СИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С МАГНИТНОЙ РЕДУКЦИЕЙ
SYNCHRONOUS MOTOR WITH MAGNETIC REDUCTION

Изобретение относится к электрическим машинам, а конкретно к синхронным двигателям с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в качестве компактного агрегата "двигатель-редуктор" в механических системах с большим ресурсом работы при ударных нагрузках, например, в качестве мотора-колеса экологически чистых автомобилей.
Известен синхронный двигатель с магнитной редукцией, содержащий корпус, вал, зубчатый статор с трехфазной обмоткой и зубчатый ротор (патент №2076433, Н02К 19/06, опубл. 2003.07.10, Бюл. №19) - [1].
Недостатком данного двигателя являются низкие массогабаритные показатели, поскольку взаимодействие между статором и ротором происходит на одной цилиндрической поверхности в рабочем зазоре.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является синхронный электродвигатель, имеющий корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, магнитопровод ротора с зубцами, вал, чередующиеся коаксиальные полые цилиндры ротора и статора, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов, расположенных вдоль оси вращения, причем цилиндры ротора механически связаны с магнитопроводом ротора, а цилиндры статора - с корпусом, при этом зубцы и ферромагнитные элементы цилиндров статора, а также зубцы магнитопровода и ферромагнитные элементы цилиндров ротора имеют свои одинаковые угловые положения (патент №2321140, Н02К 19/06, Н02К 19/00, опубл. 27.03.2008, Бюл. №9) - [2].
Недостатком данного двигателя являются низкие энергетические показатели, связанные с большими потерями энергии в обмотке статора. Она должна создавать значительную магнитодвижущую силу, достаточную для преодоления магнитным потоком многослойной магнитной системы. Далее по принципу действия данный электродвигатель является реактивным, и обмотка статора должна создавать как продольную, так и поперечную составляющие магнитного потока.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, - снижение энергопотребления электродвигателя, т.е. снижение мощности потерь при заданных габаритах двигателя и большом выходном моменте.
Технический результат достигается тем, что в синхронный электродвигатель, имеющий корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, вал, чередующиеся коаксиальные полые цилиндры ротора и статора, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов, расположенных вдоль оси вращения, причем цилиндры ротора механически связаны с ротором, а цилиндры статора - с корпусом, при этом зубцы и ферромагнитные элементы цилиндров статора, а также зубцы магнитопровода и ферромагнитные элементы цилиндров ротора имеют свои одинаковые угловые положения, введены второй пакет статора в виде полого цилиндра с зубцами на его внутренней поверхности, расположенный снаружи от полых цилиндров, вал с ротором быстрого вращения, содержащим высококоэрцитивные постоянные магниты в виде прямоугольных параллелепипедов, расположенные радиально, намагниченные тангенциально и встречно, клинообразные полюсные наконечники, расположенным между полыми цилиндрами и пакетом статора с многофазной обмоткой, имеющим обращенную конструкцию. Сущность заявленного изобретения поясняется на Фиг.1-3, где
Фиг.1 - поперечное сечение синхронного электродвигателя;
Фиг.2 - продольное сечение синхронного электродвигателя;
Фиг.3 - волна магнитной индукции и развертка полых цилиндров.
Здесь 1 - корпус, 2 - пакет статора, 3 - трехфазная обмотка, 4 - наружный пакет, 5 - полые цилиндры статора, 6 - полые цилиндры ротора, 7 - полюсные наконечники, 8 - постоянные магниты, 9, 10 - немагнитные диски, 11 - подшипники вала быстрого вращения, 12 - вал быстрого вращения, 13 - подшипники вала медленного вращения, 14 - вал медленного вращения.
Синхронный электродвигатель имеет корпус 1, внутренний пакет статора 2 с многофазной обмоткой 3, наружный пакет 4, полые цилиндры статора 5, ротор медленного вращения с полыми цилиндрами 6, подшипниками 13 и валом 14, ротор быстрого вращения с прямоугольными высококоэрцитивными постоянными магнитами 8 (например, самарий-кобальтовыми или из сплава ниодим-железо-бор), намагниченными тангенциально, и клинообразные полюсные наконечники 7 с выпуклыми профилированными поверхностями, обращенными к внутреннему и наружному рабочим зазорам, подшипники 11 и вал быстрого вращения 12. Полые цилиндры ротора 6 и полюсные наконечники 7 с постоянными магнитами 8 крепятся немагнитными дисками 9, 10 к валу медленного 14 и быстрого вращения 12 соответственно.
Кольцевой шихтованный магнитопровод 4 имеет равномерно расположенные зубцы, обращенные к рабочему зазору. Полые цилиндры 5 и 6 имеют чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, параллельные оси вращения. Угловые размеры всех зубцов и ферромагнитных элементов полых цилиндров одинаковые. Магнитные элементы полых цилиндров, связанных со статором, имеют угловое положение, совпадающее с угловым положением зубцов магнитопровода статора. Количество ферромагнитных элементов полых цилиндров, связанных со статором и с ротором медленного вращения, отличаются в пределах одного полюсного деления ротора быстрого вращения на единицу.
Синхронный электродвигатель работает следующим образом. На многофазную обмотку 3 статора подается многофазная система напряжений. Возникает вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с магнитными потоками, выходящими из клинообразных полюсных наконечников 7 во внутренний воздушный зазор. Ротор быстрого вращения вращается с угловой частотой
где ω - угловая частота переменных напряжений; p - число пар полюсов ротора быстрого вращения (здесь p=4). Магнитные потоки, выходящие из клинообразных полюсных наконечников 7 в наружный воздушный зазор, разделяются на большое число струек потока, которые многократно изгибаются и создают большой момент на выходном валу 14.
Постоянные магниты 8 ротора быстрого вращения и полюсные наконечники 7 создают в рабочих зазорах синусоидально распределенную магнитную индукцию. Максимальное по модулю значение магнитной индукции достигается посередине полюсных наконечников. В рабочих зазорах напротив середин постоянных магнитов радиальная составляющая магнитной индукции равна нулю.
1
При вращении ротора быстрого вращения со скоростью ω волна магнитной индукции вращается с той же угловой скоростью. При этом полые цилиндры, связанные с ротором медленного вращения, при отсутствии момента нагрузки будут занимать положение, при котором в зоне максимума модуля магнитной индукции ферромагнитные элементы полых цилиндров 6 занимают угловое положение, совпадающее с угловым положением цилиндров 5 и зубцов на наружном пакете 4. В зоне нейтралей ферромагнитные элементы 6 расположены напротив немагнитных элементов полых цилиндров 5 и пазов пакета 4. При повороте ротора быстрого вращения на одно полюсное деление ротор медленного вращения повернется на одно зубцовое деление.
На Фиг.3 показана волна магнитной индукции B(β) и развертка втулок. Зубцы пакета 4 и ферромагнитные элементы полого цилиндра 5 неподвижны. В зоне максимума амплитуды магнитной индукции все ферромагнитные элементы и зубцы расположены друг против друга.
В зонах нейтралей, соответствующих серединам магнитов 8, ферромагнитные элементы полых цилиндров 6, связанных с ротором медленного вращения, расположены напротив немагнитных элементов цилиндра 5 и напротив пазов на пакете 4. Когда ротор быстрого вращения повернется на одно полюсное деление, полюсы N и S поменяются местами, а полые цилиндры 6 повернутся на один ферромагнитный элемент (на зубцовое деление). На Фиг.3 показан случай, когда передаточное отношение редуктора равно 7, т.е. ротор медленного вращения вращается со скоростью
2
1
ω=ω/7.
Угловая скорость вала 14 и выходной момент определяются выражениями
p
р
где i - коэффициент магнитной редукции, z - количество ферромагнитных элементов полого цилиндра ротора.
Угловая скорость двигателя на Фиг.1, 2 при частоте питания ƒ=50 Гц будет равна
Момент синхронного двигателя М определяется формулой
f
f
d
q
d
q
где L - взаимная индуктивность между обмоткой возбуждения (или обмоткой, эквивалентной постоянному магниту) и соосной продольной фазой статора; i - ток возбуждения или ток обмотки, эквивалентной постоянному магниту; i, i - токи продольной и поперечной фаз обмотки статора; L, L - индуктивности этих фаз.
d
q
d
q
В синхронном реактивном двигателе (прототип) имеется только второе слагаемое в формуле момента. Пусть p=1, L=2 у.е., L=1 у.е., i=1 у.е., i=1 у.е., r=1 у.е. (у.е. - условные единицы). Тогда реактивный момент и мощность потерь имеют значения
М=1(2-1)1·1=1 у.е.,
Синхронный двигатель с электромагнитным возбуждением имеет момент и мощность потерь:
M=1·2·1·1=2 у.е.,
f
f
d
q
f
При L=2 у.е., i=1 у.е., i=0 у.е., i=1 у.е., r=1 у.е.
В предлагаемом двигателе с возбуждением от постоянных магнитов можно положить при тех же величинах
M=2 у.е.,
f
f
5
c
d
Произведение L i зависит от МДС обмотки возбуждения или от постоянного магнита. Высококоэрцитивные постоянные магниты (например, SmCo) имеют H=500 А/мм или в точке максимума энергии H=250 А/мм.
2
з.м.
При плотности тока j=4 А/мм и коэффициенте заполнения медью k=0,4 такой постоянный магнит соответствует обмотке с толщиной
При меньшей толщине обмотки момент при переходе к постоянным магнитам возрастает в большой степени при одновременном снижении мощности потерь.
Таким образом, введением ротора быстрого вращения и дополнительного статора при обращенной конструкции машины был получен двигатель с большим моментом и малой мощностью потерь.