Синхронный электродвигатель
SYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR

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.
введена
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,  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
S
где магнитная постоянная;  – 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
k
f
k
w, w
Здесь Λ – магнитная проводимость между ротором и -м магнитопроводом; – числа витков фаз обмотки статора и обмотки возбуждения.
Если
то
Была рассчитана моментная характеристика при следующих значения параметров:
Гн;
m
k
Здесь Λ – амплитуда переменных составляющих магнитных проводимостей Λ.
Средний момент электродвигателя определяется выражением
М
0
Без обмотки возбуждения момент имеет постоянное значение  = 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.
М
М
0
ср
Момент состоит из двух компонент – из постоянного реактивного момента  = 75 Н∙м и переменного активного момента, равного нулю в отдельных точках, когда ток возбуждения равен нулю. Показан средний момент  = 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.