СИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
SYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к электротехнике, а именно к синхронным электродвигателям с реактивным ротором, и может быть применено в электромеханических системах.
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 и большой момент инерции ротора.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по конструкции и достигаемому эффекту является синхронный индукторный электродвигатель, имеющий шихтованный магнитопровод статора с многофазной обмоткой и реактивный ферромагнитный ротор с явно выраженными полюсами (Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». - Иванове, 2008. - 298 с.) - [2].
Его недостатком являются низкие энергетические показатели, связанные с тем, что единственным источником магнитного поля является обмотка, в которой выделяется мощность электрических потерь.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в повышении энергетических показателей синхронного электродвигателя и его динамических характеристик.
Технический результат достигается тем, что в синхронный электродвигатель, содержащий статор с шихтованным зубчатым магнитопроводом и многофазной обмоткой, реактивный ферромагнитный ротор с явно выраженными зубцами, введен внутренний магнитопровод статора с постоянными магнитами, расположенными напротив зубцов статора и имеющими чередующуюся полярность, а ротор выполнен в виде полого цилиндра с чередующимися ферромагнитными зубцами и немагнитными элементами.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где
Фиг.1 - поперечное сечение электродвигателя;
Фиг.2 - продольное сечение электродвигателя;
Фиг.3 - графики магнитной индукции в рабочем зазоре.
На фиг.1-2 обозначено:
1 - корпус;
2 - магнитопровод статора;
3 - зубцы статора;
4 - обмотка статора;
5 - ротор с зубцами;
6 - постоянные магниты;
7 - внутренний магнитопровод статора;
8 - вал;
9 - немагнитный диск;
10 - немагнитная втулка.
Магнитопровод статора 2 с зубцами 3 выполнен из шихтованной электротехнической стали. Он закреплен на корпусе 1 и имеет трехфазную обмотку 4.
Ротор 5 выполнен в виде полого цилиндра и имеет ферромагнитные зубцы. С помощью немагнитного диска 9 ротор закреплен на валу 8. Внутренний магнитопровод 7 выполнен в виде полого цилиндра из шихтованной электротехнической стали. Он закреплен на корпусе 1 с помощью немагнитной втулки 10 и имеет на наружной поверхности постоянные магниты 6, намагниченные радиально и имеющие чередующуюся полярность.
Фазы обмотки статора A, B и C соединены в звезду без нейтрального провода и питаются от источника постоянного напряжения через импульсный полупроводниковый инвертор, выполненный по мостовой схеме с шестью силовыми ключами.
Синхронный электродвигатель работает следующим образом.
На фиг.1 показано положение ротора, когда к зажиму фазы A подведено напряжение U, а зажимы фаз B и C подключены к нулевому потенциалу. Через фазу A течет ток, в два раза превышающий токи фаз B и C. При этом фаза A оказывается включенной согласно с постоянным магнитом напротив нее, т.е. их магнитные потоки складываются. В то же время токи фаз B и C, создают магнитные потоки, направленные против потоков соответствующих постоянных магнитов. Они ослабляют друг друга. Поэтому ротор занимает положение, при котором его зубцы замыкают большие магнитные потоки фазы A.
Через треть периода напряжение U подводится к зажиму фазы B, а зажимы фаз A и C подключены к нулевому потенциалу. Через фазу B течет ток, в два раза превышающий токи фаз A и C. При этом фаза B оказывается включенной согласно с постоянным магнитом напротив нее, т.е. их магнитные потоки складываются. В то же время токи фаз A и C создают магнитные потоки, направленные против потоков соответствующих постоянных магнитов. Они ослабляют друг друга. Поэтому ротор поворачивается в положение, при котором его зубцы замыкают большие магнитные потоки фазы B, и т.д.
м
А
В
С
Для рассмотрения эффективности применения постоянных магнитов примем, что постоянный магнит создает магнитодвижущую силу F=700 А, фаза A имеет МДС F=1000 А, а фазы B и C - МДС F=F=500 А.
В зазорах на оси фазы A действует МДС
АΣ
А
м
F=F+F=1700 А.
В зазорах на осях фаз B, C действуют МДС
ВΣ
В
м
F=F+F=200 А;
СΣ
С
м
F=F+F=200 A.
Электромагнитный момент определяется формулой
<mrow><mi>М</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>А</mi><mi>Σ</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mn>2</mn></mfrac><mfrac><mrow><mi>d</mi><msub><mi>Λ</mi><mi>А</mi></msub></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>α</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Σ</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mn>2</mn></mfrac><mfrac><mrow><mi>d</mi><msub><mi>Λ</mi><mi>В</mi></msub></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>α</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Σ</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mn>2</mn></mfrac><mfrac><mrow><mi>d</mi><msub><mi>Λ</mi><mi>С</mi></msub></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>α</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
А
В
С
где Λ, Λ, Λ - магнитные проводимости по соответствующим осям.
Квадраты МДС имеют значения:
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>А</mi><mi>Σ</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mn>2.890.000</mn><msup><mrow><mtext> А</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Σ</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mn>40.000</mn><msup><mrow><mtext> А</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Σ</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mn>40.000</mn><msup><mrow><mtext> А</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msup></mrow>
;
;
.
В предположении, что зубцы фаз В и С действуют в обратном направлении, получаем:
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>А</mi><mi>Σ</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Σ</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Σ</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mn>2.810.000</mn><msup><mrow><mtext> А</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msup></mrow>
.
Для индукторного двигателя без постоянных магнитов, с той же обмоткой на статоре и мощностью потерь в ней имеем:
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>А</mi><mi>Σ</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mn>1.500.000</mn><msup><mrow><mtext> А</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Σ</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mn>0</mn><msup><mrow><mtext> А</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Σ</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mn>0</mn><msup><mrow><mtext> А</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msup></mrow>
;
;
.
Отношение моментов составляет 1,873, т.е. введение постоянных магнитов увеличило момент на 87,3%.
На фиг.3 показаны графики МДС, созданной постоянными магнитами (фиг.3, а), обмоткой статора (фиг.3, б) и результирующей МДС (фиг.3, в).
Ротор представляет собой тонкостенный полый цилиндр с ферромагнитными зубцами и имеет малый момент инерции. Поэтому электродвигатель допускает большие угловые ускорения.
Благодаря введению внутреннего магнитопровода статора с постоянными магнитами, расположенными напротив зубцов статора и имеющими чередующуюся полярность, получен синхронный электродвигатель с повышенными энергетическими показателями и динамическими характеристиками.