Синхронный электродвигатель
SYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к электротехнике, а именно к синхронным электродвигателям с реактивным ротором, и может быть применено в электромеханических системах с большими скоростями вращения, например, в компрессоростроении.
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.
Известен синхронный электродвигатель, имеющий П-образные магнитопроводы статора с сосредоточенной многофазной  обмоткой и реактивный ферромагнитный ротор с явно выраженными полюсами (патент РФ № 2159494, H02K19/06, H02K1/06, опубл. 20.11.2000) – [2].
Его недостатком является низкая скорость вращения. Например, при частоте питания 50 Гц, трех П-образных магнитопроводах статора и двух полюсах на роторе скорость вращения ротора составляет 1500 об/мин.
Известен синхронный электродвигатель, имеющий П-образные шихтованные магнитопроводы статора с многофазной сосредоточенной обмоткой, фазы обмотки питаются переменными напряжениями, сдвинутыми по фазе на угол, меньший пространственного сдвига П-образных магнитопроводов, а ротор содержит два зубца, смещенных по оси и имеющих одинаковое угловое положение (патент РФ № 2499344, H02K19/06, H02K1/06, опубл. 20.11.2013) – [3].
Его недостатком является сложность конструкции и большой момент инерции ротора.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по конструкции и достигаемому эффекту является синхронный электродвигатель,  имеющий шихтованные магнитопроводы статора с многофазной сосредоточенной обмоткой, фазы которой питаются напряжениями, сдвинутыми по фазе на угол, меньший пространственного сдвига магнитопроводов, и ферромагнитный ротор,  магнитопроводы статора имеют С-образную форму с плоскими рабочими зазорами, а цилиндрический ротор смещен относительно оси вращения (патент РФ № 2704308, H02K1/06, Н02К 19/06, Н02К 41/06, опубл. 28.10.2019) – [4].
Его недостатком являются низкие энергетические характеристики в связи с малой площадью магнитопроводов в зоне рабочих зазоров, а также сложность конструкции в связи с различием обмоточных данных фаз обмотки статора.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в повышении энергетических характеристик и упрощении конструкции.
применены
Технический результат достигается тем, что в синхронном электродвигателе, имеющем шихтованные магнитопроводы статора с многофазной сосредоточенной обмоткой, фазы которой питаются напряжениями, сдвинутыми по фазе на угол, меньший пространственного сдвига магнитопроводов, и ферромагнитный ротор, магнитопроводы статора имеют С-образную форму с плоскими рабочими зазорами и охватывают цилиндрический ротор, смещенный относительно оси вращения,  четыре магнитопровода, расположенные под углом π/2, имеющие трапецеидальную форму в зоне рабочего зазора и содержащие четыре фазы обмотки, напряжения которых сдвинуты по фазе на угол   π/4 относительно друг друга.
Сущность технического решения поясняется фиг. 1 – 5, где
Фиг. 1 – поперечное сечение электродвигателя;
Фиг. 2 – продольное сечение электродвигателя;
Фиг. 3 – векторная диаграмма фазных токов;
Фиг. 4 – графики фазных токов;
Фиг. 5 – положения ротора в различные моменты времени.
На фиг. 1 – 2 обозначено:
1 – 4 – фазы обмотки; 5 – 8 – магнитопроводы; 9 – корпус; 10 – подшипниковый щит; 11, 12 – подшипники; 13 – вал; 14 – ротор. Шихтованные магнитопроводы 5 – 8 выполнены из электротехнической стали, имеют С-образную форму и установлены на корпусе 9 и подшипниковом щите 10 под углом π/2 относительно друг друга. На них установлены фазы 1 – 4 обмотки статора.
Магнитопроводы 5 – 8 объединены в единую конструкцию с помощью  корпуса 9 и подшипникового щита 10, выполненных из немагнитного материала. Ротор 14 выполнен из ферромагнитного материала. Он имеет форму цилиндра, смещенного относительно оси вала 13, опирающегося на подшипники 11, 12.
Синхронный электродвигатель работает следующим образом.
Фазы  обмотки статора питаются переменными токами, сдвинутыми по фазе на угол π/4:
Здесь ω – угловая частота питающих напряжений.
В рабочих воздушных зазорах возникает волна магнитной индукции, соответствующая углу π. За время, соответствующее половине периода синусоидального напряжения, волна магнитной индукции поворачивается на угол 2π. Эта волна вместе с ротором вращается с угловой скоростью 2ω. Например, при частоте питания 50 Гц скорость вращения ротора составляет 6000 об/мин.
Ротор стремится занять положение, при котором максимальная магнитная проводимость и максимум площади перекрытия соответствуют максимуму модулей МДС и магнитной индукции.
a
b
i.
a – i
a – i
a
i
На фиг. 4 представлены графики фазных токов обмотки статора . На фиг. 5 показаны положения ротора в моменты времени , , …,  Точки  соответствуют моментам времени, сдвинутым по фазе на угол π/8. При этом зоны максимального модуля МДС и соответствующие положения ротора сдвинуты на угол  π/4, т.е. на вдвое больший угол. Видно, что между точками  и  интервал времени соответствует половине периода питающих токов, а ротор поворачивается на угол 2π. Он занимает положения, при которых угол между зоной максимума модуля МДС и продольной осью ротора составляет угол π/2, что соответствует максимуму реактивного момента при одном полюсе ротора.
Мощность магнитных потерь в магнитопроводах на гистерезис и вихревые токи определяется формулой
f
m
B
f
c
m
Здесь  – частота перемагничивания;  – масса стали;  – амплитуда магнитной индукции; η, ξ – коэффициенты потерь на гистерезис и вихревые токи. Уменьшение частоты    токов в обмотке статора в два раза при сохранении скорости вращения значительно снижает мощность магнитных потерь.
Применение четырех фаз обмотки статора облегчает формирование управляющих сигналов, например, от синусно-косинусного вращающегося трансформатора и в случае применения микропроцессорного контроллера.
Электродвигатель имеет четыре фазы с одинаковыми обмоточными данными, что упрощает конструкцию.
Электромагнитный момент определяется формулой
k
k
w
Здесь Λ – магнитная проводимость между ротором и -м магнитопроводом; – число витков фаз обмотки статора.
Если
то
m
k
Здесь Λ – амплитуда переменных составляющих магнитных проводимостей Λ; α – угол поворота ротора, отсчитываемый от оси фазы 1 до продольной оси ротора.
Электромагнитный момент электродвигателя с четырьмя фазами обмотки статора определяется выражением
Магнитная проводимость рабочего воздушного зазора для одного магнитопровода определяется формулой
S
где магнитная постоянная;  – площадь между магнитопроводом и ротором; δ – воздушный зазор между ними.
S
М
m
k
Выполнение магнитопроводов трапецеидальной формы в зоне рабочего зазора увеличивает максимальную площадь , амплитуду Λ переменных составляющих магнитных проводимостей Λи электромагнитный момент .
Таким образом, благодаря применению четырех магнитопроводов, расположенных под углом π/2, имеющих трапецеидальную форму в зоне рабочего зазора и содержащих четыре одинаковые фазы обмотки статора, напряжения которых сдвинуты по фазе на угол  π/4  относительно друг друга, получен синхронный электродвигатель с повышенными энергетическими характеристиками и упрощенной конструкцией.