СИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
SYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к электрическим машинам, а конкретно к синхронным электродвигателям с реактивным ротором, и может быть использовано в качестве исполнительного двигателя с большим вращающим моментом.
Известен синхронный электродвигатель с магнитной редукцией, содержащий корпус, вал, зубчатый статор с трехфазной обмоткой и зубчатый ротор (патент №2076433, Н02K 19/06, опубл. 2003.07.10, Бюл. №19) - [1].
Недостатком данного двигателя являются низкие массогабаритные показатели, поскольку взаимодействие между статором и ротором происходит на одной цилиндрической поверхности в рабочем зазоре.
c
p
c
p
7
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является синхронный электродвигатель, содержащий корпус, пакет статора с зубцами z и с многофазной обмоткой, магнитопровод ротора с зубцами z=z±2 на валу с подшипниками, чередующиеся коаксиальные полые цилиндры ротора и статора, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов, расположенных вдоль оси вращения, причем цилиндры ротора механически связаны с магнитопроводом ротора, а цилиндры статора - с корпусом, при этом зубцы полюсов и ферромагнитные элементы цилиндров статора, а также зубцы магнитопровода и ферромагнитные элементы цилиндров ротора имеют свои одинаковые угловые положения (Афанасьев А.Ю., Давыдов Н.В. Синхронный электродвигатель. Патент РФ №2321140, МПК Н02K 19/06, Н02K 19/00, опубл. 2008.03.27, Бюл. №9) - [2].
Его недостатком является наличие тонкостенных полых цилиндров с консольным креплением, что усложняет технологию изготовления, ограничивает скорость вращения и снижает надежность при работе на подвижном основании.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в повышении технологичности синхронного электродвигателя, в увеличении его скорости вращения и повышении надежности при работе на подвижном основании.
c
p
p
c
р
Технический результат достигается тем, что в электродвигатель, содержащий корпус, вал с подшипниками, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, введены чередующиеся диски ротора и статора, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, пакет статора выполнен в виде двух колец из ленты электротехнической стали путем навивки, расположенных по торцам электродвигателя, накладные зубцы с катушками установлены на торцевой поверхности кольца пакета статора, на поверхности зубцов и на другом кольце имеются клиновидные выступы, при этом выступы зубцов и ферромагнитные элементы дисков статора, а также ферромагнитные элементы дисков ротора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, причем количества ферромагнитных элементов на диске статора z и на диске ротора z связаны равенством z=z±2.
Сущность заявленного изобретения поясняется на Фиг.1 - Фиг.10, где:
Фиг.1 - продольное сечение синхронного электродвигателя с одной обмоткой;
Фиг.2 - продольное сечение синхронного электродвигателя с двумя обмотками;
Фиг.3 - зубцы с выступами и катушками;
Фиг.4 - диск статора;
Фиг.5 - диск ротора;
Фиг.6-9 - графики магнитной индукции по зубцам и взаимного положения секторов статора и ротора;
Фиг.10 - форма листов шихтованного ферромагнитного элемента.
Здесь 1 - корпус; 2, 3 - подшипниковые щиты; 4, 5 - кольца пакета статора; 6 - зубец; 7 - катушка; 8 - диски статора; 9 - втулка статора; 10 - диски ротора; 11 - втулка ротора; 12 - вал; 13, 14 - подшипники.
Корпус 1 жестко связан с подшипниковыми щитами 2, 3. На них установлены кольца 4, 5 пакета статора. На кольце 4 имеются шесть зубцов 6 с катушками 7.
Диски 8 статора закреплены на втулке 9 статора, установленной на корпусе 1. Диски 10 ротора установлены на втулке 11 ротора. Вал 12 опирается на подшипники 13, 14, установленные в подшипниковых щитах 2, 3.
c
p
Кольца 4, 5 и зубцы 6 выполнены лентой из электротехнической стали методом навивки. Диски 8 статора и диски 10 ротора имеют чередующиеся элементы в виде секторов из магнитомягкого и немагнитного материалов. Магнитные элементы выполнены шихтованными из электротехнической стали. Количество магнитных элементов дисков статора и ротора, приходящихся на один полюс, отличаются на единицу. На фиг.3, 4 показан случай, когда р=1, количество ферромагнитных элементов у диска статора z=24, у диска ротора z=26.
Диски 8 статора имеют ферромагнитные элементы, расположенные равномерно и образующие шесть групп по числу зубцов статора (на фиг.3 показаны светлым цветом), и немагнитные элементы (на фиг.3 показаны темным цветом).
Диски 10 ротора имеют ферромагнитные элементы, расположенные равномерно (на фиг.4 показаны светлым цветом), и немагнитные элементы (на фиг.4 показаны темным цветом).
Зубцы 6 имеют вид секторов из электротехнической стали и содержат коронки (показаны на фиг.3 слева). Они установлены на магнитопроводе 4 статора. Катушки, расположенные диаметрально, соединены последовательно согласно и образуют три фазы обмотки статора: А, В и С. На фиг.3 буквами X, Y, Z обозначены зубцы с катушками, создающими магнитные потоки, направленные противоположно потокам зубцов А, В, С. Например, если зубец А создает полюс N, то зубец X - полюс S. Число пар полюсов здесь р=1.
Синхронный электродвигатель работает следующим образом. При подаче на фазы А-С обмотки статора трехфазной системы напряжений получается вращающееся магнитное поле. При этом ротор поворачивается в положение, при котором восемь ферромагнитных элементов ротора располагаются вблизи выступов на зубцах статора и соответствующих ферромагнитных элементов дисков статора в зоне максимума модуля магнитной индукции.
с
Если напряжения питания имеют угловую частоту ω, то угловая скорость ротора определяется выражением
р
с
p
ω=2ω/z.
Наличие нескольких дисков статора и ротора вызывает многократную деформацию магнитного поля в зоне дисков, что увеличивает развиваемый момент и позволяет улучшить массогабаритные показатели.
На торцевой поверхности магнитопровода статора, обращенной к активной зоне, имеются ферромагнитные выступы в виде секторов, повторяющие по форме и количеству ферромагнитные элементы дисков статора, что увеличивает развиваемый момент.
A
B
C
На фиг.6 показаны графики распределения магнитной индукции В(α) по зубцам в момент времени, когда фазы токов i, i, i имеют значения:
A
B
C
φ=-15°; φ=-135°; φ=105°.
Показана первая пространственная гармоника магнитной индукции. Штрихпунктирными линиями показаны места максимального модуля магнитной индукции. В этих местах ферромагнитные сектора статора и ротора расположены напротив друг друга.
A
B
C
На фиг.7 показаны графики распределения магнитной индукции В(α) по зубцам в момент времени, когда фазы токов i, i, i имеют значения:
A
B
C
φ=0°; φ=-120°; φ=120°.
Видно, что первая пространственная гармоника магнитной индукции сместилась влево на 15°. При этом ротор повернется на угол
<mrow><mi>Δ</mi><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>2</mn><mrow><msub><mi>z</mi><mi>p</mi></msub></mrow></mfrac><mn>15</mn><mo>°</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>30</mn><mo>°</mo></mrow><mrow><msub><mi>z</mi><mi>p</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
.
A
B
C
На фиг.8 показаны графики распределения магнитной индукции B(α) по зубцам в момент времени, когда фазы токов i, i, i имеют значения:
A
B
C
φ=15°; φ=-105°; φ=135°.
Видно, что первая пространственная гармоника магнитной индукции сместилась влево на 30°. При этом ротор повернется на угол
<mrow><mi>Δ</mi><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>2</mn><mrow><msub><mi>z</mi><mi>p</mi></msub></mrow></mfrac><mn>30</mn><mo>°</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>60</mn><mo>°</mo></mrow><mrow><msub><mi>z</mi><mi>p</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
.
A
B
C
На фиг.9 показаны графики распределения магнитной индукции B(α) по зубцам в момент времени, когда фазы токов i, i, i имеют значения:
A
B
C
φ=30°; φ=-90°; φ=150°.
Видно, что первая пространственная гармоника магнитной индукции сместилась влево на 45°. При этом ротор повернется на угол
<mrow><mi>Δ</mi><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>2</mn><mrow><msub><mi>z</mi><mi>p</mi></msub></mrow></mfrac><mn>45</mn><mo>°</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>90</mn><mo>°</mo></mrow><mrow><msub><mi>z</mi><mi>p</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
.
При изменении фаз всех токов на угол 180° положение максимумов модуля магнитной индукции повторится, а ротор повернется на зубцовый шаг
<mrow><msub><mi>α</mi><mi>z</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>2</mn><mrow><msub><mi>z</mi><mi>p</mi></msub></mrow></mfrac><mn>180</mn><mo>°</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>360</mn><mo>°</mo></mrow><mrow><msub><mi>z</mi><mi>p</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
.
У синхронного электродвигателя по фиг.2 имеются две обмотки, расположенные на двух кольцах 4, 5 пакета статора, что облегчает охлаждение и делает симметричным магнитное поле в рабочей зоне.
Выполнение ротора в виде дисков допускает большие угловые скорости и работу на подвижном основании, а также упрощает технологию изготовления.
Магнитные секторы статора и ротора выполнены из электротехнической стали шихтованными для уменьшения потерь в стали на вихревые токи и гистерезис, поскольку в процессе работы магнитная индукция в секторах изменяется. На фиг.10 показана форма листов шихтованного ферромагнитного элемента, выполняемого из электротехнической стали.
Таким образом, в результате введения чередующихся дисков ротора и статора, состоящих из ферромагнитных и немагнитных элементов в виде секторов, выполнения пакета статора в виде двух колец с накладными зубцами с катушками, выполнения на поверхности зубцов и на втором кольце клиновидных выступов, при этом клиновидные зубцы полюсов и ферромагнитные элементы дисков статора, а также ферромагнитные элементы дисков ротора имеют свои одинаковые угловые размеры и положения, получен синхронный электродвигатель с технологичной конструкцией, допускающей большие скорости вращения и надежную работу на подвижном основании.