Высокоэффективный малошумный тяговый электродвигатель

Полезная модель относится к электромеханическим преобразователям энергии, в частности к асинхронным двигателям, используемым в качестве приводов электротранспортных средств.
К электрическим двигателям, эксплуатируемым в качестве тяговых приводов электротранспортных средств, предъявляются весьма высокие требования к уровню акустических шумов, образуемых при работе таких приводов. Наличие нежелательных шумов и вибраций снижает уровень комфорта пассажиров, перевозимых транспортным средством. Применение пассивной шумоизоляции не приводит к полному погашению шумов, порождаемых электрическим двигателем. Настоящая полезная модель направлена на предложение такой конструкции асинхронных двигателей с совмещёнными обмотками статора, которая обеспечивает минимально возможный уровень акустических шумов, за счёт минимизации пульсаций электромагнитного момента.
Известны асинхронные двигатели, в которых в качестве статорной обмотки применяются шестифазные, так называемые совмещённые обмотки, состоящие из двух гальванически соединённых обмоток, одна из которых собрана по схеме «звезда», а вторая – по схеме «треугольник» (патенты RU 109934 U1, RU 113090 U1). Применение указанного типа статорных обмоток позволяет повысить эксплуатационные характеристики асинхронных двигателей, по сравнению с асинхронными двигателями с классической обмоткой, благодаря формированию в рабочем зазоре двигателя вращающегося магнитного поля статора, форма кривой которого близка к синусоиде.
В асинхронных двигателях с совмещенными обмотками, описанных в патентах RU 109934 U1 и RU 113090 U1 применяется ротор, содержащий пазы, в которых размещается короткозамкнутая обмотка «беличья клетка». Наличие пазов в роторе приводит к искажению формы кривой результирующего магнитного поля в рабочем зазоре двигателя, которое является суперпозицией магнитного поля статора и магнитного поля ротора.
Технический результат, полученный в настоящей полезной модели, позволяет минимизировать искажения формы кривой магнитного поля в зазоре асинхронного двигателя с совмещенными обмотками от синусоидальной формы, и как следствие, минимизировать пульсации электромагнитного момента, существенно снизить акустические шумы и вибрации при эксплуатации двигателя.
В полезной модели по патенту RU 2507664 C2, который предлагается в качестве  прототипа, предложена конструкция малошумного асинхронного двигателя. Технический результат в устройстве (патент RU 2507664 C2) достигается тем, что малошумный асинхронный двигатель включает в себя две взаимозависимые совмещенные обмотки, одна из которых собрана в «звезду», а другая - в «треугольник». Эти обмотки уложены в пазы так, что результирующие вектора индукции магнитных потоков пар полюсов одноименных фаз «звезды» и «треугольника» образуют между собой угол в 30 электрических градусов за счет соответствующего расположения катушек указанных обмоток.
Однако наличие в конструкции малошумного асинхронного двигателя (патент RU 2507664 C2) стандартного ротора с пазами приводит к искажению формы результирующего магнитного поля от синусоидальной формы, что обуславливает возникновение нежелательных пульсаций электромагнитного момента двигателя. Для устранения этого недостатка в настоящей полезной модели предложена конструкция асинхронного двигателя с совмещёнными обмотками и двухслойным ротором, который не содержит пазы.
Предлагается конструкция асинхронного двигателя с совмещённой статорной обмоткой с числом пар полюсов 2p=4, с числом пазов z=48, числом параллельных ветвей a=4 (как в обмотке, собранной по схеме «звезда», так и в обмотке, собранной по схеме «треугольник»), выполненной с шагом y=1–12, содержащей 48 катушек - с числом витков нечётных катушек и числом витков чётных катушек, отличающихся в  раз, с двухслойным ротором, который представляет собой пакет, набранный из круглых пластин электротехнической стали, не образующих зубцовой зоны, покрытый тонким слоем неферромагнитного проводящего материала (медью, алюминием и пр.) (Фиг. 1).
На Фиг. 1 показана магнитная система асинхронного двигателя, состоящая из ротора и статора 1. Ротор состоит из стального вала 2, роторного пакета 3 из электротехнической стали и неферромагнитного проводящего слоя 4.
Конструкция ротора оптимизирована исходя из условия максимума вращающего момента на валу асинхронного двигателя в номинальном режиме работы, которому соответствует величина скольжения .
Для определения вращающего момента на валу асинхронного двигателя с двухслойным ротором получена следующая расчётная формула
, (1),
где  - вращающий момент на валу двигателя;  - число пар полюсов двигателя;  - внутренний диаметр статора; , ,  - комплекснозначные константы, значения которых определяются геометрическими параметрами двигателя, электрическими и магнитными свойствами материалов статора и ротора, амплитудой и частотой тока в обмотке; , ,  - аргументы комплекснозначных констант , ,  соответственно.
С использованием формулы (1) могут быть построены зависимости величины вращающего момента от радиуса ферромагнитного слоя ротора для случая номинального режима работы двигателя, которому соответствует величина скольжения .
На Фиг. 2 приведены зависимости вращающего момента на валу двигателя от радиуса ферромагнитного слоя ротора  для случая, когда поверхностный слой ротора изготовлен из алюминия.
На Фиг. 3 приведены зависимости вращающего момента на валу двигателя от радиуса ферромагнитного слоя ротора  для случая, когда поверхностный слой ротора изготовлен из меди.
Из графиков на Фиг. 2 и Фиг. 3 видно, что для каждого значения скольжения положение максимума момента соответствует различным значениям радиуса ферромагнитного слоя , а значит и разным значениям толщины неферромагнитного проводящего слоя.
В данной полезной модели предлагается выбирать величину неферромагнитного проводящего слоя таким образом, чтобы для разных значений скольжения величина вращающего момента отличалась от максимального значения момента не более чем на 8%.
Символом  на Фиг. 2 и Фиг. 3 обозначены оптимальные толщины неферромагнитного проводящего слоя для случаев, когда этот слой изготовлен из алюминия (Фиг. 2) и из меди (Фиг. 3).
Для асинхронного двигателя с внутренним радиусом статора  мм и наружным радиусом ротора  мм оптимальная толщина неферромагнитного проводящего слоя, полученная исходя из предложенного критерия, составляет 1) для алюминия - 0,15 мм; 2) для меди - 0,13 мм.
К существенным признакам заявляемой полезной модели относится магнитная система асинхронного двигателя (Фиг. 1), которая состоит из статора с совмещённой обмоткой с числом пар полюсов 2p=4, с числом пазов z=48, числом параллельных ветвей a=4 (как в обмотке, собранной по схеме «звезда», так и в обмотке, собранной по схеме «треугольник»), выполненной с шагом y=1–12, содержащего 48 катушек - с числом витков нечётных катушек и числом витков чётных катушек отличающихся в  раз, и двухслойного ротора, который представляет собой пакет, набранный из круглых пластин электротехнической стали, не образующих зубцов, покрытый тонким слоем неферромагнитного проводящего материала (алюминия, меди и др.).
Причинно-следственная связь между существенными признаками полезной модели и достигаемым техническим результатом заключается в следующем. Поскольку в  асинхронном двигателе с совмещёнными обмотками магнитное поле, создаваемое в рабочем зазоре, имеет форму кривой, которая близка к синусоиде, и в случае, когда короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя имеет зубцы, происходит искажение формы магнитного поля статора, и эта форма перестаёт быть синусоидальной, что приводит к возникновению пульсаций электромагнитного момента, и, как следствие, - к появлению акустических шумов и вибраций при эксплуатации такого двигателя. Применение же статора с совмещённой обмоткой с числом пар полюсов 2p=4, с числом пазов z=48, числом параллельных ветвей a=4 (как в обмотке, собранной по схеме «звезда», так и в обмотке, собранной по схеме «треугольник»), выполненной с шагом y=1–12, содержащего 48 катушек с числом витков нечётных катушек и числом витков чётных катушек, отличающихся в  раз, и гладкого двухслойного ротора обеспечивает синусоидальность результирующего магнитного поля в зазоре, и, как следствие, к отсутствию пульсаций электромагнитного момента, акустических шумов и вибраций. Конструкция предлагаемой полезной модели позволяет достичь минимально возможного уровня акустических шумов, за счёт минимизации пульсаций электромагнитного момента.
Заявленный технический результат осуществим практически. Статор с совмещённой обмоткой с числом пар полюсов 2p=4, с числом пазов z=48, числом параллельных ветвей a=4 (как в обмотке, собранной по схеме «звезда», так и в обмотке, собранной по схеме «треугольник»), выполненной с шагом y=1–12, содержащий 48 катушек - с числом витков нечётных катушек и числом витков чётных катушек, отличающихся в  раз, может быть изготовлен известными способами.
Тонкий слой неферромагнитного проводящего материала, например алюминия или меди, может быть нанесён на пакет ротора, состоящий из круглых пластин электротехнической стали, не образующих зубцов, методом электролиза.
Технический результат достигается за счет минимизации пульсаций электромагнитного момента получаемого при применении в асинхронном двигателе  с совмещёнными обмотками двухслойного ротора, без пазов.