ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ
ALTERNATING CURRENT ELECTRONIC MOTOR WITH CONSTANT MAGNETS

Изобретение относится к вращающимся электрическим машинам и может быть использовано в вентильных или синхронных электродвигателях с постоянными магнитами на роторе.
Аналогом является, например, вентильный электродвигатель с постоянными магнитами [Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1988, рис.1.28], содержащий кольцевой статор с обмоткой, цилиндрический ротор коллекторного типа, включающий немагнитный вал, распределенные по окружности ферромагнитные полюсы, выполненные в виде сегментов, образующих межполюсные пространства в виде параллельных оси вала пазов, расположенные в пазах намагниченные в тангенциальном направлении постоянные призматические магниты и устройство закрепления магнита в пазу, выполненное в виде цилиндрической оболочки, охватывающей ротор.
Наиболее близок к предлагаемому вентильный электродвигатель с постоянными магнитами (патент РФ №2100893, БИ №13, 2005), который содержит кольцевой статор с многофазной обмоткой, цилиндрический ротор, включающий немагнитный вал, распределенные по окружности ферромагнитные полюсы, выполненные в виде сегментов и образующие межполюсные пространства в виде параллельных оси вала пазов. В пазах расположены намагниченные в тангенциальном направлении постоянные призматические магниты. Устройство закрепления магнитов в пазах выполнено в виде охватывающего магнит призматического футляра, стенки которого с торцов, со стороны вала и статора выполнены из неферромагнитного материала, а прилегающие к полюсам из ферромагнитного материала. Футляр закреплен разъемными соединениями торцов ротора и футляра с возможностью установки и выдвижения его из паза в осевом направлении.
Основными недостатком известного электродвигателя является снижение кпд вследствие возникновения вихревых токов в ферромагнитных стенках футляра, которые магнитный поток пересекает в поперечном направлении, а также индукционных токов в боковых стенках, охватывающих постоянные магниты. Вихревые и индукционные токи в стенках футляра образуются вследствие пульсаций магнитного потока постоянных магнитов из-за зубцовых пульсаций проводимости зазора при вращении ротора, а также из-за воздействия на ротор пульсаций магнитного потока, созданного статором (потоком реакции якоря). Пульсации магнитного потока, созданного статором, возникают в переходных процессах, а в некоторых типах вентильных электродвигателей с постоянными магнитами они имеют большую амплитуду и в установившихся режимах, например, в вентильных электродвигателях с зубцовыми обмотками [патент РФ №2047936, БИ №17, 2000].
Предлагаемое изобретение позволит снизить потери на вихревые и индукционные токи в элементах ротора, а также уменьшить реакцию якоря, чем обеспечивается более высокий кпд вентильных электродвигателей с постоянными магнитами.
Это достигается тем, что в вентильном электродвигателе с постоянными магнитами, содержащем кольцевой статор с многофазной обмоткой и цилиндрический ротор, включающий немагнитный вал и распределенные по окружности ферромагнитные полюсы, согласно изобретению каждый полюс образован пакетами шихтованных магнитопроводов двух соседних сегментов, установленных на немагнитном валу, а каждый сегмент составляют немагнитное основание П-образной формы, на котором закреплены два пакета шихтованного магнитопровода таким образом, чтобы между пакетами шихтованного магнитопровода оставалась полость, в которую устанавливаются постоянные магниты, после чего полость закрывается немагнитной пластиной. При этом образующие полюсы сегменты могут быть установлены на немагнитном валу таким образом, чтобы между пакетами шихтованных магнитопроводов соседних сегментов, образующих полюс, оставался немагнитный зазор.
Выполнение магнитопровода полюсов ротора только из шихтованного магнитопровода и исключение ферромагнитных и боковых стенок футляра, в который устанавливаются постоянные магниты, позволяет снизить потери на вихревые и индукционные токи в магнитопроводе ротора. Образование каждого полюса вентильного электродвигателя с постоянными магнитами из двух пакетов магнитопровода с немагнитным зазором между ними позволяет уменьшить реакцию якоря и не допустить существенного снижения и пульсаций магнитного потока ротора при работе двигателя под нагрузкой. Вследствие этого предлагаемый вентильный электродвигатель с постоянными магнитами имеет более высокий кпд, чем прототип.
На фиг.1 показан один из сегментов, образующих полюсы ротора в предлагаемом вентильном электродвигателе с постоянными магнитами; на фиг.2 - диаметральное сечение предлагаемого вентильного электродвигателя с постоянными магнитами.
Изображенный на фиг.1 сегмент состоит из двух пакетов 1 шихтованного магнитопровода, набранных из пластин электротехнической стали. Каждый пакет 1 магнитопровода имеет паз, в котором установлен стержень 2 из немагнитного материала, имеющий поперечные резьбовые отверстия. Пакеты 1 устанавливаются на основание 3 П-образной формы из немагнитного материала и винты 4 завинчиваются в резьбовые отверстия стержней 2, и стержни 2 прижимают пакеты 1 к немагнитному основанию 3. В образованную между пакетами 1 полость устанавливаются постоянные магниты 5, и полость закрывается немагнитной пластиной 6, фиксирующей постоянные магниты 5.
m
m
Основание 3 имеет резьбовые отверстия 7, с помощью которых сегмент закрепляется на полом немагнитном валу 8 винтами 9 (фиг.2). Сегменты располагаются на валу 8 таким образом, чтобы пакеты 1 соседних сегментов имели одинаковую полярность. Два пакета 1 соседних сегментов образуют один полюс ротора, но между пакетами 1 одно и того же полюса ротора остается немагнитный зазор 10. Статор электродвигателя состоит из шихтованного магнитопровода 11 и обмотки 12. На фиг.2 изображен статор с трехфазной зубцовой обмоткой, в которой каждая катушка размещается на одном зубце магнитопровода 11. Катушки первой фазы размещены на зубцах 13, 16, 19 и 22 магнитопровода 11. Катушки второй фазы размещены на зубцах 14, 17, 20 и 23, и катушки третьей фазы размещены на зубцах 15, 18, 20 и 24 магнитопровода 11. В фазах статора вентильного электродвигателя протекает трехфазный синусоидальный ток, синхронизированный с положением ротора. В положении ротора, показанном на фиг.2, для создания максимального момента ток первой фазы должен быть равен амплитудному значению I, а токи второй и третьей фаз - I/2. На фиг.2 показана полярность зубцов статора (обведена окружностями) при данных токах в фазах и магнитные потоки, созданные токами трех соседних зубцов 13, 14 и 24 статора разных фаз. При взаимодействии магнитных полей ротора и статора возникает момент, заставляющий ротор двигателя вращаться.
Как видно на фиг.2, магнитопровод ротора состоит только из пакетов шихтованного магнитопровода, и магнитные потоки через пакеты проходят в направлении шихтовки. Вследствие этого потери на вихревые ток в данном магнитопроводе минимальны. Потери на вихревые токи в самих постоянных магнитах из интерметаллических соединений снижаются набором постоянных магнитов каждого сегмента из нескольких призматических магнитов меньшего размера, изолированных друг от друга, либо использованием в качестве постоянных магнитов магнитопластов, имеющих намного большее электрическое сопротивление, чем постоянные магниты из интерметаллических соединений. Магнитные потоки, созданные фазами якоря, проходят через немагнитные зазоры между соседними сегментами, вследствие чего реакция якоря ослаблена и пульсации магнитных потоков уменьшаются, что также снижает потери в магнитопроводе. В то же время наличие воздушных зазоров между соседними сегментами практически не влияет на основной магнитный поток, созданный постоянными магнитами ротора. Сегменты, из которых формируется магнитная система ротора, могут быть закреплены на полом валу после установки ротора в расточку статора, при необходимости могут быть сняты с ротора и заменены без демонтажа ротора, что удобно для электродвигателей большой мощности.
Таким образом, в предлагаемом вентильном электродвигателе с постоянными магнитами по сравнению с прототипом потери в магнитопроводе ротора на вихревые токи, а также реакция якоря существенно меньше, вследствие чего кпд предлагаемого электродвигателя выше.