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 реактивной природой электромагнитного момента, пропорционального квадрату фазных токов обмотки.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в повышении энергетических характеристик.
введена
Технический результат достигается тем, что в синхронный электродвигатель, имеющий шихтованные магнитопроводы статора с многофазной сосредоточенной обмоткой, фазы которой питаются напряжениями, сдвинутыми по фазе на угол, вдвое меньший пространственного сдвига магнитопроводов, и цилиндрический ферромагнитный ротор, смещенный относительно оси вращения, магнитопроводы статора имеют С-образную форму с плоскими рабочими зазорами и охватывают ротор,  неподвижная кольцевая обмотка возбуждения, имеющая трапецеидальное сечение и питаемая переменным током, ротор имеет клинообразную проточку, а питание обмоток статора и возбуждения осуществляется по соотношениям
где  амплитуды токов обмоток статора и возбуждения;  их активные сопротивления;  коэффициенты, определяющие средний электромагнитный момент
Сущность технического решения поясняется фиг. 1 - 4, где
Фиг. 1 - поперечное сечение электродвигателя;
Фиг. 2 - продольное сечение электродвигателя;
Фиг. 3 - графики фазных токов и тока возбуждения;
Фиг. 4 - зависимости амплитуды тока возбуждения и электромагнитного момента от амплитуды токов обмотки статора при фиксированной мощности электрических потерь.
На фиг. 1, 2 обозначено:
1 - 6 -  первая - шестая фазы обмотки статора;
7 - 12 - первый - шестой магнитопроводы статора;
13, 14 - подшипниковые щиты;
15, 16 - подшипники;
17 - вал;
18 - ротор;
19 - обмотка возбуждения.
С-образные магнитопроводы 7 - 12 статора выполнены шихтованными из электротехнической стали и расположены под углом 60 градусов относительно друг друга. Они объединены в единую конструкцию с помощью подшипниковых щитов 13, 14, выполненных из немагнитного материала. На С-образных магнитопроводах 7 - 12 установлены фазы 1 - 6 обмотки статора. Ротор 18 выполнен из ферромагнитного материала. Он имеет форму цилиндра с клинообразной проточкой, смещенного относительно оси вала 17, опирающегося на подшипники 15, 16. Ротор входит в зазоры между магнитопроводами 7 - 12. На статоре установлена неподвижная обмотка возбуждения 19, имеющая форму кольца с трапецеидальным сечением и входящая в проточку ротора.
Синхронный электродвигатель работает следующим образом.
Фазы 1 - 6 обмотки статора питаются переменными токами, сдвинутыми по фазе на угол π/6:
… ;
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.
Магнитная проводимость рабочего воздушного зазора для одного магнитопровода определяется формулой
S
где  магнитная постоянная;  - площадь между магнитопроводом и ротором; δ - зазор между ними. Ротор стремится занять положение, при котором максимальная магнитная проводимость и максимум площади перекрытия соответствуют максимуму модулей МДС и магнитной индукции.
На фиг. 3 представлены графики фазных токов обмотки статора  и тока возбуждения  Видно, что ток возбуждения пропорционален сумме мгновенных значений фазных токов. В качестве аргумента взят угол поворота ротора  измеряемый от оси фазы 1 до продольной оси ротора.
Электромагнитный момент определяется формулой
k
f
k
w, w
Здесь Λ - магнитная проводимость между ротором и -м магнитопроводом; - числа витков фаз обмотки статора и обмотки возбуждения.
Если
то
m
k
Здесь Λ - амплитуда переменных составляющих магнитных проводимостей Λ. Средний момент электродвигателя определяется выражением
I
, I
М
m
fm
0
Для повышения энергетических характеристик решена задача математического программирования - найти амплитуды токов , создающих требуемый момент  при минимальной мощности потерь:
Из первого уравнения следует
Приравнивая производную от последнего выражения нулю, получаем
М
0
На фиг. 4 представлены зависимости амплитуды тока возбуждения  и среднего момента  от амплитуды токов обмотки статора  при следующих параметрах:
Ом;
Ом;
Гн;
Вт.
М
0
Оптимальные значения амплитуд токов , среднего по углу момента  и коэффициент эффективности обмотки возбуждения  - в таблице. Коэффициент  определялся по формуле
М
М
с
с
Здесь  - момент двигателя без обмотки возбуждения,  = 1875 Н⋅м.
<i>R</i><sub><i>f</i></sub>, Ом
<i>I</i><sub>0</sub><i></i><sub><i>m</i></sub><i></i>, A
<i>I</i><sub><i>f</i></sub><sub>0</sub><i></i><sub><i>m</i></sub><i></i>, A
<i>M</i><sub>0</sub>, Н⋅м
η, %
1
8,15
12,96
3795
102,43
2
8,49
8,35
3064
63,43
3
8,70
6,35
2756
47,01
4
8,86
5,18
2581
37,66
5
8,98
4,40
2466
31,53
R
M
f
0
Видно, что с уменьшением активного сопротивления обмотки возбуждения  оптимальное значение амплитуды тока возбуждения, ее эффективность η и оптимальный момент  возрастают.
Благодаря кольцевой проточке на роторе и выполнению обмотки возбуждения в виде кольца с трапецеидальным сечением возможно уменьшение ее среднего радиуса, что уменьшает ее сопротивление и мощность потерь в ней.
Таким образом, благодаря тому, что на статоре установлена кольцевая обмотка возбуждения с питанием переменным током, и оптимальному соотношению между токами обмотки статора и возбуждения, получен синхронный электродвигатель с повышенными энергетическими характеристиками.