СИНХРОННЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С УДВОЕННОЙ ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ
SYNCHRONOUS REACTION MOTOR WITH DOUBLED ROTATION FREQUENCY

Изобретение относится к многофазным синхронным реактивным электродвигателям и может быть использовано для привода различных малонагруженных механизмов, работающих на высокой частоте вращения в течение длительного времени.
Известен управляемый каскадный электрический привод (см. патент №2402857, МПК H02K 17/34, опуб. 27.10.2010 г.), состоящий из двух электродвигателей, установленных в корпусе соосно, причем статор первого электродвигателя выполнен неподвижным, а статор второго выполнен подвижным и соединен с валом ротора первого электродвигателя через электромагнитную муфту.
Недостаток известного электрического привода заключается в сложности его конструкции и низком ресурсе эксплуатации из-за наличия скользящих электрических контактов, необходимых для подведения напряжения к подвижному статору.
Известен электропривод переменного тока (см. патент №2195068, МПК Н02Р 7/62, опуб. 20.12.2002 г.), содержащий электродвигатель с расположенными в пазах магнитопривода статора обмотками, обмотки статора объединены по три обмотки в три одинаково исполненные группы обмоток, обмотки одной группы расположены в одних и тех же пазах и составляют одну из фаз электродвигателя, при этом группы обмоток сдвинуты друг относительно друга на 120 эл. град., обмотки одной группы подключены через ключевые элементы к фазному напряжению трехфазного источника питания, а обмотки двух других групп через другие ключевые элементы подключены к линейному напряжению того же источника питания.
Недостатком данного электропривода является низкая надежность из-за использования блока транзисторных ключей, от которых зависит исправность работы электродвигателя. К тому же наличие блока ключей приводит к удорожанию установки.
Технически близким к заявленному электродвигателю является синхронный электродвигатель двойного питания (Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М.: Энергия, 1980. 696 с.), содержащий статор с трехфазной двухполюсной обмоткой и ротор, фиксированный на валу в полости статора, также содержащий трехфазную двухполюсную обмотку.
Недостатком данного электродвигателя является низкий ресурс эксплуатации. Снижение ресурса обусловлено возникающей электроэрозией скользящих электрических контактов в процессе эксплуатации двигателя. Также электродвигатель имеет высокую стоимость фазного ротора с обмоткой и блоком щеток с контактными кольцами.
Техническим результатом, достигаемым настоящим изобретением, является получение частоты вращения ротора электродвигателя, которая двукратно превышает частоту переменного тока питающей сети.
Результат достигается тем, что синхронный реактивный электродвигатель, содержащий статор с обмоткой и ротор, отличается тем, что обмотка статора выполнена в виде двух синусоидально распределенных n-фазных обмоток, одна из которых имеет четное число пар полюсов, вторая нечетное число пар полюсов, ближайшее к четному, ротор выполнен в виде двух частей, формирующих цилиндр, одна из которых выполнена в форме сектора с углом 235-245° и изготовлена из набора изолированных пластин из электротехнической стали, а другая часть изготовлена из немагнитного материала, обмотки статора параллельно соединены и подключены к n-фазной сети
Целью данного изобретения является повышение частоты вращения ротора электродвигателя благодаря суперпозиции двух вращающихся в противоположные стороны магнитных полей с четным и нечетным числом пар полюсов, без использования скользящих электрических контактов и электронных ключей.
На фиг. 1 схематически изображена конструкция синхронного реактивного электродвигателя с удвоенной частотой вращения, где: 1 - статор, 2 - две синусоидально распределенные трехфазные обмотки, 3 - сектор ротора, изготовленный из набора изолированных пластин из электротехнической стали, 4 - сектор ротора, изготовленный из немагнитного материала, 5 - неподвижный вал, 6 - щит, 7 - подшипник.
На фиг. 2 изображена электрическая схема соединения обмоток статора с двумя и тремя парами полюсов (2р=4 и 2р=6 соответственно).
На фиг. 3 изображены два вращающихся в противоположные стороны исходных магнитных поля статора с единичным значением амплитуды индукции, где: а - вращающееся магнитное поле с двумя парами полюсов, б - вращающееся магнитное поле с тремя парами полюсов.
На фиг. 4 изображено результирующее магнитное поле пятого порядка, полученное суперпозицией полей с двумя и тремя парами полюсов, где: 8-12 - области существования пучностей магнитного поля.
Синхронный реактивный электродвигатель работает следующим образом.
На статоре 1 электродвигателя укладываются две синусоидально распределенные n-фазные обмотки 2. Каждая фаза первой n-фазной обмотки состоит из четного числа пар катушек, а каждая фаза второй n-фазной обмотки состоит из нечетного числа пар катушек, ближайшего к четному. При параллельном соединении обмоток и подключении их к n-фазной сети обмотки создают противоположно вращающиеся магнитные поля с четным и нечетным числом пар полюсов соответственно.
В результате суперпозиции двух вращающихся в противоположные стороны магнитных полей образуется результирующее магнитное поле в виде стоячей магнитной волны с фиксированными по окружности статора узлами и пучностями, число которых равно сумме пар полюсов исходных вращающихся полей. Максимальное значение индукции магнитного поля сосредотачивается только в одной пучности с убыванием в соседних пучностях. Максимум индукции результирующего магнитного поля переходит из одной пучности в следующую пучность с инвертированием полярности и т.д. Таким образом, максимум индукции два раза обегает по окружности статора за один период синусоидального напряжения сети.
Ротор электродвигателя, для восприятия результирующего магнитного поля, изготавливается из двух частей: сектора 3, изготовленного из набора пластин из электротехнической стали, который имеет угол 235-245°, и сектора 4 из немагнитного материала, играющего роль противовеса. Ротор закрепляется через подшипники 7 на неподвижном валу 5, который закрепляется на щите 6. Разгон ротора и втягивание в синхронизм обеспечивается стартером. Данная конструкция позволяет сектору ротора 3, при втягивании в синхронизм, ориентироваться к пучности с максимальной индукцией результирующего магнитного поля и следовать за ней, также совершая два оборота за один период синусоидального напряжения сети и позволяя достичь частоты вращения ротора, в два раза превышающей частоту сети (при частоте сети 50 Гц ротор электродвигателя вращается с частотой вращения 6000 об/мин).
В частности, для 2р=4 и 2р=6 обмоток статора, соединенных согласно схеме, изображенной на Фиг. 2, при суперпозиции исходных вращающихся полей в таком угловом положении, как указано на Фиг. 3, максимальное значение магнитной индукции результирующего поля занимает область 8, имеет N-полярность и удвоенную амплитуду (Фиг. 4 а). При повороте поля с двумя парами полюсов против часовой стрелки и поля с тремя парами полюсов по часовой стрелке на одну десятую часть периода у результирующего поля максимальная магнитная индукция N-полярности убывает в области 8, возрастая до максимального значения в области 9 с S-полярностью (Фиг. 4 б), и сектор ротора 3 следует за максимумом индукции результирующего поля.
Так как сектор ротора набран из изолированных пластин, то вихревые токи при его перемагничивании сведены к минимуму.
При выпадении ротора из синхронизма ротор может полностью остановиться или медленно вращаться (несколько оборотов в секунду), но при этом магнитное поле статора остается почти целиком замкнутым через сектор 3 ротора и намагничивающий ток обмоток статора увеличивается незначительно, что не приводит к их перегреву.
Таким образом, благодаря суперпозиции двух вращающихся в противоположные стороны магнитных полей с четным и нечетным числом пар полюсов, образуется результирующее магнитное поле, у которого максимум индукции имеет частоту вращения, в два раза превышающую частоту сети. При этом отсутствие скользящих электрических контактов и электронных компонентов обеспечивает длительность непрерывной работы электродвигателя, которая ограничена ресурсом подшипников ротора и значительно упрощает и удешевляет конструкцию.
Для проверки возможности работы синхронного реактивного электродвигателя с удвоенной частотой вращения было изготовлено два пробных образца на основе статоров электродвигателей типа КД-50-У4, из которых были извлечены заводские обмотки. На одном статоре была уложена пара обмоток 2р=4 и 2р=6, а на втором статоре была уложена пара обмоток 2р=6 и 2р=8. Каждая обмотка в любой паре создавала магнитное поле индукцией 0,75 Тл. Индукция результирующих магнитных полей обоих статоров была равна 1,5 Тл. Результирующее магнитное поле статора с парой обмоток 2р=4 и 2р=6 имело пять узлов и пучностей, а результирующее магнитное поле статора с парой обмоток 2р=6 и 2р=8 имело семь узлов и пучностей. Обмотки в каждой паре соединялись параллельно и включались в трехфазную сеть с фазным напряжением 12 В. Ротор электродвигателей был изготовлен из обточенного до подходящего диаметра короткозамкнутого ротора большего размера, у которого при обточке был снят слой, занятый беличьей клеткой, а затем у обточенного ротора был сделан вырез 1/3 части окружности, так что малый воздушный зазор между статором и ротором имел только 2/3 части окружности ротора. Для балансировки ротора на его торцах были установлены одинаковые противовесы. Неподвижный вал ротора был закреплен в одном щите двигателя и ротор надевался на вал через подшипники качения. Разгон ротора до втягивания в синхронизм осуществлялся миниатюрным коллекторным двигателем и после втягивания ротора в синхронизм коллекторный двигатель механически отсоединялся и ротор синхронного двигателя вращался самостоятельно с частотой 6000 об/мин.