СИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ-ГЕНЕРАТОР

Заявляемая полезная модель относится к электроэнергетике, в частности к синхронным электрическим машинам, работающим в режиме двигателя и генератора, и может быть использована в силовых электроприводах, в различных системах автоматики, а также в качестве источника переменного или постоянного тока, в качестве вентильного генератора.
Синхронные электрические двигатели являются электрическими машинами переменного тока, в которых ротор и магнитное поле токов статора вращаются синхронно.
Известны многополюсные магнитоэлектрические машины с ротором коллекторного типа с призматическими магнитами с тангенциальным намагничиванием (В.А. Балагуров, Ф.Ф. Галтеев Электрические генераторы с постоянными магнитами, М., Энергоатомиздат, 1988, с. 29-30).
Однако, указанные машины имеют недостаток - сложность конструкции ротора и малое использование активного объема, что вызвано необходимостью выполнения в многополюсных машинах классического типа большого числа пазов на статоре для размещения обмотки. Это в свою очередь приводит к насыщению зубцовой зоны и снижению коэффициента заполнения паза медью.
Широкое применение в современной электрической промышленности нашли электрические вентильные двигатели с применением в качестве магнитного ротора постоянных магнитов. Статор таких машин выполнен из шихтованного набора пластин электротехнической стали имеющие пазы для укладки проволоки. Такие вентильные машины обладают возможностью регулирования оборотов вращения и режимов работы при малом весе, обусловленного высоким коэффициентом полезного действия.
Из уровня техники известна многополюсная магнитоэлектрическая машина, содержащая статор с явно выраженными полюсами, на которых расположена m-фазная обмотка, выполненная в 2mk (k=1,2,3…) равных чередующихся фазных зонах в виде катушек по одной катушке на полюс, и явнополюсный активный ротор с чередующейся полярностью полюсов. В каждой фазной зоне размещены n полюсов, где n=2,3,4…, катушки в фазных зонах, расположенные на соседних полюсах, соединены встречно, катушки фазных зон, расположенные через 180°/k, при n-нечетном соединены согласно, при n-четном - встречно, а числа полюсов статора и ротора отличаются на 2k (Синхронный электродвигатель, патент РФ №2059994, опубл. 10.05.96, бюлл. №13).
Однако эта многополюсная магнитоэлектрическая машина имеет недостаток - наличие момента «залипания» от постоянных магнитов. Это связано с появлением дополнительного реактивного момента из-за различия в магнитных сопротивлениях для магнитного потока постоянных магнитов в различных положениях полюсов ротора относительно зубцов статора.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели, является техническое решение по патенту № CN 105978182 (А) (опубл. 28.09.2016), в котором описана роторно-статорная конструкция бесщеточного двигателя постоянного тока с постоянным магнитом. Конструкция данного двигателя содержит чередующиеся магнитные полюса одинаковой ширины, а зубья статора делятся на основные и вспомогательные которые расположены по окружности поочередно, причем ширина основных зубьев статора больше или меньше чем у вспомогательных. Такое техническое решение не позволяет скомпенсировать неравномерность вращения ротора двигателя при переходе от одного магнитного полюса к другому и неэффективное использование магнитопровода статора, что обуславливает невысокий коэффициент полезного действия.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении эффективности электрической машины за счет увеличения токовой постоянной двигателя-генератора и обеспечения возрастания удельной мощности двигателя-генератора на единицу тепловых потерь.
Поставленная задача решается тем, что синхронный электрический двигатель-генератор, согласно техническому решению, содержит 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 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. Количество последовательно расположенных ножек, относящихся к одной фазе, составляет не менее двух, при этом все группы содержат одинаковое количество ножек. Ножки с асимметричными шляпками представляют собой граничные ножки одной группы.
Заявляемая полезная модель поясняется следующими изображениями, на которых:
на фиг 1 схематично представлена электромагнитная часть заявляемого двигателя, представляющая собой схема взаимного расположения статора с 18 ножками и ротора с 20 магнитными полюсами для случая симметричных шляпок ножек статора;
на фиг. 2 показан вид взаимного расположения 18 ножек и 20 магнитных полюсов ротора для случая выполнения шляпок ножек статора асимметричными, в соответствии с предлагаемым техническим решением.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - статор,
2 - ротор,
3 - обмотка,
4, 5 - силовые линии,
6 - угол полюсного деления многополюсного магнита,
7, 8 - углы раствора, по различным значениям которых судят об асимметричной конфигурации шляпок,
9 - зазор между шляпками,
10 - толщина шляпки.
Заявляемый синхронный электрический двигатель-генератор с постоянными магнитами, представляет собой электрическую машину, электромагнитная часть которой представлена на фиг. 1 и состоит из статора 1 с выполненной трехфазной обмоткой электрическим проводом 3, ротора с многополюсным магнитом 2 с чередующимися магнитными полюсами.
Статор 1 имеет N ножек, расположенных симметрично по окружности на угловом расстоянии  друг от друга. Шляпки ножек статора имеют конфигурацию, определяемую радиусом дуги «R», углами раствора 7 и 8, толщиной шляпки 10, зазором между шляпками 9. Полюсное деление многополюсного магнита 2 определяется углом 6, равным , где m - число магнитных полюсов.
Ниже представлено описание заявляемого технического решения на примере электрической машины, работающей в режимах двигателя-генератора, имеющей статор 1 с 18 ножками с выполненной обмоткой электропроводом 3, ротор 2 с 20 магнитными полюсами.
Намотка обмоток 3 полюсов статора осуществлена пофазно в три фазы. К первой фазе относятся ножки 1н, 2н, 3н и 10н, 11н, 12н; ко второй 4н, 5н, 6н и 13н, 14н, 15н; к третьей 7н, 8н, 9н и 16н, 17н, 18н (фиг. 2).
Одно из реализуемых положений магнитного ротора 2 в процессе работы двигателя-генератора изображено на фиг. 1. В этом случае ножка 2н расположена центрально напротив магнитного полюса п2. При симметричной геометрической форме правой и левой сторон шляпки, то есть при равных значениях углов 7 и 8, шляпки ножек 1н и 3н выходят за пределы полюсных делений магнитных полюсов п1 и п3, расположенных напротив этих ножек. В результате часть магнитных силовых линий 4 и 5 соседних магнитных полюсов, имеющих противоположную полярность, замыкаются через магнитопровод шляпки ножек статора по кратчайшим траекториям п20->1н->п1 и п4->3н->п3, что приводит к уменьшению магнитного потока цепи п1->1н->2н->п2 и, как следствие, неэффективному использованию магнитопровода, что в свою очередь приводит к возникновению дополнительных тепловых потерь на перемагничивание.
В случае заявляемого технического решения (фиг. 2) используется несимметричная конфигурация отдельных ножек в фазе В частности для рассматриваемой конфигурации двигателя-генератора углы 7 и 8 раствора шляпок ножек 1, 3, 4, 6, 7, 9, 10, 12, 13, 15, 16, 18 не равны друг другу. Эти углы выбраны с возможностью обеспечения совпадения границы полюсных делений п1, п3 и п11, п13 магнитного ротора с границами магнитопровода статора 1н, 3н и 10н, 12н, соответственно, в реализуемом положении на фиг. 2. Реализуемое на фиг. 2 положение ротора обеспечивает максимальный поток в магнитопроводе ножек статора, относящихся к первой фазе. Это обуславливает возникновение максимального значения противо-ЭДС в обмотках второй и третьей фаз, что обеспечивает создание максимального механического крутящего момента электрической машины при протекании тока по обмоткам второй и третьей фаз. Угловое расстояние 6 между этими краями шляпок 1н и 3н равно угловому расстоянию между полюсными делениями магнитных полюсов ротора п20/п1 и п3/п4. Предлагаемое решение позволяет исключить паразитное влияние со стороны соседних магнитных полюсов и увеличить магнитный поток в магнитных цепях п1->1н->2н->п2, п3->3н->2н->п2 и п11->10н->11н->п12, п13->12н->11н->п12, что приводит к увеличению токовой постоянной двигателя-генератора и возрастанию удельной мощности двигателя-генератора на единицу тепловых потерь, обусловленных омическими потерями.
Таким образом, достигается технический результат полезной модели.