на данных кольцах каждого сердечника-магнитопровода выполнены путем отливки вентиляционные лопатки. Наименьший по диаметру коаксиальный сердечник-магнитопровод ротора жестко насажен на центральный стержень синхронно-асинхронного электродвигателя. Все сердечники-магнитопроводы ротора большего диаметра прилегают по внутренним торцам к опорному роторному кольцу и жестко сочленены с ним. Приводной вал сопряжен подвижно с боковой защитной крышкой корпуса электродвигателя и сопряжен жестко с его опорным роторным кольцом, которое сочленено с центральным стержнем. Причем середина по ширине всех постоянных редкоземельных магнитов находится на одной прямой диаметральной линии приводного вала электродвигателя, а северный полюс каждого из них находится напротив соседнего северного, равно как и южный полюс каждого из них находится напротив южного.
Число сердечников-магнитопроводов статора и число сердечников-магнитопроводов ротора статорно-роторных пар в частном случае равно трем.
Общее число симметричных трехфазных медных обмоток статора в частном случае равно трем.
В частном случае глубокопазные пазы короткозамкнутой обмотки ротора каждого сердечника-магнитопровода ротора выполнены прямоугольного или трапецеидального вида.
В частном случае каждый сердечник-магнитопровод ротора выполнен с такой глубокопазной формой паза, который состоит из сдвоенного овала меньшего и большего поперечного сечения с расположенной в каждом из таких пазов двойной короткозамкнутой обмоткой ротора.
В частном случае на внешнюю поверхность каждого постоянного редкоземельного магнита, образующую меньшее основание трапецеидального паза, по всей его площади наложена тонкая немагнитная (алюминиевая) пластина.
Ограничительные и отличительные признаки заявляемого изобретения обеспечивают достижение поставленной задачи.
В предложенном синхронно-асинхронном электродвигателе за счет того, что используется статор и ротор, состоящие из нескольких соосно расположенных и вставленных друг в друга полых цилиндров (статорно-роторных пар), обеспечивается лучшее использование внутреннего его пространства. Из вышеизложенного следует, что повышение удельной мощности заявляемого электродвигателя обеспечивается за счет того, что при пуске электромагнитный момент возникает в результате взаимодействия через воздушный зазор электромагнитных полей не одной пары соседних обмоток (симметричной трехфазной медной обмотки статора и короткозамкнутой обмотки типа «беличья клетка» ротора), а нескольких таких же пар обмоток и нескольких воздушных зазоров; в работе повышение удельной мощности и синхронизирующего момента (во время перехода из асинхронного режима в синхронный) заявляемого электродвигателя обеспечивается за счет того, что электромагнитный момент возникает в результате взаимодействия через воздушный зазор не одной пары магнитных полей - электромагнитного поля симметричной трехфазной медной обмотки статора и магнитного поля постоянных редкоземельных (например, неодимовых) магнитов ротора, а нескольких таких же пар магнитных полей через несколько воздушных зазоров, а также за счет того, что магнитный поток каждой пары ПМ в каждом воздушном зазоре максимально возможный, т.к. расположены упомянутые ПМ не под слоем множества тонких пластин постоянной толщины пакета сердечника с их соединительными частями (стержнями короткозамкнутой обмотки ротора) как у аналога, а непосредственно на поверхности каждого сердечника-магнитопровода ротора электродвигателя.
Т.е. за счет того, что одновременное синхронное синфазное силовое взаимодействие МДС симметричных трехфазных медных обмоток каждого сердечника-магнитопровода статора с магнитным полем соответствующей короткозамкнутой обмотки типа «беличья клетка» каждого сердечника-магнитопровода ротора при пуске синхронно-асинхронного электродвигателя производится не в одном, а в нескольких воздушных зазорах между каждым соответствующим сердечником-магнитопроводом статора и каждым соответствующим сердечником-магнитопровода ротора, суммарный электромагнитный момент возрастает.
Т.е. за счет того, что одновременное синхронное синфазное силовое взаимодействие МДС симметричных трехфазных медных обмоток каждого сердечника-магнитопровода статора с магнитным полем соответствующих постоянных редкоземельных магнитов каждого сердечника-магнитопровода ротора в работе синхронно-асинхронного электродвигателя производится не в одном, а в нескольких воздушных зазорах между каждым соответствующим сердечником-магнитопроводом статора и каждым соответствующим сердечником-магнитопровода ротора, суммарный электромагнитный момент и синхронизирующий Момент (во время перехода электродвигателя из асинхронного режима в синхронный), возрастает.
Благодаря тому, что в заявляемом синхронно-асинхронном электродвигателе содержится несколько симметричных трехфазных обмоток статора, в частном случае 3, его надежность возрастает: при перегреве одной или двух данных его симметричных трехфазных обмоток электродвигатель сохранит свою работоспособность, хоть и будет развивать при этом меньший электромагнитный момент.
Благодаря тому, что в пазах каждого сердечника-магнитопровода уложена только одна симметричная трехфазная медная обмотка, то перегрев любой из них практически не сказывается на температурный режим остальных обмоток, в отличие от многоскоростных электродвигателей, в котором в одни и те же пазы статора может быть уложено несколько обмоток и перегрев одной из них сразу же за счет теплопередачи ведет к перегреву остальных обмоток. Таким образом, надежность заявляемого синхронно-асинхронного электродвигателя существенно возрастает (выше).
Одинаковость числа зубцов и пазов между ними каждой цилиндрической поверхности каждого из сердечников-магнитопроводов статора обеспечивает в работе синхронное синфазное вращение МДС симметричных трехфазных медных обмоток каждого сердечника-магнитопровода статора электродвигателя.
Симметричность каждой трехфазной медной обмотки обеспечивается выполнением каждых ее фаз из медного провода одинакового сечения, марки и числа витков, что необходимо для создания симметричных магнитодвижущих сил (МДС) всех фаз между собой каждых упомянутых симметричных трехфазных медных обмоток.
Расположение проводников (фаз) каждой симметричной трехфазной медной обмотки в изолированных пазах каждой поверхности каждого сердечника-магнитопровода статора со сдвигом в пространстве на 120° обеспечивает в работе сдвиг их соответствующих магнитных осей в пространстве относительно друг друга на угол 2π/3, т.е. на 120°.
Параллельное пофазное соединение между собой выводов симметричных трехфазных медных обмоток каждой поверхности каждого сердечника-магнитопровода статора с образованием общих зажимов в клеммной коробке обеспечивает при пуске и в работе возникновение синхронных синфазных вращающихся МДС образованных таким образом каждой данной симметричной трехфазной медной обмоткой каждого сердечника-магнитопровода статора.
Выполнение сердечников-магнитопроводов ротора с глубокими пазами прямоугольного, трапецеидального сечения или с двойной короткозамкнутой обмоткой (т.е. двухклеточными) при работе благодаря эффекту вытеснения тока, как известно, позволяет облегчить условия пуска этих электродвигателей вследствие того, что происходит вытеснение тока в верхнюю часть стержня. При этом, во-первых, уменьшается эффективная площадь (т.е. площадь, по которой течет электрический ток) поперечного сечения каждого продольного стержня и, таким образом, увеличивается его активное сопротивление, благодаря чему в соответствии с выражением (Вольдек А.И, Попов В.В. Электрические машины. Машины переменного тока: учебник для ВУЗов. - СПб.: Питер. 2008. - 350 с.)
мх
где Р - механическая мощность на валу;
2
2
m - число фаз (m=3);
2
I - фазный ток в короткозамкнутой обмотке ротора;
2
r - активное сопротивление фазы короткозамкнутой обмотки ротора;
s - скольжение,
увеличивается механическая мощность на валу, а значит и пусковой момент. А во-вторых, нижняя часть каждого стержня при этом освобождается от поля рассеяния, и его индуктивное сопротивление уменьшается по сравнению с активным и индуктивным сопротивлениями этого же стержня при равномерном распределении тока по его сечению, что также способствует повышению эффективности использования заявляемого синхронно-асинхронного электродвигателя.
Кроме того, в случае превышения статическим моментом сопротивления (моментом нагрузки) на валу развиваемого электромагнитного момента заявляемым синхронно-асинхронным электродвигателем, последний выйдет из синхронизма и будет работать, благодаря наличию короткозамкнутых обмоток типа «беличья клетка» в глубокопазных пазах каждого сердечника-магнитопровода ротора, в обычном штатном режиме как обычный асинхронный электродвигатель (при условии, что статический момент сопротивления (момент нагрузки) на валу не превышает максимальный (критический) электромагнитный момент механической асинхронной характеристики электродвигателя), что является дополнительным преимуществом заявляемого изобретения, в отличие от типового синхронного двигателя, выход которого из синхронизма (т.е. работа в асинхронном режиме) является крайне нежелательной и опасной вследствие того, что в обмотках его статора появляются дополнительные пульсирующие токи, которые вызывают быстрый перегрев двигателя.
Таким образом, данный синхронно-асинхронный электродвигатель способен работать как в асинхронном режиме с некоторым скольжением и соответствующими потерями скольжения, при этом его электромагнитный момент пропорционален квадрату питающего напряжения, так и в синхронном режиме нулевым скольжением, при этом его электромагнитный момент зависит от питающего напряжения линейно.
Набор наложенных друг на друга отдельных, одинаковых по форме и материалу, изолированных, кольцевых, коаксиальных пластин, образующих каждый сердечник-магнитопровод ротора, удерживается между собой при помощи расплавленного электропроводящего металла, образующего в каждом из глубокопазных пазов продольные стержни, которые замкнуты по их обоим торцам накоротко общими концевыми торцовыми замыкающими кольцами. Таким образом, продольные стержни каждой короткозамкнутой обмотки каждого сердечника-магнитопровода ротора играют роль шпилек, прочно удерживающих совместно с общими концевыми торцовыми замыкающими кольцами между собой каждый упомянутый образующий их набор пластин.
Наличие общих концевых торцовых замыкающих колец на каждом сердечнике-магнитопроводе ротора, отливаемых вместе с продольными стержнями и вентиляционными лопатками, позволяет также получить короткозамкнутую обмотку типа "беличья клетка". При этом данные торцовые замыкающие кольца помимо своей основной токопроводящей функции выполняют и другую задачу: механически удерживают в спрессованном состоянии пластины каждого сердечника-магнитопровода ротора и постоянные редкоземельные (например, неодимовые) магниты каждого сердечника-магнитопровода ротора от их смещения в торцевом направлении.
с
В частном случае на внешнюю поверхность каждого постоянного редкоземельного магнита, образующую меньшее основание трапецеидального пустот-паза по всей ее поверхности устанавливают тонкую немагнитную (алюминиевую) пластину. Известно, что чтобы неодимовый магнит лишился своих магнитных характеристик, необходимо воздействовать на него внешним магнитным полем с индукцией около 3-4 Тл, в то же время известно, что максимальная индукция в воздушном зазоре асинхронных двигателей равна 0.9-1.1 Тл. Если все же есть опасность размагничивания постоянных редкоземельных магнитов магнитным полем пусковых токов, которые как известно значительно превышают номинальный ток (например при использовании постоянных магнитов с небольшой коэрцитивной магнитной силой Н) симметричных трехфазных медных обмоток сердечников-магнитопроводов статора, то на поверхности данных магнитов устанавливают тонкую немагнитную (алюминиевую) пластину. В каждой этой пластине при пуске электродвигателя индуцируются в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея вихревые индукционные токи (токи Фуко), электромагнитное поле которых служит защитой (экраном) для постоянных редкоземельных магнитов от электромагнитного поля пусковых токов симметричных трехфазных медных обмоток сердечников-магнитопроводов статора.
Коэрцитивная магнитная сила Нс характеризует сопротивляемость магнита к размагничиванию. Это такое внешнее магнитное поле, под воздействием которого постоянный магнит, предварительно намагниченный до насыщения, полностью размагнитится.
Благодаря тому, что северный полюс каждого постоянного редкоземельного магнита каждого сердечника-магнитопровода ротора расположен напротив соседнего с ним северного полюса аналогичного магнита, и аналогичным образом расположены южные полюса, и все данные постоянные редкоземельные магниты расположены на одной прямой линии, в работе обеспечивается максимальный электромагнитный момент синхронно-асинхронного электродвигателя. Т.к. синхронно вращающиеся электромагнитные поля (МДС) симметричных трехфазных медных обмоток каждого сердечника-магнитопровода статора одновременно взаимодействуют через каждый воздушный зазор с магнитными полями каждых двух постоянных редкоземельных магнитов каждого соседнего с ним сердечника-магнитопровода ротора, что обеспечивает синхронность и синфазность каждого образующегося при этом электромагнитного момента, которые в результате суммируются, что и позволяет получить максимальную мощность электродвигателя.
Дополнительной способностью заявляемого синхронно-асинхронного электродвигателя является его возможность без применения дополнительных преобразователей электрического тока и напряжения и частоты работать при необходимости с меньшей мощностью: для этого достаточно от общих зажимов в клеммной коробке отсоединить одну или две симметричных трехфазных параллельно включенных медных обмоток сердечников-магнитопроводов статора. При этом уменьшится развиваемый электродвигателем электромагнитный момент, а частота вращения вала не изменится. Таким образом, появляется возможность использования заявляемого синхронно-асинхронного электродвигателя в регулируемом электроприводе, а область его применения расширяется.
Благодаря тому, что в каждом сердечнике-магнитопроводе ротора содержится всего по два постоянных редкоземельных магнита, общая площадь внешней поверхности которых более чем на порядок меньше общей внешней боковой площади поверхности данных сердечников-магнитопроводов ротора, в процессе разгона электродвигателя магнитный поток данных магнитов индуцирует в каждой симметричной трехфазной обмотке каждого сердечника-магнитопровода статора достаточно малую ЭДС. Под ее действием по каждым данным обмоткам и через источник переменного тока протекает достаточно малый переменный электрический ток. Электромагнитный поток каждого этого электрического тока, взаимодействуя через каждый воздушный зазор с магнитным полем постоянных редкоземельных магнитов, создает небольшой, поэтому электромагнитный момент, по своей природе аналогичный асинхронному моменту, но являющийся не движущим, а тормозным, который не оказывает существенного влияния на разгон электродвигателя и его переход из асинхронного режима работы в синхронный режим.
Благодаря тому, что каждые два широких пустот-паза каждого сердечника-магнитопровода ротора имеют форму равнобедренной трапеции, меньшее основание которой обращено наружу, обеспечивают надежное закрепление находящихся в них постоянных редкоземельных магнитов и немагнитных (алюминиевых) пластин (при их наличии) сужающимися боковыми сторонами каждого данного паза, что предотвращает смещение данных магнитов и пластин (при их наличии) от действующих на них в процессе работы электродвигателя центробежных сил инерции.
Таким образом, в каждом сердечнике-магнитопроводе короткозамкнутого ротора по всей его длине на внешней боковой стороне имеется, помимо множества глубокопазных пазов, два расположенных симметрично относительно его центра одинаковых по геометрическим размерам и форме широких паза в форме равнобедренной трапеции.
Заявляемое изобретение иллюстрируется: фиг. 1а - Синхронно-асинхронный электродвигатель (вид с торца); фиг. 1б - Синхронно-асинхронный электродвигатель (схематический вид); фиг. 2 - Пластина сердечника-магнитопровода статора; фиг. 3 - Схема соединений симметричных трехфазных медных обмоток статора; фиг. 4 - Пластина сердечника-магнитопровода ротора, фиг. 5 - Форма пазов короткозамкнутой обмотки ротора асинхронных трехфазных электродвигателей повышенной мощности.
Заявляемый синхронно-асинхронный электродвигатель (фиг. 1) содержит статорно-роторные пары: цилиндрической формы неявнополюсный статор (якорь), содержащий несколько, в частном случае три, цилиндрической формы коаксиальных сердечника-магнитопровода уменьшающегося диаметра (1) (фиг. 1), как элемента соответствующей статорно-роторной пары, каждый из которых набран путем шихтовки из листовой электротехнической стали толщиной 0.5 мм вплотную по оси из обычных одинаковых по форме и материалу штампованных, изолированных друг от друга изоляционной лаковой пленкой (не показано), окалиной и пр. кольцевых коаксиальных зубчатых по внутренней кромке пластин (2) (фиг. 2) с образованием многочисленных зубцов (3) и пазов между ними (4) при одинаковом числе пазов каждого из коаксиальных сердечников-магнитопроводов статора. Также статор содержит симметричную трехфазную медную обмотку (5) (фиг. 3), уложенную каждая (как единственная) в имеющиеся изолированные пазовой изоляцией (гильза или коробочка) (не показано) данные образованные пазы (4) каждого данного сердечника-магнитопровода (1) статора, представляющую собой традиционные три катушки (фазные обмотки А, В и С), электрически сдвинутые относительно друг друга на угол 120° как в обычной трехфазной асинхронной или синхронной электрической машине (электродвигателе или электрогенераторе). Причем все упомянутые фазные обмотки А, В и С каждого данного сердечника-магнитопровода (1) статора соединены в "звезду" (фиг. 3), а между собой эти "звезды" соединены параллельно пофазно с образованием общих зажимов C1, С2 и С3, которые выведены в обычную клеммную коробку (не показано). Таким образом, общее число симметричных трехфазных обмоток статора равно трем, т.е. по числу его сердечников-магнитопроводов (1).
А каждый из сердечников-магнитопроводов (1) статора торцом, имеющем выводы C1, С2 и С3 (фиг. 1б) проводников медной расположенной в его пазах (4) симметричной трехфазной медной обмотки (5) (внешний торец), сочленен с имеющимся опорным статорным кольцом (6) данного электродвигателя посредством шпилек или болтов (не показаны).
Т.к. число витков всех симметричных фазных медных обмоток А, В и С, уложенных в изолированных пазовой изоляцией (гильза или коробочка) (не показано) одинакового числа пазах (4) каждого коаксиального сердечника-магнитопровода уменьшающегося диаметра (1) статора одинаково между собой, то по мере уменьшения диаметра коаксиальных пластин (2) сердечников и, соответственно, геометрических размеров их пазов (4) и зубцов (3) уменьшен и диаметр медного провода каждой симметричной трехфазной медной обмотки (5).
с
Заявляемое изобретение также содержит и короткозамкнутый ротор (индуктор) статорно-роторных пар, который аналогично статору состоит из стольких же, в частном случае трех, коаксиально расположенных, уменьшающимся диаметром, установленных относительно друг друга с зазором (отстоянием) δ цилиндрической формы коаксиальных сердечников-магнитопроводов (7) (фиг. 1) ротора, как элемента соответствующей статорно-роторной пары, набранных каждый путем шихтовки вплотную по оси из отдельных одинаковых по форме и материалу тонких штампованных, изолированных друг от друга изоляционной лаковой пленкой (не показано), окалиной и пр. кольцевых коаксиальных соединенных (не показано) между собой пластин (8) (фиг. 4) с полузакрытыми глубокими пазами (9) с внешней стороны пластин, а также с двумя симметрично расположенными на внешней стороне пластин относительно центра пластины широкими пустотами-пазами (пустот-пазами) (10), одинаковыми по геометрическим размерам и форме, трапецеидальной равнобедренной формы. Глубина этих двух широких пустот-пазов (10) такая же, как и у глубокопазных пазов, большее основание трапецеидального пустот-паза обращено во внутрь сердечника-магнитопровода ротора и образовано также как и его боковые стороны, внешними кромками пластин, а меньшее его основание обращено на внешнюю поверхность сердечника-магнитопровода ротора и является открытым. В каждый данный образованный пустот-пазами (10) набора пластин (8) каждого сердечника-магнитопровода (7) канал трапецеидального поперечного сечения ротора по всей его длине плотно вставлен постоянный редкоземельный (например, неодимовый) магнит (11) (фиг. 1а). Таким образом, каждый данный сердечник-магнитопровод (7) ротора содержит два постоянных редкоземельных (например, неодимовых) магнита (11), причем полярность этих магнитов на боковой поверхности каждого данного сердечника-магнитопровода (7) ротора противоположна. При опасности размагничивания постоянных редкоземельных (например, неодимовых) магнитов (11) магнитным полем пусковых токов (например при использовании постоянных магнитов с небольшой коэрцитивной магнитной силой Н) симметричных трехфазных медных обмоток (5) сердечников-магнитопроводов статора (1) на внешней поверхности каждого данного постоянного редкоземельного (например, неодимового) магнита (11), образующей меньшее основание трапецеидального пустот-паза (10), по всей ее поверхности устанавливают тонкую сплошную немагнитную (алюминиевую) пластину (не показана).
/
При этом все сердечники-магнитопроводы (7) ротора сопряжены с имеющимся опорным роторным кольцом (12) электродвигателя таким образом, что середина по ширине всех постоянных редкоземельных магнитов находится на одной прямой диаметральной линии вала А-А электродвигателя, причем северный полюс каждого из них (сердечников) находится напротив соседнего северного, равно как и южный полюс каждого из них находится напротив соседнего южного.
В данных образованных глубокими пазами (9) набора пластин (8) каждых сердечников-магнитопроводов (7) ротора многочисленных полузакрытых каналах овального или иного (не является предметом притязаний) поперечного сечения залит расплавленный электропроводящий металл, например алюминий, также скрепляющий между собой пластины каждого сердечника-магнитопровода, в результате чего образованы! продольные стержни (не показано), которые в каждом из них (сердечников) традиционно замкнуты, по обоим торцам накоротко общими концевыми торцовыми замыкающими алюминиевыми (из такого же электропроводящего материала) кольцами (13) (фиг. 1б), отлитыми одновременно со стержнями, и в результате образована короткозамкнутая обмотка (14) ротора каждого его сердечника-магнитопровода (7). Эту конструкцию, как известно, называют "беличьей клеткой". При этом концевые торцовые замыкающие кольца (13) помимо своей основной токопроводящей функции выполняют и другую функцию: механически удерживают в спрессованном между собой состоянии пластины (8) каждого сердечника-магнитопровода (7) вращающегося ротора и постоянные его редкоземельные магниты (11) от смещения в торцевом направлении. В совокупности с заливными стержнями и кольцами (13) на данных замыкающих кольцах каждого сердечника-магнитопровода (7) ротора выполнены заодно путем отливки вентиляционные лопатки (не показано), выполняющие функцию вентилятора и охлаждения статора при работе машины.
При этом наименьший по диаметру коаксиальный сердечник-магнитопровод (7) ротора жестко насажен на центральный стержень (15) синхронно-асинхронного электродвигателя, а все сердечники-магнитопроводы (7) ротора большего диаметра прилегают (сопряжены) по внутренним торцам к опорному роторному кольцу (12) (фиг. 1б) и жестко сочленены с ним через обычные сквозные изолированные отверстия (не показано) посредством шпилек или болтов (не показаны).
В случаях двигателей большой мощности для снижения омических потерь вместо алюминия может применяться другой электропроводящий материал - медь, которая имеет меньшее удельное сопротивление по сравнению с алюминием. В этом данном частном случае в упомянутые глубокие пазы (9) сердечников-магнитопроводов (7) ротора плотно вставлены медные стержни, к которым по их торцам посредством сварки прикреплены торцовые медные замыкающие кольца.
В целях увеличения пускового момента синхронно-асинхронного электродвигателя пазы (9) короткозамкнутой обмотки (14) ротора выполняют, как изложено, узкими и глубокими (фиг. 5), как и в известных асинхронных электродвигателях классической конструкции (с одним статором и одним ротором), т.к. эффект вытеснения тока при работе в них возрастает с увеличением высоты в пазу самого стержня. Роторы с такими одинаковыми пазами выполнены глубокими, а именно глубокопазными. Форма такого глубокопазного паза короткозамкнутой обмотки (9) ротора имеет в различных частных случаях прямоугольный вид (фиг. 5а), трапецеидальный (фиг. 5б) или двойной паз (фиг. 5в и фиг. 5г). Также сердечник-магнитопровод (7) ротора в частном случае целесообразно выполнять с такой глубокопазной формой паза, который состоит из сдвоенных овалов меньшего и большего поперечного сечений с расположенной в нем двойной короткозамкнутой обмоткой (двойной "беличьей клеткой"). Каждая система продольных металлических стержней в таком сердечнике образует свою обмотку из одинакового с замыкающими кольцами (13) материала: верхние стержни (меньшего поперечного сечения), расположенные ближе к воздушному зазору (не показан), - пусковую, а нижние (большего сечения) - рабочую (не показано).
Эффект (известный) вытеснения тока в пусковой момент - поверхностный эффект или скин-эффект - заключается в том, что образуется физическое явление радиального вытеснения электрических зарядов с центра проводника на его периферию при увеличении частоты тока.
Сердечники-магнитопроводы (1) статора (якоря) и сердечники-магнитопроводы ротора (7) герметизируют от воздействия окружающей среды защитными разъемными крышками внешней (верхней) (16) опорного статорного кольца (6) и торцовой (17), плотно соединяя их с натягом между собой по ступенчатому профилю (как у двух половинок одной матрешки). При этом жестко сопряженные опорное статорное кольцо (6) и внешняя (верхняя) защитная разъемная крышка (16) технологически Могут быть отлиты в единый конструкционный элемент, образующий совместно с торцовой крышкой (17) корпус синхронно-асинхронного электродвигателя. Торцовая крышка (17) сопряжена подвижно с приводным валом (18) синхронно-асинхронного электродвигателя посредством подшипников скольжения (19), сопряженным в свою очередь с опорным роторным кольцом (12). При этом приводной вал (18), опорное роторное кольцо (12) и центральный стержень синхронно-асинхронного электродвигателя (15) технологически могут быть отлиты в единый конструкционный элемент.
Для снижения механических напряжений на подшипники скольжения (19) при большой длине электродвигателя аналогичные подшипники (20), но меньшего размера, также устанавливают на противоположной его стороне на оконечности центрального стержня (15), который в этом случае выполняют несколько большей длины, чем сердечники-магнитопроводы (7) ротора, но меньшего диаметра, чем сам стержень, а в опорном статорном кольце (6) при этом под эти подшипники предусматривают обычное посадочное гнездо (не показано). Предотвращение смещения крышек (16) и (17) относительно вала (18) в осевом направлении обеспечивают выступы (21) вала (18) и (22) крышки (17), а также шайба (23) и стопорное кольцо (24), установленное в проточку (25) вала (18) синхронно-асинхронного электродвигателя. Для надежного соединения упомянутых защитных крышек (16) и (17) между собой последние стянуты четырьмя болтами (не показано) через соответствующие отверстия (26) (фиг. 1а) в проушинах (27), которые являются монолитными и составляют с защитными крышками (16) и (17) единое целое.
Крепление синхронно-асинхронного электродвигателя к фундаменту произведено с помощью традиционных болтов через монтажные отверстия (28) в лапах (29), которые также являются монолитными и составляют с защитными крышками (16) и (17) единое целое.
Заявляемый синхронно-асинхронный электродвигатель используют следующим образом. Прикрепляют электродвигатель фундаменту с помощью традиционных четырех болтов через монтажные отверстия (28) в лапах (29). На общие зажимы C1, С2 и С3 параллельно соединенных симметричных трехфазных обмоток (5) каждого сердечника -магнитопровода (1) статора подают от сети переменного тока переменное трехфазное напряжение стандартной частоты 50 Гц. При этом каждой фазной обмоткой А, В и С создается электромагнитный поток, который изменяется с частотой подаваемого напряжения. Эти электромагнитные потоки сдвинуты относительно друг друга на 120°, как во времени, так и в пространстве. Результирующий электромагнитный поток оказывается при этом вращающимся. Этот вращающийся электромагнитный поток каждых симметричных фазный обмоток А, В и С каждого сердечника-магнитопровода (1) статора, пересекая через воздушный зазор (не показан) проводники (стержни) каждой соответствующей короткозамкнутой обмотки (14) каждого сердечника-магнитопровода (7) ротора, наводит в каждом из них в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея электродвижущую силу (ЭДС). А так как каждая обмотка (14) каждого сердечника-магнитопровода (7) ротора является замкнутой, то в каждой из них возникает переменный электрический ток, электромагнитное поле которого, в свою очередь, взаимодействуя с вызвавшим данный переменный электрический ток вращающимся электромагнитным полем фазных обмоток А, В и С сердечников-магнитопроводов (1) статора, создает электромагнитный момент двигателя, под воздействием которого ротор начинает разгоняться в сторону вращения электромагнитного поля симметричных трехфазных медных обмоток сердечников-магнитопроводов (1) статора до подсинхронной частоты вращения. Достигнув этой частоты вращения, отличающейся от синхронной частоты вращения электромагнитного поля симметричных трехфазных медных обмоток сердечников-магнитопроводов (1) статора на несколько (1-8)%, это вращающееся электромагнитное поле каждой симметричной трехфазной медной обмотки каждого сердечника-магнитопровода (1) статора сцепляется через каждый воздушный зазор с магнитными полями постоянных редкоземельных магнитов каждого сердечника-магнитопровода (7) ротора, в результате чего возникает синхронизирующий электромагнитный момент, под действием которого двигатель втягивается в синхронизм и ротор начинает вращаться синхронно с полем статора. При вращении приводного вала (18) с некоторой частотой вращения синхронно-асинхронный электродвигатель развивает механическую мощность, равную произведению развиваемого электромагнитного момента на эту угловую частоту вращения.