СИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С АНИЗОТРОПНОЙ МАГНИТНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ РОТОРА
SYNCHRONOUS ELECTRIC MACHINE WITH ANISOTROPIC MAGNETIC CONDUCTIVITY OF ROTOR

Изобретение относится к реактивным синхронным электрическим машинам и может быть использовано в качестве синхронного электрического генератора либо синхронного электрического двигателя. Характерной особенностью предложения является повышение энергетической эффективности работы электрической машины, улучшение массогабаритных характеристик, а также возможность изготовления ротора синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора с поперечной шихтовкой магнитопровода ротора с любым необходимым числом пар полюсов.
Известна конструкция реактивной электрической машины с зубчатым ротором и статором [Самосейко В.Ф., Гельвер Ф.А., Хомяк В.А., Лазаревский Н.А., Реактивные электрические машины с зубчатым ротором и статором. Методика проектирования. Алгоритмы управления. Монография. ФГУП «Крыловский государственный научный центр», 2016., 196 с: ил.], содержащая статор с электрическими обмотками и ротор, выполненный шихтованным поперек из электротехнической стали с формой листов имеющих явно выраженные полюса. Достоинством такой машины является простота конструкции и высокая надежность. Недостатком такой конструкции является не большая разница в магнитных проводимостях по продольной и поперечной осям ротора, и как следствие небольшое значение величины электромагнитного момента, отнесенное к габариту электрической машины. К недостаткам такой электрической машины можно отнести и то, что она может работать только лишь в составе электропривода с использованием электрического преобразователя, который имеет в своем составе большое число ключевых полупроводниковых элементов.
Известна конструкция синхронной реактивной машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора [патент №2541513, класс Н02К 19/20, Н02К 1/20, авторы: Гельвер Ф.А., Самосейко В.Ф., Лазаревский Н.А., Хомяк В.А., Гагаринов И.В., Синхронная машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора], содержащая статор с магнитопроводом и статорными электрическими обмотками, подшипниковые щиты и ротор, выполненный цилиндрическим, набранным вдоль из согнутых листов ферромагнитного материала. Достоинством предложенной конструкции по сравнению с другими известными конструкциями роторов реактивных электрических машин является увеличение разницы между магнитными проводимостями по продольной и по перечной осям ротора и как следствие увеличение величины электромагнитного момента и эффективности работы машины. К достоинствам известной конструкции электрической машины может быть отнесено и то, что она может быть изготовлена практически с любым числом пар полюсов, которое необходимо. Недостатками известного устройства являются низкая технологичность и большая трудоемкость при изготовлении ротора, необходимость компаундирования, обточки и придания механической прочности конструкции ротора. К недостаткам известной конструкции так же может быть отнесено малое значение величины пускового момента.
Известна конструкция синхронной электрической машины [патент US 20060284512 A1, FLUX BARRIER TYPE SYNCHRONOUS RELUCTANCE MOTOR AND ROTOR THEREOF, МПК H02K 19/20, H02K 1/06, H02K 1/22, 21.12.2006], содержащая статор с электрической обмоткой статора и ротор, который выполнен шихтованным поперек оси вала машины. Причем ротор электрической машины выполнен наборным поперек из отдельных листов ферромагнитного материала дисковой формы, которые содержат вырезы. Форма вырезов организует явно выраженные полюса на роторе, число которых должно соответствовать числу полюсов, организованных на статоре. Функциональное назначение вырезов заключается в организации пути для замыкании линий магнитного поля в магнитопроводе ротора электрической машины в строго определенном направлении. Листы ротора стянуты между собой шпильками, проходящими вдоль вала электрической машины сквозь отверстия в листах ротора. Достоинством такой конструкции является высокая технологичность изготовления ротора. К недостаткам известного предложения относится и то, что между полюсами ротора отсутствует магнитный барьер, следовательно значительно увеличивается величина межполюсного рассеяния и снижается разница между магнитными проводимостями по продольной и по перечной осям ротора.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство ротора синхронной электрической машины [патент US 2013/0015727 A1, ROTOR FOR RELUCTANCE MOTOR, МПК H02K 19/06, 10.07.2012], содержащее статор с электрической обмоткой статора и ротор, который выполнен шихтованным поперек оси вала машины. Ротор усовершенствованной конструкции электрической машины выполнен наборным поперек из отдельных листов ферромагнитного материала дисковой формы, которые содержат организующие полюса ротора вырезы и межполюсные вырезы. Формы вырезов организуют явно выраженные полюса на роторе, число которых должно соответствовать числу полюсов, организованных на статоре. Между полюсами ротора имеются дополнительные вырезы. Достоинством такой конструкции являются лучшие массогабаритные характеристики, технологичность изготовления ротора. Основным недостатком такой конструкции является то, что в каждом из листов ротора и в каждом из полюсов имеются соединительные "мостики", выполненные из материала самих листов - электротехнической стали, расположенные между вырезами которые значительно снижают разницу между магнитными проводимостями по продольной и по перечной осям ротора, и как следствие снижают величину электромагнитного момента. Недостатком такого устройства является невозможность изготовления такой конструкции ротора электрической машины с большим числом пар полюсов из-за низкой механической прочности.
Предлагаемая конструкция синхронной электрической машины позволяет увеличить разницу между магнитными проводимостями по продольной и поперечной осям ротора и изготовить реактивную электрическую машину с анизотропной магнитной проводимостью ротора выполненной по технологии поперечной шихтовки магнитопровода ротора с любым требуемым числом пар полюсов, улучшить энергетические и массогабаритные характеристики, повысить эффективность работы. К достоинствам предлагаемой синхронной электрической машины может быть отнесено и возможность изготовления такой электрической машины обращенной с вращающимся внешним ротором. Еще одним из достоинств предложенной конструкции является увеличение величины пускового момента за счет реализации пусковой (демпферной) обмотки.
Поставленная задача решается благодаря тому, что синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора содержащая статор с магнитопроводом и статорными электрическими обмотками, подшипниковые щиты и ротор, выполненный шихтованным поперек оси вала машины и набранным из листов ферромагнитного материала, листы магнитопровода ротора стянуты между собой, в конструкции синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора предусмотрены следующие отличия: каждый из полюсов ротора конструктивно выполнен пакетом листов шихтованного ферромагнитного материала отдельно от других полюсов ротора, с воздушным зазором между полюсами, каждый из пакетов полюсов ротора расположен в своем ложементе закрепленном на валу ротора, причем каждый из листов ферромагнитного материала имеет форму полюса для замыкания линии магнитного поля и состоит из нескольких отдельных криволинейных полосок ферромагнитного материала организующих путь для замыкании линии магнитного поля и перемычек выполненных из того же ферромагнитного материала, соединяющих криволинейные полоски в их середине, с торцов магнитопровода ротора расположены стягивающие немагнитные шайбы сжимающие полюса ротора посредствам стягивающих шпилек выполненных из немагнитного материала и проходящих сквозь каждый из полюсов в количестве достаточном для их надежного крепления к шайбам, которые механически закреплены к валу ротора.
Кроме того, синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора может быть выполнена, так что все пустоты между пакетами полюсов и криволинейными полосками ферромагнитного материала каждого полюса залиты компаундом.
Кроме того, синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора может быть выполнена, так что криволинейные полоски ферромагнитного материала каждого из полюсов имеют разную ширину, увеличивающуюся по ширине от периметра ротора к его центру.
Кроме того, синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора может быть выполнена, так что содержит токопроводящие шпильки и шайбы механически и электрически соединенные между собой.
Кроме того, синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора может быть выполнена, так что все пустоты между пакетами полюсов и криволинейными полосками ферромагнитного материала каждого полюса залиты немагнитным токопроводящим материалом электрически соединенным с токопроводящими шайбами.
Кроме того, синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора может быть выполнена, так что она конструктивно выполнена обращенной с внешним ротором и внутренним статором.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На Фиг. 1 изображена конструкция синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора.
На Фиг. 2 изображена подробная конструкция ротора синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора.
На Фиг. 3 изображена сборка пакета одного полюса ротора.
На Фиг. 4 изображен поперечный разрез синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора.
На Фиг. 5 изображен лист пакета полюса ротора синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора.
На Фиг. 6 изображен поперечный разрез пакета полюса ротора синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора.
На Фиг. 7 изображен поперечный разрез синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора с заполнением пустот ротора компаундом.
На Фиг. 8 изображен лист пакета полюса ротора синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора у которого криволинейные полоски ферромагнитного материала каждого из полюсов имеют разную ширину, увеличивающуюся по ширине от периметра ротора к его центру.
На Фиг. 9 изображен поперечный разрез сборки варианта конструкции пакета полюса ротора синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора.
На Фиг. 10 изображен поперечный разрез сборки варианта конструкции пакета полюса ротора синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора.
На Фиг. 11 изображен поперечный разрез синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора с заполнением пустот ротора токопроводящим материалом.
На Фиг. 12 изображена конструкция синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора выполненной обращенной.
На Фиг. 13 изображен вариант использования предложенной синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора в качестве движителя подводной лодки.
Синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора, конструкция, которой представлена на Фиг. 1 содержит статор 1 с магнитопроводом 2 и статорными электрическими обмотками 3, подшипниковые щиты 4 и ротор 5. Ротор 5 (Фиг. 2) выполнен шихтованным поперек оси вала 6 машины и набранным из листов ферромагнитного материала 7-1÷1-n. Листы ферромагнитного материала 7-1÷7-n магнитопровода ротора 5 стянуты между собой. Каждый из полюсов 8-1 (8-2÷8-k) ротора 5 конструктивно выполнен пакетом листов 7-1÷7-n (Фиг. 3) шихтованного ферромагнитного материала отдельно от других полюсов ротора 8-1 (8-2÷8-k), с воздушным зазором 9-1÷9-k между полюсами 8-1÷8-k (Фиг. 4). Каждый из пакетов полюсов 8-1÷8-k ротора 5 расположен в своем ложементе 10-1÷10-k закрепленном на валу 6 ротора 5 (Фиг. 4). Каждый из листов 7-1÷7-n ферромагнитного материала имеет форму полюса для замыкания линии магнитного поля (Фиг. 5). Каждый из листов 7-1÷7-n ферромагнитного материала изображенный на Фиг. 5 состоит из нескольких отдельных криволинейных полосок 11-1÷11-f ферромагнитного материала организующих путь для замыкании линии магнитного поля и перемычек 12-1÷12-(f-1) выполненных из того же ферромагнитного материала, соединяющих криволинейные полоски 11-1÷11-f в их середине. С торцов магнитопровода ротора 5 расположены стягивающие немагнитные шайбы 13-1 и 13-2 сжимающие полюса 8-1÷8-k ротора 5 (Фиг. 1). Стягивание полюсов 8-1÷8-k ротора 5 осуществляется посредствам стягивающих шпилек 14-1÷44-s, выполненных из немагнитного материала и проходящих сквозь каждый из полюсов 8-1÷8-k в количестве достаточном для их надежного крепления к шайбам 12-1 и 12-2, которые механически закреплены к валу 6 ротора 5 (Фиг. 1).
Синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора, конструкция, которой представлена на Фиг. 7 выполнена, так что все пустоты между пакетами полюсов 8-1÷-8-k и криволинейными полосками 11-1÷11-f ферромагнитного материала каждого полюса 8-1÷8-k залиты компаундом 15.
Синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора, конструкция листа 7-1 (7-2÷7-n) полюса 8-1 (8-2÷8-k) ротора 5, которой представлена на Фиг. 8 выполнена, так что криволинейные полоски 11-1÷11-f ферромагнитного материала каждого из полюсов 8-1÷8-k имеют разную ширину, увеличивающуюся по ширине от периметра ротора 5 к его центру.
Следует отметить, что ширина (в конечном итоге площадь сечения) криволинейных полосок 11-1÷11-f должна быть рассчитана исходя из степени насыщения ферромагнитного материала, из которого выполнены листы 7-1÷7-n и полюса 8-1÷8-k ротора 5 и не должна изменяться на всем своем промежутке.
Синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора, конструкция, которой представлена на Фиг. 4 выполнена так что содержит токопроводящие шпильки 14-1÷44-s и шайбы 13-1 и 13-2 механически и электрически соединенные между собой.
Синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора, конструкция, которой представлена на Фиг. 11 выполнена так что все пустоты между пакетами полюсов 8-1÷8-k и криволинейными полосками 11-1÷11-f ферромагнитного материала каждого полюса 8-1÷8-k залиты немагнитным токопроводящим материалом 16 электрически соединенным с токопроводящими шайбами 13-1 и 13-2.
Синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора, конструкция, которой представлена на Фиг. 12 и Фиг. 13 выполнена, так что она конструктивно выполнена обращенной с внешним ротором 5 и внутренним статором 1.
Синхронная электрическая машина с анизотропной магнитной проводимостью ротора работает следующим образом.
Статор 1 предлагаемой электрической машины выполнен так же, как и в классической электрической машине переменного тока (Фиг. 1). При подаче переменного питающего напряжения одинакового по амплитуде, но сдвинутого на 360°/m (где m - число фаз электрической машины) электрических градусов, по обмоткам статора 3 потекут токи, которые создадут вращающееся магнитное поле. Конструкция магнитопровода ротора 5 двигателя может иметь различное конструктивное исполнение (Фиг. 1÷Фиг. 13) с числом полюсов, соответствующих числу полюсов организованных на статоре 3 электической машины.
Вращающий момент в таком двигателе будет создан из-за разницы в магнитных проводимостях по продольной и поперечной осям ротора. Для увеличения разницы между магнитными проводимостями по продольной и поперечной осям ротора, ротор 5 выполнен набранным из пакетов полюсов 8-1÷8-k ротора 5 (Фиг. 4). Причем для большего увеличения этой разницы каждый из листов 7-1÷7-n ферромагнитного материала имеет форму полюса для замыкания линии магнитного поля и состоит из нескольких отдельных криволинейных полосок 11-1÷11-f ферромагнитного материала организующих путь для замыкании линии магнитного поля и перемычек 12-1÷12-(f-1) выполненных из того же ферромагнитного материала, соединяющих криволинейные полоски 11-1÷11-f в их середине. Каждый из пакетов полюсов 8-1÷8-k ротора 5 набран из листов 7-1÷7-n шихтованного ферромагнитного материала поперек вала 6 машины (Фиг. 2 и Фиг. 3). При этом явно выраженные полюса 8-1÷8-k ротора 5 (Фиг. 4) стремятся сориентироваться относительно поля так, чтобы магнитное сопротивление для силовых линий поля было бы минимальным. Вследствие чего появляются силы, образующие вращающий момент, и ротор 5 вращается в том же направлении и с той же скоростью, что и поле статора 2. Следует отметить, что силы, стремящиеся сориентировать ротор 5 относительно поля, будут действовать на каждый полюс 8-1÷8-k и каждую полоску 11-1÷11-f каждого листа 7-1÷7-n ротора 5 и каждый из этих элементов ротора 5 будет создавать вращающий момент.
Предложенная конструкция синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора 5 представленная на Фиг. 1÷Фиг. 13 позволяет изготовить такую электрическую машину с любым требуемым числом пар полюсов 8-1÷8-k на любую требуемую мощность. При этом конструкция ротора 5 будет иметь достаточную механическую прочность. Следует отметить, что несущим элементом такой конструкции является вал 6 ротора 5 и шайбы 13-1, 13-2 стягивающие полюса 8-1÷8-k шпильками 14-1÷14-s которые придают конструкции механическую прочность.
На Фиг. 6 представлен поперечный разрез пакета полюса ротора 5 синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора со стягивающими шпильками 14-1÷14-s.
Для придания повышенной механической прочности конструкции ротора 5 все пустоты в пакетах полюсов 8-1÷8-k и между полюсами 8-1÷8-k могут быть залиты компаундом 15 с последующей проточкой и шлифовкой ротора 5 (Фиг. 7).
Для того чтобы кривая распределения намагничивающей силы или магнитной индукции вдоль рабочего зазора была приближена к синусоидальной форме и для обеспечения разной концентрации линий магнитного поля, листы 7-1÷7-n пакетов полюсов 8-1÷8-k ротора 5 машины предлагается выполнять с криволинейными полосками 11-1÷11-f ферромагнитного материала имеющих разную ширину, увеличивающуюся по ширине от периметра ротора к его центру как изображено на Фиг. 8. Следует отметить, что воздушные промежутки между пакетами полюсов 8-1÷8-k ротора 5 могут использоваться в качестве устройства принудительной вентиляции обмотки статора 3, поскольку между ними будут циркулировать и активно перемешиваться потоки воздуха.
Для придания механической прочности конструкции листы 7-1÷7-n пакетов полюсов 8-1÷8-k ротора 5 могут быть расперты шпильками 14-1÷14-s повторяющими по форме периферийные части воздушных промежутков между криволинейными полосками 11-1÷11-f ферромагнитного материала (Фиг. 9).
Форма криволинейных полосок 11-1÷11-f и форма шпилек 14-1÷14-s между криволинейными полосками 11-1÷11-f может быть любая и определяется исключительно технологичностью и удобством сборки ротора предлагаемой электрической машины.
Для пуска в ход предлагаемого электродвигателя и успокоения колебаний ротора 5 при работе электрической машины в конструкции ротора 5 может быть предусмотрена короткозамкнутая пусковая обмотка, выполненная в различных конструктивных вариантах (Фиг. 4, Фиг. 11). Первый вариант пусковой обмотки, изображенный на Фиг. 4, состоит из токопроводящих шпилек 14-1÷14-s и двух токопроводящих шайб 13-1, 13-2, которые электрически объединяют токопроводящие шпильки 14-1÷14-s в основаниях цилиндрической части ротора 5. Второй вариант пусковой обмотки, изображенный на Фиг. 11, выполнен таким образом, что все пустоты пакетов полюсов 8-1÷8-k ротора 5 залиты немагнитным токопроводящим материалом 16 электрически соединенным с токопроводящими шайбами 13-1, 13-2.
Принцип действия такой обмотки (на примере конструкции первого варианта пусковой обмотки Фиг. 4) заключается в следующем: при подаче переменного питающего напряжения на статорные электрические обмотки 3 по ним потечет ток, который в магнитопроводе 2 статора 1 создаст круговое вращающееся поле, которое, пересекая неподвижный ротор 5, наведет в его токопроводящих шпильках 14-1÷14-s электродвижущую силу. С учетом того, что токопроводящие шпильки 14-1÷14-s электрически замкнуты накоротко между собой посредствам токопроводящих шайб 13-1, 13-2, это приведет к протеканию тока по токопроводящим шпилькам 14-1÷14-s и элементам токопроводящих шайб 13-1, 13-2, соединяющим их между собой. Протекание тока по токопроводящим шпилькам 14-1÷14-s приведет к появлению поля вокруг токопроводящих шпилек 14-1÷14-s. Взаимодействие полей статора 1 и ротора 5 приведет к созданию вращающего момента, и электрическая машина будет запущена в работу в асинхронном режиме. После втягивания ротора 5 в синхронизм линии электромагнитного поля, создаваемого электрической обмоткой 3 статора 1, будут замыкаться через листы 7-1÷7-n ферромагнитного материала пакетов полюсов 8-1÷8-k ротора 5, при этом они не пересекают токопроводящие шпильки 14-1÷14-s и соответственно в них не будет наводиться электродвижущая сила. Следовательно, в рабочем режиме в токопроводящих шпильках 14-1÷14-s не будет протекать ток, а соответственно потери в короткозамкнутой обмотке ротора 5 отсутствуют. Потери в короткозамкнутой обмотке ротора 5 будут происходить только при пуске электрической машины в ход. Для создания значительной величины пускового момента токопроводящие шпильки 14-1÷14-s должны быть выполнены из материала с повышенным удельным сопротивлением.
Следует отметить, что такая пусковая обмотка ротора 5 (Фиг. 4, Фиг. 11) будет выполнять функцию и успокоительной или демпферной обмотки для успокоения электромеханических колебаний машины в динамических режимах при ее работе.
На Фиг. 12 представлена конструкция синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора выполненной обращенной с внешним ротором 5 и внутренним статором 1. Такая конструкция электродвигателя позволяет осуществлять непосредственную передачу вращающего момента с ротора 5 на исполнительный механизм (исполнительный орган рабочего механизма). При этом вал 6 ротора 5 будет представлять собой ступицу большого диаметра с расположением на нем исполнительного механизма, например гребного винта или колеса и т.д. На Фиг. 13 приведен вариант использования предложенного электромеханического преобразователя в качестве движителя подводной лодки. Следует отметить, что в такой конструкции отсутствует станина, подшипниковые щиты, а ротор 5 выполнен наборным из простых и технологичных в изготовлении пакетов полюсов 8-1÷8-k.
Следуя принципу обратимости, предлагаемая электрическая машина может работать в режиме генератора, если осуществить намагничивание ротора со стороны статорной обмотки, осуществляя ее питание реактивными токами.
Таким образом, предложенная конструкция синхронной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора позволяет значительно увеличить разницу между магнитными проводимостями ротора по продольной и поперечной осям ротора а следовательно, увеличить величину электромагнитного момента и повысить эффективность работы такого электромеханического преобразователя. Предлагаемый синхронный электродвигатель с анизотропной магнитной проводимостью ротора позволяет улучшить массогабаритные характеристики, упростить конструкцию. К достоинствам предлагаемой синхронной электрической машины может быть отнесено и возможность изготовления такой электрической машины обращенной с вращающимся внешним ротором. Еще одним из достоинств предложенной конструкции является увеличение величины пускового момента за счет реализации пусковой (демпферной) обмотки.