ГРАДИЕНТНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к области электротехники и может быть использовано в силовом электроприводе.
Уровень техники. Из уровня техники известен синхронный реактивный электродвигатель [патент РФ №2368993], имеющий в своем составе ротор и статор с многофазной обмоткой. Ротор выполняется из расположенных вдоль оси двигателя ферромагнитных пакетов с межпакетными промежутками, отделяющими пакеты один от другого. По крайней мере, в одном на полюсное деление промежутке между ферромагнитными пакетами, наиболее близко расположенными к продольной оси, размещен постоянный магнит, при этом ось намагничивания постоянного магнита совпадает с нормалью к поверхностям прилегающих к нему ферромагнитных пакетов. Размещение в межпакетных промежутках в окрестностях продольной оси постоянных магнитов предназначено для компенсации поперечного магнитного потока статора (и, как следствие, уменьшения проводимости по поперечной оси при сохранении проводимости по продольной оси на высоком уровне). При синусоидальном распределении магнитного потока максимум поперечного потока имеет место в сечении машины, совпадающем с продольной осью. Наибольшая эффективность достигается при размещении постоянных магнитов между ферромагнитными пакетами вблизи продольной оси ротора в районе наибольшей концентрации поперечного магнитного потока.
К недостаткам такого решения можно отнести использование постоянных магнитов в конструкции ротора, что увеличивает себестоимость двигателя и снижает срок эксплуатации по причине непрерывного старения магнитов и ухудшения их параметров. Конструкция ротора подобной машины характеризуется сложностью, что приводит к удорожанию технологии изготовления и снижению надежности в аварийных режимах.
Также из уровня техники известен синхронный реактивный электродвигатель обращенного исполнения [патент РФ №2016469], который имеет статор с парой катушек на магнитопроводах, имеющих наконечники которые попарно соединяются с магнитопроводами разных катушек. Статор размещается в полости зубчатого ротора. Полюса магнитопроводов разных катушек направлены встречно параллельно и размещены с чередованием по окружности радиального рабочего зазора четырехзубцового ротора с чередованием угловой протяженности зубцов 1:2 и впадин между зубцами 2:1 для повышения использования активного объема.
К недостаткам подобного решения можно отнести усложнение обращенной конструкции двигателя, что ведет к снижению его надежности и ресурса. Также недостатком является наличие малого числа включенных встречно катушек обмотки статора, что неизбежно ведет к ухудшению виброакустической характеристики двигателя, снижению плавности вращения ротора и увеличению уровня вибраций.
Данное техническое решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом.
Раскрытие полезной модели. Из теории электрических машин известны различные варианты индукторных двигателей, в том числе синхронные реактивные двигатели с безобмоточным ротором. Их область применения обусловлена потребностью в источнике постоянного тока для питания обмотки возбуждения классического синхронного двигателя, что делает этот двигатель весьма неэкономичным при средних мощностях, и требует наличия источника постоянного тока. Поэтому при малых и средних мощностях синхронные двигатели с возбуждением постоянным током не находят применения. В этом случае в устройствах автоматики и силового электропривода широко используют реактивные синхронные двигатели.
Ротор реактивного синхронного двигателя имеет явновыраженные полюсы. При очень малых мощностях ротор делают цилиндрическим из алюминия, в который при отливке закладываются стержни из мягкой стали, выполняющие функцию явновыраженных полюсов. В мощных реактивных двигателях (другое название - двигатели с переменным магнитным сопротивлением), ротор выполняется зубчатым с полыми пазами.
В реактивных синхронных двигателях вращающий момент создается вследствие стремления ротора ориентироваться в магнитном поле таким образом, чтобы магнитное сопротивление для этого поля было наименьшим. Поэтому ротор будет всегда занимать такое положение в пространстве, при котором магнитные линии вращающегося магнитного поля статора замкнутся через сталь ротора, так что ротор будет вращаться вместе с магнитным полем статора. Иными словами, намагниченный ротор стремится стать по направлению потока вращающегося поля. Ротор мощных реактивных двигателей выполнен из стали в виде цилиндра, на поверхности которого имеются зубцы (выступы).
Вращающий момент в таком двигателе создается в результате того, что при увеличении магнитного потока магнитные линии, стремясь замкнуться по пути с наименьшим магнитным сопротивлением, притягивают зубец ротора к полюсу. При уменьшении магнитного потока ротор по инерции подвигается далее и при последующем возрастании магнитного потока притягивается следующий зубец. Таким образом, вращающий момент синхронного двигателя не остается постоянным и направленным в одну сторону, а непрерывно пульсирует, что является причиной неравномерного, толчкообразного хода двигателя.
Число зубцов ротора соответствует числу полюсов, при этом зубцы ротора определяют скорость его вращения. За один период изменения тока под полюсом проходит два зубца, что приводит к зависимости оборотов в функции от соотношения числа зубцов ротора.
Пульсации момента являются одним из главных особенностей и недостатков синхронных реактивных двигателей. Пути их уменьшения лежат в механизме электромагнитного взаимодействия сердечников статора и ротора. Исследование природы электромагнитного момента и пондеромоторных сил, порождающих его, принято проводить с использованием численных методов моделирования магнитного поля и специальных расчетных моделей.
В первом приближении, для оценки действия пондеромоторных сил можно использовать формулу силы Лоренца, действующей на ферромагнитные тела в магнитном поле: пондеромоторная сила действует на тело, втягивая его по направлению максимальной напряженности поля, прямо пропорционально градиенту квадрата индукции.
Данная зависимость является квадратичной, это означает, что с некоторых значений напряженности поля даже небольшое увеличение его будет приводить к весьма большому росту пондеромоторной силы, которая будет воздействовать на ферромагнитное тело.
Опытным путем было установлено, что среди многофазных обмоток машин переменного тока максимальный градиент поля дает концентрическая вложенная обмотка (фигура 1), которая является простой и наиболее распространенной среди электрических асинхронных двигателей. В ходе опытных работ на трансформаторе с вращающимся полем, являющимся аналогом асинхронной машины с заторможенным ротором, было установлено, что магнитный поток каждого полюса такой обмотки концентрируется в отдельно взятом зубце, с резким градиентом перехода с зубца на зубец. Также в ходе работ было обнаружено, что на заторможенный ротор трансформатора действует значительный вращающий момент. В полном соответствии с формулой силы Лоренца, наблюдалась нелинейная зависимость величины силы от значения амплитуды индукции в зубце.
Осциллограмма, приведенная на фигуре 2, была снята с катушки, установленной на отдельно взятом зубце. Из нее следует, что концентрация магнитного поля в зубце, и создание градиента поля между зубцами носит локальный характер. Это означает, что сила, действующая на зубец, возникает на протяжении только меньшей части периода питающей сети. То есть эффективность такого решения как синхронного реактивного двигателя будет ограничена, а в случае использования концентрических обмоток с большой степенью вложенности катушек соотношение "эффективных" зубцов к их общему числу на роторе будет невелико.
Подобный двигатель, таким образом, можно назвать градиентным по принципу создания градиента магнитного поля, лежащего в его основе. Основная задача его оптимизации формулируется следующим образом: необходимо создать максимальный градиент магнитного поля, действующий на все зубцы ротора одновременно. В этом случае будет обеспечен максимальный вращающий момент - и наилучшие массогабаритные характеристики. Эту задачу реализует данное решение.
От синхронных реактивных двигателей, известных из теории электрических машин, его отличает использование классической распределенной многофазной обмотки, ротор с большим количеством зубцов и отсутствие зависимости эффекта залипания ротора от соотношения числа зубцов ротора и статора. В общем случае, наилучшей конфигурацией является равенство зубцов статора и ротора.
Как известно, магнитное поле является дипольным и имеет два полюса: северный и южный. В отличие от других полей - одноименные полюса магнитного поля имеют силовое действие друг на друга, отталкиваясь. Данное явление и используется в данном решении: чтобы увеличить градиент магнитного поля, и реализовать его в каждом зубце - необходимо использовать разнополярное (встречное) включение входящих в группу вложенных друг в друга катушек обмотки статора.
Для этого изменяется полярность включения каждой второй вложенной катушки на противоположную полярность. Как известно, концентрические обмотки могут иметь разную степень вложенности катушек, от 2 до 6 катушек в группе - в общем случае, полярность включения катушек необходимо чередовать через одну катушку в группе. Наглядно это изображено на фигуре 3, где стрелками наглядно изображено изменение полярности включения катушек по сравнению с фигурой 1.
Проведенное моделирование в специализированном программном пакете для электромагнитных расчетов показало изменение картины распределения поля, и концентрацию магнитного поля в каждом зубце магнитопровода статора. Возникающий при этом градиент магнитного поля максимален - чем достигается максимальный двигательный момент.
Заявляемая полезная модель является новым решением, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:
- для создания двигательного момента реализуется максимальный градиент индукции на всех зубцах ротора одновременно, что дает наибольший двигательный момент;
- вложенные одна в другую катушки в группах концентрической обмотки соединяются встречно-последовательно, что обеспечивает наибольший вращающий момент;
- отсутствует режим "залипания" ротора, поскольку создаваемый градиент поля создается особой обмоткой статора, а не за счет конструкции ротора.
Таким образом, совокупность существенных признаков решения приводит к новому техническому результату - значительному повышению эксплуатационных качеств, а именно: достижение максимального вращающего момента, улучшения массогабаритных показателей.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена схема взаимно-согласного включения катушек в группах концентрической обмотки с числом полюсов, равным шести. На фигуре 2 изображена осциллограмма ЭДС наводимой в катушке, установленной на зубце магнитопровода. На фигуре 3 изображена схема взаимно-встречного включения катушек в группах концентрической многофазной обмотки с числом полюсов, равным шести.