Неявнополюсный ротор синхронной электрической машины

Полезная модель относится к области электротехники в части электрических машин переменного тока. Устройство предназначено для преобразования электрической энергии в механическую.
Известен явнополюсный ротор модели синхронной машины – патент RU 2538774 C1, с чётным числом полюсов. Постоянные магниты с тангенциальным подмагничиванием расположены на роторе радиально между полюсами. Явнополюсный ротор с тангенциальным подмагничиванием полюсов выполнен с количеством полюсов, равным количеству полюсов на статоре.
Недостатком описанной модели является высокая частота обмотки по причине большого числа полюсов статора, ограничивающая использование двигателя на высоких оборотах без использования дорогостоящих материалов, которые не будут подвержены действию токов Фуко, и систем принудительного охлаждения. Также такой ротор не имеет равномерного, градиентного распределения магнитной напряжённости по активной поверхности и не способен работать в статоре с неявнополюсной распределённой обмоткой.
Задача настоящей полезной модели заключается в необходимости разработки простой конструкции ротора, позволяющей уменьшить число полюсов статорной обмотки синхронной электрической машины независимо от числа пазов статора, снизив тем самым рабочую частоту без уменьшения рабочих оборотов и улучшить активное взаимодействие ротора и статора по всему периметру активной части ротора.
Технический результат заключается в формировании на поверхности ротора малого числа магнитных полюсов с напряжённостью, меняющейся по синусоидальному закону для работы со статором с неявнополюсной распределённой обмоткой, имеющей малое число полюсов. Это увеличивает реакцию обмотки статора на изменение положения ротора и таким образом улучшает их взаимодействие по всему периметру активной части. Возможность формирования таким образом малого числа полюсов на роторе позволяет уменьшить число полюсов статорной обмотки электрической машины до одной пары, независимо от числа пазов и понизить её рабочую частоту без снижения рабочих оборотов электрической машины.
Поставленная задача решается тем, что в неявнополюсном роторе синхронной электрической машины с магнитопроводом и постоянными магнитами, которые формируют необходимое число полюсов, равное числу полюсов электрической машины, расположенные радиально, с равномерным распределением в теле магнитопровода, согласно заявленному техническому решению, постоянные магниты расположены таким образом, что каждый следующий магнит относительно предыдущего развёрнут в диаметральной плоскости ротора на угол α, значение которого определяется по формуле α=360×(p-1)/n, где p – число пар полюсов электрической машины, n – количество магнитов ротора.
Рассмотрим устройство активной части неявнополюсного ротора синхронной электрической машины на примере шестиполюсной модели с центральным вращением.
Полезная модель поясняется чертежом: фиг. 1, на котором изображен неявнополюсный ротор в поперечном разрезе. На чертеже номерами обозначены следующие элементы электрической машины:
1. Магнитопровод ротора из магнитопроводящего материала;
2. Постоянные магниты.
Неявнополюсный ротор синхронной электрической машины (фиг. 1) включает в себя магнитопровод ротора 1 с установленными на нём по окружности чередующимися постоянными магнитами 2. Ротором является центральная часть электрической машины, статор размещён в наружной части. Постоянные магниты 2, которые формируют необходимое число полюсов, равное числу полюсов электрической машины, расположены радиально. Плоскости постоянных магнитов 2 имеют угол α осевого разворота в диаметральной плоскости относительно предыдущего магнита, который определяется по формуле α=360×(p-1)/n, где p – число пар полюсов электрической машины, а n – количество магнитов ротора. Количество полюсов ротора, сформированных постоянными магнитами 2, равно количеству полюсов статора, сформированных его обмотками. Таким образом, неявнополюсный ротор синхронной электрической машины может быть использован в статоре с распределённой, неявнополюсной обмоткой. Неявнополюсная конструкция ротора позволяет уменьшить число полюсов статорной обмотки синхронной электрической машины независимо от числа пазов до одной пары с уменьшением рабочей частоты обмотки без уменьшения рабочих оборотов электрической машины.
В случае использования шестиполюсной модели неявнополюсного ротора с 24 постоянными магнитами угол α составляет α=360×(3-1)/24=30 градусов. Постоянные магниты расположены таким образом, что каждый следующий магнит относительно предыдущего развёрнут в диаметральной плоскости ротора на 30 градусов. Все магниты в своей последовательности формируют три пары магнитных полюсов с равномерным градиентным изменением магнитной напряжённости по всему периметру ротора.
Во время вращения неявнополюсного ротора в статоре синхронной электрической машины, имеющей неявнополюсную обмотку с малым числом полюсов, на зубцах магнитопровода статора создаётся плавное изменение напряжённости магнитного поля, меняющееся по синусоидальному закону, обеспечивая таким образом высокую реакцию статорной обмотки во время всего периода вращения ротора.
Пример реализации:
Для проверки работоспособности описанной модели был переделан асинхронный мотор с частотой вращения ротора 1000 об/мин. В моторе была переделана роторная часть в соответствии с числом полюсов статора. Неявнополюсный статор с шестиполюсной распределённой обмоткой, размещённой в 36 пазах, переделке не подвергался. Для переделки ротора были использованы недорогие неодимовые магниты толщиной 2 мм и шириной 5 мм с намагниченностью вдоль первого размера. Магниты были уложены в 30 рядов с последовательным осевым разворотом относительно друг друга величиной 24 градусов в диаметральной плоскости. Таким образом, магнитами было сформировано шесть магнитных полюсов с равномерным градиентным распределением магнитного напряжения на всей поверхности ротора. Толщина кольца магнитопровода ротора с погружёнными в него магнитами составила 8 мм при его внешнем диаметре 77,4 мм. Внутренняя часть ротора была сделана из пластика. Вес ротора после переделки был уменьшен на 1,2 кг за счёт частичной замены металла магнитопровода пластиком. Для изготовления магнитопровода ротора был использован чёрный листовой металл толщиной 10 мм, из которого с помощью лазерной резки были вырезаны детали магнитопровода. Испытания прототипа проводились как в двигательном режиме, так и в режиме генерации. В двигательном режиме питание подавалось через частотный преобразователь, предназначенный для работы с асинхронным двигателем. Двигатель показал синхронную скорость на всех режимах работы с увеличением крутящего момента и производительности на 25%. Тяговая способность двигателя после переделки проявилась с момента начала вращения его ротора. Диапазон рабочих частот мотора был увеличен с 50 Гц до 250 Гц без значительной потери выходной мощности. Таким образом, переделанный мотор перешёл из разряда промышленных в разряд двигателей широкого применения, в том числе электротранспортного. В режиме генерации также было отмечено увеличение производительности с увеличением выходного напряжения на 25% в сравнении с его работой на асинхронном роторе без переделки. Увеличение производительности электродвигателя соответствующей мощности на 15÷30% без увеличения потребляемой энергии соответствует увеличению его энергоэффективности на 2÷3 класса по международному стандарту IEC-TS-60034-30-2.