Полифазный синхронный электрический двигатель

Полезная модель относится к области электротехники в части электрических машин постоянного и переменного тока. Устройство предназначено для преобразования электрической энергии в механическую.
Термин «полифазный» (от греч. сл. πολύς - многий) означает, что число рабочих фаз такого электрического двигателя может быть любым, а не только две или три. Применительно к настоящей модели это любое нечетное число, например, 3, 5, 7, 9, 15 и более фаз.
Известен синхронный электрический двигатель-генератор (патент РФ № RU 181979 U1 от 2017.12.29 автора Андреенко Александра Степановича), содержащий статор с трехфазной обмоткой и ротор, выполненный в виде многополюсного магнита с равномерно расположенными по окружности чередующимися m магнитными полюсами, с шагом полюсного деления равным , при этом статор выполнен с N<m ножками со симметричными и асимметричными шляпками, разделенными пазами, намотка обмотки статора выполнена пофазно для групп ножек, расположенных симметрично по окружности статора на угловом расстоянии  друг от друга, при этом в одну группу для намотки одной фазы входят ножки с симметричными и асимметричными шляпками, а угловое расстояние между краями шляпок, обращенными в сторону группы ножек, предназначенной для намотки другой фазы, равно угловому расстоянию между полюсными делениями числа магнитных полюсов ротора, равного числу последовательно расположенных ножек одной группы, относящейся к одной фазе.
Модель имеет следующие недостатки:
1. На основе описанной модели невозможно создание электрических машин с числом зубов магнитопровода статора меньшим, чем количество полюсов ротора.
2. На основе описанной модели невозможно создание электрических машин с нечетным числом зубов магнитопровода статора.
3. Зубы магнитопровода статорной обмотки описанной модели имеют различную форму в пределах одного магнитопровода.
Таким образом, по пп. 1 и 2 описанная модель имеет ограниченное применение при разработке технического задания, а п. 3 усложняет проектирование электрической машины, увеличивая возможность ошибки во время намотки обмоток и снижает технологичность изготовления, увеличивая себестоимость изделия.
Задача настоящей полезной модели заключается в необходимости разработки простой конструкции электрического двигателя, позволяющей работать с максимальной эффективностью при работе от источников постоянного и переменного тока, обладая при этом минимальными размерами и весом.
Основное отличие описанной модели - это всегда нечетное число магнитных полюсов статора, которое является кратным количеству используемых фаз, а число полюсов ротора при этом отличается на одну единицу от количества магнитных полюсов статора в большую или меньшую сторону.
Техническим результатом реализации данной полезной модели является создание простой конструкции электрического двигателя с высокой эффективностью преобразования электрической энергии в механическую.
согласно заявленному техническому решению
Поставленная задача решается тем, что в полифазном электрическом двигателе, содержащем статор и ротор, выполненный в виде многополюсного магнита с равномерно расположенными по окружности чередующимися магнитными полюсами, при этом статор выполнен с ножками со симметричными шляпками, разделенными пазами, намотка обмотки статора выполнена пофазно для групп ножек, расположенных по окружности статора,  число магнитных полюсов статора является нечетным, кратным количеству используемых фаз, а число полюсов ротора при этом отличается на одну единицу от количества магнитных полюсов статора. Кроме того, фазные обмотки занимают каждая свой угловой сектор на магнитопроводе статора и не разбиваются на множество частей.
Полезная модель поясняется чертежами: фиг. 1 - фиг. 2, на которых изображена активная часть двигателя в разрезе. На чертежах номерами обозначены следующие элементы электрической машины:
1 - магнитопровод ротора;
2 - магниты, закрепленные на роторе;
3 - магнитопровод статора;
4 - обмотка статора.
Полифазный электрический двигатель (фиг. 1, фиг. 2) включает в себя магнитопровод ротора 1 с установленными на нем магнитами 2 и магнитопровод статора 3 с размещенными на нем обмотками 4. Ротором является наружная часть электрической машины, статор размещен в центральной части. Соотношение количества полюсов ротора и статора рассчитано следующим образом. Количество магнитных полюсов статора может быть любым нечетным, кратным количеству используемых фаз. Число полюсов ротора при этом отличается на одну единицу от количества магнитных полюсов статора в большую или меньшую сторону.
При этом соотношении и, например, трехфазном исполнении, независимо от количества полюсов статора фазные обмотки будут расположены на магнитопроводе статора в трех равных секторах с углом 120 градусов - каждая фазная обмотка в своем секторе.
Такое, упрощенное расположение обмоток позволяет оптимизировать процесс намотки статора и значительно сократить ошибки при намотке по причине человеческого фактора. Это уменьшает время технологического процесса и снижает количество брака при изготовлении. Упрощение схемы намотки позволяет многократно увеличивать число полюсов электрической машины.
При увеличении числа полюсов статора вырастает эффективность работы электрического двигателя за счет уменьшения расстояния между осями полюсов ротора и статора.
В качестве ротора может быть использован магнитопровод с постоянными магнитами, либо с обмотками возбуждения.
Конструктивно активная часть электрического двигателя, состоящая из ротора и статора, может иметь цилиндрическую форму, форму кольца (для низкооборотных электродвигателей, генераторов, мотор-колес), линейную (для безредукторных линейных двигателей или генераторов), форму шара, либо плоскую - аксиальную форму. Ротор может быть выполнен как во внешней части (аутраннер), так и внутреннего исполнения (инраннер).
При параллельном соединении двух таких синхронных электрических машин с большим числом фаз (более трех) возможна эффективная передача механического усилия посредством электрической энергии по кабельной линии, с вала «ведущего» устройства на вал «ведомого», по принципу сельсина, но с высоким крутящим моментом и скоростью.
За счет выполнения магнитных полюсов статора в нечетном числе и кратном количеству используемых фаз, а полюсов ротора в числе, отличающимся на одну единицу от количества магнитных полюсов статора, достигается оптимальное распределение магнитного напряжения между магнитными полюсами статора и ротора, при котором потери электромагнитного взаимодействия сводятся к технически возможному минимуму. В таком исполнении первый и последний зуб группы обмоток статора попадают на разноименные магнитные полюса ротора с однородным и равномерным градиентом между ними, то есть поле ротора от полюса к полюсу совершает равномерный разворот на 180 градусов по отношению к крайним зубам группы обмоток статора и это положение является полностью уравновешенным, без остаточных напряжений между группами обмоток. При совершении электрической коммутации тока фазных обмоток статора ротор электрической машины выходит из уравновешенного состояния и приходит в движение.
Полифазный электрический двигатель может работать от следующих источников тока:
а) многофазная сеть переменного тока;
б) частотный преобразователь, который применяется для асинхронных двигателей;
в) контроллер для управления бесщеточными электродвигателями.
Примеры реализации:
По примеру описанной модели был выполнен тюнинг нескольких флагманских моделей велосипедных мотор-колес мощностью от 500 до 3000 Вт от различных производителей. На всех мотор-колесах было изменено количество магнитов в соответствии с расчетным и перемотаны обмотки статора в соответствии с расчетными пропорциями. Крышки двигателя, ярмо, валовая часть, магнитопровод статора при этом остались заводского исполнения. Число витков обмотки также было оставлено без изменения. При повторных испытаниях все тюнингованные модели показали увеличение КПД от 8% до 15% в зависимости от мощности и производителя. При этом было отмечено улучшение динамики разгона и уменьшение шума при работе под нагрузкой. Во всех случаях наблюдалось некоторое увеличение рабочих оборотов при сохранении тягового момента. Увеличение числа оборотов и увеличение пути пробега во всех случаях было пропорционально увеличению КПД. Увеличение энергоэффективности соответствует увеличению класса двигателя на одну-две ступени по международному стандарту IEC. Вес обмотки во всех случаях уменьшился за счет упрощения схемы намотки обмоток статора.
Описанная модель показала свою состоятельность применительно к увеличению эффективности существующих синхронных электрических машин и пригодна для создания новых, более эффективных, простых и надежных синхронных электрических машин - моторов и генераторов самого широкого применения.