СИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С АНИЗОТРОПНОЙ МАГНИТНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ РОТОРА
SYNCHRONOUS ELECTRIC MACHINE WITH ANISOTROPIC MAGNETIC CONDUCTIVITY OF ROTOR

Предложение относится к реактивным синхронным электрическим машинам и может быть использовано в качестве синхронного электрического генератора либо синхронного электрического двигателя. Характерной особенностью предложения является возможность изготовления ротора синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора с поперечной шихтовкой магнитопровода ротора с любым необходимым числом пар полюсов.
Известна конструкция классической синхронной электрической машины [Вольдек А.И., Электрические машины: Учебник для вузов, Ленинград, Энергоатомиздат, 1978, С. 619], содержащая статор с трехфазной электрической обмоткой статора, ротор с электрической обмоткой возбуждения и контактными кольцами, щеточный узел, предназначенный для коммутации напряжения к обмотке возбуждения. Основным недостатком этой конструкции является наличие скользящего электрического контакта в виде контактных колец и щеточного узла.
Известна усовершенствованная конструкция синхронной электрической машины, выполненной с постоянными магнитами [Хрущев В.В., Электрические машины систем автоматики: Учебник для вузов, Ленинград, Энергоатомиздат, 1985, С. 84], содержащая статор с трехфазной электрической обмоткой статора и ротор, выполненный с использованием постоянных магнитов. Недостатком второй конструкции является использование дорогостоящих материалов и сложной конструкции ротора, а так же невозможность снять возбуждение электрической машины в аварийных режимах работы.
Известна конструкция синхронной реактивной машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора [патент №2541513, класс Н02К 19/20, Н02К 1/20, авторы: Гельвер Ф.А., Самосейко В.Ф., Лазаревский Н.А., Хомяк В.А., Гагаринов И.В., Синхронная машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора], содержащая статор с магнитопроводом и статорными электрическими обмотками, подшипниковые щиты и ротор, выполненный цилиндрическим, набранным вдоль из согнутых листов ферромагнитного материала. Достоинством предложенной конструкции по сравнению с другими известными конструкциями роторов реактивных электрических машин является увеличение разницы между магнитными проводимостями по продольной и по перечной осям ротора и как следствие увеличение величины электромагнитного момента и эффективности работы машины. К достоинствам известной конструкции электрической машины может быть отнесено и то, что она может быть изготовлена практически с любым числом пар полюсов, которое необходимо. Недостатками известного устройства являются низкая технологичность и большая трудоемкость при изготовлении конструкции ротора, необходимость компаундирования и придания механической прочности конструкции ротора. К недостаткам известной конструкции так же может быть отнесено малое значение величины пускового момента.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство синхронной электрической машины [патент US 20060284512 A1, FLUX BARRIER TYPE SYNCHRONOUS RELUCTANCE MOTOR AND ROTOR THEREOF, МПК H02K 19/20, H02K 1/06, H02K 1/22, 21.12.2006], содержащее статор с электрической обмоткой статора и ротор, который выполнен шихтованным поперек оси вала машины. Причем ротор электрической машины выполнен наборным поперек из отдельных листов ферромагнитного материала дисковой формы, которые содержат вырезы. Форма вырезов организует явно выраженные полюса на роторе, число которых должно соответствовать числу полюсов, организованных на статоре. Функциональное назначение вырезов заключается в организации пути для замыкании линий магнитного поля в магнитопроводе ротора электрической машины в строго определенном направлении. Листы ротора стянуты между собой шпильками, проходящими вдоль вала электрической машины сквозь отверстия в листах ротора. Технический результат такой конструкции обеспечивает работу синхронной машины без обмотки возбуждения на роторе и без использования активных дорогостоящих материалов (постоянных магнитов). Достоинством такой конструкции является высокая технологичность и простота изготовления ротора. Недостатком такого устройства является невозможность изготовления такой конструкции ротора электрической машины с большим числом пар полюсов из-за низкой механической прочности. К недостаткам известного предложения относится и то, что в каждом из листов ротора имеются соединительные "мостики", выполненные из материала самих листов - электротехнической стали, расположенные между вырезами которые значительно снижают разницу между магнитными проводимостями по продольной и по перечной осям ротора, и как следствие вызывают снижение величины электромагнитного момента.
Предлагаемая конструкция синхронной электрической машины позволяет изготовить реактивную электрическую машину с анизотропной магнитной проводимостью ротора выполненной по технологии поперечной шихтовки магнитопровода ротора с любым числом пар полюсов, упростить конструкцию, улучшить технологичность изготовления, повысить эффективность работы. К достоинствам предлагаемой синхронной электрической машины может быть отнесено и возможность изготовления такой электрической машины обращенной с вращающимся внешним ротором. Еще одним из достоинств предложенной конструкции является увеличение величины пускового момента за счет реализации пусковой (демпферной) обмотки.
Поставленная задача решается благодаря тому, что синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора содержащая статор с магнитопроводом и статорными электрическими обмотками, подшипниковые щиты и ротор, выполненный шихтованным поперек оси вала машины и набранным из листов ферромагнитного материала которые содержат вырезы, формы вырезов в листах ферромагнитного материала организуют путь для замыкания линии магнитного поля, листы магнитопровода ротора стянуты между собой шпильками и двумя шайбами, расположенными на краях активной части ротора, диаметр шайб равен диаметру активной части ротора, причем все шпильки расположены параллельно симметрично относительно оси ротора и проходят через все листы ферромагнитного материала и шайбы и стягивают этот пакет с помощью гаек, в конструкции синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора предусмотрены следующие отличия: каждый из полюсов ротора конструктивно выполнен пакетом листов шихтованного ферромагнитного материала отдельно от других полюсов ротора с воздушным зазором между полюсами, шпильки выполнены из немагнитного материала и проходят сквозь вырезы каждого из полюсов в количестве достаточном для их надежного крепления к шайбам, а шайбы выполнены из немагнитного материала, вал ротора выполнен наборным из двух частей, каждая из которых крепиться к своей шайбе.
Кроме того, синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора может быть выполнена, так что каждая из пластин ферромагнитного материала и каждый из пакетов полюса ротора со стороны воздушного зазора электрической машины содержит зубья магнитопровода полюса ротора, выполненные заодно из того же ферромагнитного материала, количество которых равно количеству вырезов в листах ферромагнитного материала плюс один и все умноженному на два и расположенных продолжениями, в сторону воздушного зазора между ротором и магнитопроводом статора, организующими пути для замыкания линии магнитного поля.
Кроме того, синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора может быть выполнена, так что в вырезах листов ферромагнитного материала содержаться выемки для расположения шпилек, причем выемки в вырезах выполнены, так что плотно враспор осуществляют крепление полюсов ротора к шайбам посредствам шпилек.
Кроме того, синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора может быть выполнена, так что она конструктивно содержит токопроводящие шпильки и шайбы механически и электрически соединенные между собой, причем токопроводящие шпильки проходят сквозь вырезы пакетов полюсов ротора расположенных ближе к внешней части ротора.
Кроме того, синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора может быть выполнена, так что вырезы пакетов полюсов ротора залиты немагнитным токопроводящим материалом электрически соединенным с токопроводящими шайбами.
Кроме того, синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора может быть выполнена, обращенной с внешним ротором и внутренним магнитопроводом статора.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На Фиг. 1 изображена конструкция синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора.
На Фиг. 2 изображена подробная конструкция ротора синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора.
На Фиг. 3 изображена сборка пакета одного полюса ротора.
На Фиг. 4 изображен поперечный разрез ротора синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора.
На Фиг. 5 изображена сборка первого варианта конструкции пакета полюса ротора синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора.
На Фиг. 6 изображена сборка второго варианта конструкции пакета полюса ротора синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора.
На Фиг. 7 изображена сборка третьего варианта конструкции пакета полюса ротора синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора.
На Фиг. 8 изображена сборка четвертого варианта конструкции пакета полюса ротора синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора.
На Фиг. 9 изображена сборка пятого варианта конструкции пакета полюса ротора синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора.
На Фиг. 10 изображена конструкция синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора выполненной обращенной.
На Фиг. 11 изображен вариант использования предложенной синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора в качестве движителя подводной лодки.
Синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора, конструкция, которой представлена на Фиг. 1 содержит статор 1 с магнитопроводом 2 и статорными электрическими обмотками 3, подшипниковые щиты 4-1, 4-2 и ротор 5. Ротор 5 (Фиг. 2) выполнен шихтованным поперек оси вала 6-1, 6-2 машины, набранным из листов 7-1÷7-n ферромагнитного материала которые содержат вырезы 8-1÷8-m (Фиг. 3). Формы вырезов 8-1÷8-m в листах 7-1÷7-n ферромагнитного материала организуют путь для замыкания линии магнитного поля (Фиг. 3). Листы 7-1÷7-n магнитопровода ротора 5 стянуты между собой шпильками 9-1÷9-k и двумя шайбами 10-1, 10-2, расположенными на краях активной части ротора 5, диаметр шайб 10-1, 10-2 равен диаметру активной части ротора 5 (Фиг. 2). Все шпильки 9-1÷9-k расположены параллельно симметрично относительно оси ротора 5 и проходят через все листы 7-1÷7-n ферромагнитного материала и шайбы 10-1, 10-2 и стягивают этот пакет с помощью гаек 11-1÷11-(k⋅2) (Фиг. 2). Каждый из полюсов 12-1÷12-f ротора 5 конструктивно выполнен пакетом листов 7-1÷7-n шихтованного ферромагнитного материала отдельно от других полюсов 12-1÷12-f ротора 5 с воздушным зазором 13-1÷13-f между полюсами 12-1÷12-f (Фиг. 4). Шпильки 9-1÷9-k выполнены из немагнитного материала и проходят сквозь вырезы 8-1÷8-m каждого из полюсов 12-1÷12-f в количестве достаточном для их надежного крепления к шайбам 10-1, 10-2 (Фиг. 5). Шайбы 10-1, 10-2 выполнены из немагнитного материала, вал 6-1, 6-2 ротора 5 выполнен наборным из двух частей, каждая из которых крепиться к своей шайбе 10-1, 10-2 (Фиг. 2).
Синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора, конструкция пакета полюса 12-1 (12-2÷12-f) которой представлена на Фиг. 6 содержит листы 7-1 (7-2÷7-n) ферромагнитного материала. Причем каждая из пластин 7-1 (7-2÷7-n) ферромагнитного материала и каждый из пакетов полюса 12-1÷12-f ротора 5 со стороны воздушного зазора электрической машины содержит зубья 14-1÷14-(m+1) магнитопровода полюса 12-1 (12-2÷12-f) ротора 5, выполненные заодно из того же ферромагнитного материала. Количество зубьев 14-1÷14-(m+1)⋅2 равно количеству вырезов 8-1÷8-m в листах 7-1 (7-2÷7-n) ферромагнитного материала плюс один и все умноженному на два и расположенных продолжениями, в сторону воздушного зазора между ротором 5 и магнитопроводом статора 2, организующими пути для замыкания линии магнитного поля.
Синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора, конструкция пакета полюса 12-1 (12-2÷12-f) которой представлена на Фиг. 7 содержит листы 7-1 (7-2÷7-n) ферромагнитного материала. Причем в вырезах 8-1, 8-m листов 7-1 (7-2÷7-n) ферромагнитного материала содержаться выемки 15-1÷15-z для расположения шпилек 9-1÷9-k, причем выемки 15-1÷15-z в вырезах 8-1, 8-m выполнены, так что плотно враспор осуществляют крепление полюсов 12-1÷12-f ротора 5 к шайбам 10-1, 10-2 посредствам шпилек 9-1÷9-k.
Синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора, конструкция пакета полюса 12-1 (12-2÷12-f) которой представлена на Фиг. 8 содержит токопроводящие шпильки 9-1÷9-k и шайбы 10-1, 10-2 механически и электрически соединенные между собой, причем токопроводящие шпильки 9-1÷9-k проходят сквозь вырезы 8-1÷8-m пакетов полюсов 12-1÷12-f ротора 5 расположенных ближе к внешней части ротора 5.
Синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора, конструкция пакета полюса 12-1 (12-2÷12-f) которой представлена на Фиг. 9 содержит вырезы 8-1÷8-m пакетов полюсов 12-1÷12-f ротора 5 залиты немагнитным токопроводящим материалом 16 электрически соединенным с токопроводящими шайбами 10-1, 10-2.
Синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора, конструкция которой представлена на Фиг. 10 выполнена обращенной с внешним ротором 5 и внутренним магнитопроводом 2 статора 1.
Синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора работает следующим образом.
Статор 1 предлагаемой электрической машины выполнен так же, как и в обычной электрической машине переменного тока (Фиг. 1). Статорная обмотка 3 может быть выполнена m - фазной, при этом оси катушек сдвинуты в пространстве на углы 360°/m относительно друг друга в поперечном разрезе машины и на статоре 1 содержится требуемое количество пар полюсов. Для представленного рисунка (Фиг. 4) число пар полюсов равно шести. При подаче переменного питающего напряжения одинакового по амплитуде, но сдвинутого на 360°/m электрических градусов, по обмоткам 3 статора 1 потекут токи, которые создадут вращающееся магнитное поле. Конструкция магнитопровода ротора 5 двигателя может иметь различное конструктивное исполнение (Фиг. 5 ÷ Фиг. 9) с числом полюсов, соответствующих числу полюсов статорной обмотки 3.
Вращающий момент в таком двигателе будет создан из-за разницы в магнитных проводимостях по продольной и поперечной осям. Для увеличения разницы между магнитными проводимостями по продольной и поперечной осям ротор 5 выполнен набранным из пакетов полюсов 12-1÷12-f ротора 5 (Фиг. 4). Каждый из пакетов полюсов 12-1÷12-f ротора 5 набран из листов 7-1÷7-n шихтованного ферромагнитного материала поперек вала 6-1, 6-2 машины (Фиг. 3). При этом явно выраженные полюса 12-1÷12-f ротора 5 (Фиг. 4) стремятся сориентироваться относительно поля так, чтобы магнитное сопротивление для силовых линий поля было бы минимальным. Вследствие чего появляются силы, образующие вращающий момент, и ротор 5 вращается в том же направлении и с той же скоростью, что и поле статора 1. Следует отметить, что силы, стремящиеся сориентировать ротор 5 относительно поля, будут действовать на каждый полюс 12-1÷12-f ротора 5 и каждый полюс 12-1÷12-f ротора 5 будет создавать вращающий момент.
Предложенная конструкция синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора 5 представленная на Фиг. 1 ÷ Фиг. 11 позволяет изготовить такую электрическую машину с любым требуемым числом пар полюсов 12-1÷12-f на любую требуемую мощность. При этом конструкция ротора 5 будет иметь достаточную механическую прочность. Вал 6-1, 6-2 ротора 5 выполнен наборным с целью снижения массы и материалоемкости конструкции ротора 5.
Вариант конструкции пакета полюса ротора 5 представленный на Фиг. 6 за счет дополнительных зубцов 14-1÷14-(m+1)⋅2 пакетов полюсов 12-1÷12-f ротора 5 позволяет увеличить разницу между магнитными проводимостями по продольной и по перечной осям ротора 5 и как следствие увеличить величину электромагнитного момента и эффективность работы предлагаемой конструкции электрической машины.
Вариант конструкции пакета полюса 12-1÷12-f ротора 5 представленный на Фиг. 7 содержит выемки 15-1÷15-z в вырезах 8-1, 8-m для размещения крепежных шпилек 9-1÷9-k и надежного крепления полюсов 12-1÷12-f электрической машины к шайбам 10-1, 10-2.
Для пуска в ход предлагаемого электродвигателя и успокоения колебаний ротора 5 при работе электрической машины в конструкции ротора 5 может быть предусмотрена короткозамкнутая пусковая обмотка, выполненная в различных конструктивных вариантах (Фиг. 8, Фиг. 9). Первый вариант пусковой обмотки, изображенный на Фиг. 8, состоит из токопроводящих шпилек 9-1÷9-k и двух токопроводящих шайб 10-1, 10-2, которые электрически объединяющих токопроводящие шпильки 9-1÷9-k в основаниях цилиндрической части ротора 5. Второй вариант пусковой обмотки, изображенный на Фиг. 9, выполнен таким образом, что вырезы 8-1÷8-m листов 7-1÷7-n и пакетов полюсов 12-1÷12-f ротора 5 залиты немагнитным токопроводящим материалом 16 электрически соединенным с токопроводящими шайбами 10-1, 10-2.
Принцип действия такой обмотки (на примере конструкции первого варианта пусковой обмотки Фиг. 8) заключается в следующем: при подаче переменного питающего напряжения на статорные электрические обмотки 3 по ним потечет ток, который в магнитопроводе 2 статора 1 создаст круговое вращающееся поле, которое, пересекая неподвижный ротор 5, наведет в его токопроводящих шпильках 9-1÷9-k электродвижущую силу. С учетом того, что токопроводящие шпильки 9-1÷9-k электрически замкнуты накоротко между собой посредствам токопроводящих шайб 10-1, 10-2, это приведет к протеканию тока по токопроводящим шпилькам 9-1÷9-k и элементам токопроводящих шайб 10-1, 10-2, соединяющим их между собой. Протекание тока по токопроводящим шпилькам 9-1÷9-k приведет к появлению поля вокруг токопроводящих шпилек 9-1÷9-k. Взаимодействие полей статора 1 и ротора 5 приведет к созданию вращающего момента, и предлагаемый электродвигатель будет запущен в работу в асинхронном режиме. После втягивания ротора 5 в синхронизм линии электромагнитного поля, создаваемого электрической обмоткой 3 статора 1, будут замыкаться через листы 7-1÷7-n ферромагнитного материала пакетов полюсов 12-1÷12-f ротора 5, при этом они не пересекают токопроводящие шпильки 9-1÷9-k и соответственно в них не будет наводиться электродвижущая сила. Следовательно, в рабочем режиме в токопроводящих шпильках 9-1÷9-k не будет протекать ток, а соответственно потери в короткозамкнутой обмотке ротора 5 отсутствуют. Потери в короткозамкнутой обмотке ротора 5 будут происходить только при пуске электрической машины в ход. Для создания значительной величины пускового момента токопроводящие шпильки 9-1÷9-k должны быть выполнены из материала с повышенным удельным сопротивлением.
Следует отметить, что такая пусковая обмотка ротора 5 (Фиг. 8, Фиг. 9) будет выполнять функцию и успокоительной или демпферной обмотки для успокоения электромеханических колебаний машины в динамических режимах ее работы.
На Фиг. 10 представлена конструкция синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора выполненной обращенной с внешним ротором 5 и внутренним магнитопроводом статора 2. Такая конструкция электродвигателя позволяет осуществлять непосредственную передачу вращающего момента с ротора 5 на исполнительный механизм (исполнительный орган рабочего механизма). При этом вал ротора будет представлять собой ступицу большого диаметра с расположением на нем исполнительного механизма, например гребного винта или колеса и т.д. На Фиг. 11 приведен вариант использования предложенного электромеханического преобразователя в качестве движителя подводной лодки. Следует отметить, что в такой конструкции отсутствует станина, подшипниковые щиты, а ротор 5 выполнен наборным из простых и технологичных в изготовлении пакетов полюсов 12-1÷12-f.
Таким образом, предложенная конструкция синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора позволяет изготовить такую электрическую машину с любым требуемым числом пар полюсов и на любое требуемое значение мощности без применения сложных технологии и использования сложной оснастки. Предлагаемый синхронный электродвигатель с анизотропной магнитной проводимостью ротора позволяет упростить конструкцию, улучшить технологичность изготовления ротора, улучшить массо-габаритные характеристики, повысить эффективность работы и энергетические характеристики. К достоинствам предлагаемой синхронной электрической машины может быть отнесено и возможность изготовления такой электрической машины обращенной с вращающимся внешним ротором. Еще одним из достоинств предложенной конструкции является увеличение величины пускового момента за счет реализации пусковой (демпферной) обмотки.