Синхронный электродвигатель

Авторы патента:

Афанасьев Анатолий Юрьевич (RU)

Макаров Валерий Геннадьевич (RU)

Петров Алексей Андреевич (RU)

Круглов Павел Евгеньевич (RU)

H02K19/12 - отличающиеся по выполнению обмотки возбуждения, например для самовозбуждения, для компаундирования, для переключения полюсов

Владельцы патента RU 2761085:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (RU)

Изобретение относится к области электротехники, в частности к синхронным электродвигателям с реактивным ротором. В синхронном электродвигателе С-образные магнитопроводы 7-12 статора выполнены шихтованными из электротехнической стали, имеют плоские рабочие зазоры, расположены под углом π/3 и объединены в единую конструкцию с помощью подшипниковых щитов 13, 14, выполненных из немагнитного материала. На С-образных магнитопроводах 7-12 имеются фазы 1-6 обмотки статора, питаемые переменными напряжениями, сдвинутыми по фазе на угол π/6. Ротор 18 выполнен из ферромагнитного материала, установлен на валу 17 и имеет форму цилиндра, смещенного относительно оси. За счет выполнения кольцевой проточки ротора 18, введения неподвижной обмотки возбуждения 19, имеющей вид кольца с трапецеидальным сечением и питаемой переменным током, и выполнения соотношений

где амплитуды токов обмоток статора и возбуждения; их активные сопротивления; коэффициенты, определяющие средний электромагнитный момент достигается технический результат, заключающийся в повышении энергетических характеристик при вращении с повышенной скоростью при питании от трехфазной сети. 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к синхронным электродвигателям с реактивным ротором, и может быть применено в электромеханических системах с большими скоростями вращения, например, в компрессоростроении.

Известен синхронный электродвигатель, имеющий шихтованный магнитопровод статора с многофазной обмоткой и реактивный ферромагнитный ротор. Обмотка статора получает питание от инвертора частоты, вырабатывающего систему напряжений согласно требуемой скорости вращения (Г.Б. Онищенко «Электрический привод: учебник для студ. высш. учеб. заведений». 2-е изд., стер. -- М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 288 с.) - [1].

Его недостатком является сложность схемы питания.

Известен синхронный электродвигатель, имеющий П-образные магнитопроводы статора с сосредоточенной многофазной обмоткой и реактивный ферромагнитный ротор с явно выраженными полюсами (патент РФ № 2159494, H02K19/06, H02K1/06, опубл. 20.11.2000) - [2].

Его недостатком является низкая скорость вращения. Например, при частоте питания 50 Гц, трех П-образных магнитопроводах статора и двух полюсах на роторе скорость вращения ротора составляет 1500 об/мин.

Известен синхронный электродвигатель, имеющий П-образные шихтованные магнитопроводы статора с многофазной сосредоточенной обмоткой, фазы обмотки питаются переменными напряжениями, сдвинутыми по фазе на угол, меньший пространственного сдвига П-образных магнитопроводов, а ротор содержит два зубца, смещенных по оси и имеющих одинаковое угловое положение (патент РФ № 2499344, H02K19/06, H02K1/06, опубл. 20.11.2013) - [3].

Его недостатком является сложность конструкции и большой момент инерции ротора.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по конструкции и достигаемому эффекту является синхронный электродвигатель, имеющий шихтованные магнитопроводы статора с многофазной сосредоточенной обмоткой, фазы которой питаются напряжениями, сдвинутыми по фазе на угол, меньший пространственного сдвига магнитопроводов, и ферромагнитный ротор, магнитопроводы статора имеют С-образную форму с плоскими рабочими зазорами, а цилиндрический ротор смещен относительно оси вращения (патент РФ № 2704308, H02K1/06, Н02К 19/06, Н02К 41/06, опубл. 28.10.2019) - [4].

Его недостатком являются низкие энергетические характеристики в связи с реактивной природой электромагнитного момента, пропорционального квадрату фазных токов обмотки.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в повышении энергетических характеристик.

Технический результат достигается тем, что в синхронный электродвигатель, имеющий шихтованные магнитопроводы статора с многофазной сосредоточенной обмоткой, фазы которой питаются напряжениями, сдвинутыми по фазе на угол, вдвое меньший пространственного сдвига магнитопроводов, и цилиндрический ферромагнитный ротор, смещенный относительно оси вращения, магнитопроводы статора имеют С-образную форму с плоскими рабочими зазорами и охватывают ротор, введена неподвижная кольцевая обмотка возбуждения, имеющая трапецеидальное сечение и питаемая переменным током, ротор имеет клинообразную проточку, а питание обмоток статора и возбуждения осуществляется по соотношениям

где амплитуды токов обмоток статора и возбуждения; их активные сопротивления; коэффициенты, определяющие средний электромагнитный момент

Сущность технического решения поясняется фиг. 1 - 4, где

Фиг. 1 - поперечное сечение электродвигателя;

Фиг. 2 - продольное сечение электродвигателя;

Фиг. 3 - графики фазных токов и тока возбуждения;

Фиг. 4 - зависимости амплитуды тока возбуждения и электромагнитного момента от амплитуды токов обмотки статора при фиксированной мощности электрических потерь.

На фиг. 1, 2 обозначено:

1 - 6 - первая - шестая фазы обмотки статора;

7 - 12 - первый - шестой магнитопроводы статора;

13, 14 - подшипниковые щиты;

15, 16 - подшипники;

17 - вал;

18 - ротор;

19 - обмотка возбуждения.

С-образные магнитопроводы 7 - 12 статора выполнены шихтованными из электротехнической стали и расположены под углом 60 градусов относительно друг друга. Они объединены в единую конструкцию с помощью подшипниковых щитов 13, 14, выполненных из немагнитного материала. На С-образных магнитопроводах 7 - 12 установлены фазы 1 - 6 обмотки статора. Ротор 18 выполнен из ферромагнитного материала. Он имеет форму цилиндра с клинообразной проточкой, смещенного относительно оси вала 17, опирающегося на подшипники 15, 16. Ротор входит в зазоры между магнитопроводами 7 - 12. На статоре установлена неподвижная обмотка возбуждения 19, имеющая форму кольца с трапецеидальным сечением и входящая в проточку ротора.

Синхронный электродвигатель работает следующим образом.

Фазы 1 - 6 обмотки статора питаются переменными токами, сдвинутыми по фазе на угол π/6:

… ;

Здесь ω - угловая частота питающих напряжений.

В рабочих воздушных зазорах возникает волна магнитной индукции, соответствующая углу π. За время, соответствующее половине периода синусоидального напряжения, волна магнитной индукции поворачивается на угол 2π. Эта волна вместе с ротором вращается с угловой скоростью 2ω. Например, при частоте питания 50 Гц скорость вращения ротора составляет 6000 об/мин.

Магнитная проводимость рабочего воздушного зазора для одного магнитопровода определяется формулой

где магнитная постоянная; S - площадь между магнитопроводом и ротором; δ - зазор между ними. Ротор стремится занять положение, при котором максимальная магнитная проводимость и максимум площади перекрытия соответствуют максимуму модулей МДС и магнитной индукции.

На фиг. 3 представлены графики фазных токов обмотки статора и тока возбуждения Видно, что ток возбуждения пропорционален сумме мгновенных значений фазных токов. В качестве аргумента взят угол поворота ротора измеряемый от оси фазы 1 до продольной оси ротора.

Электромагнитный момент определяется формулой

Здесь Λ_k - магнитная проводимость между ротором и k-м магнитопроводом; w, w_f - числа витков фаз обмотки статора и обмотки возбуждения.

Если

то

Здесь Λ_m - амплитуда переменных составляющих магнитных проводимостей Λ_k. Средний момент электродвигателя определяется выражением

Для повышения энергетических характеристик решена задача математического программирования - найти амплитуды токов I_m, I_fm, создающих требуемый момент М₀ при минимальной мощности потерь:

Из первого уравнения следует

Приравнивая производную от последнего выражения нулю, получаем

На фиг. 4 представлены зависимости амплитуды тока возбуждения и среднего момента М₀ от амплитуды токов обмотки статора при следующих параметрах:

Ом;

Гн;

Вт.

Оптимальные значения амплитуд токов , среднего по углу момента М₀ и коэффициент эффективности обмотки возбуждения - в таблице. Коэффициент определялся по формуле

Здесь М_с - момент двигателя без обмотки возбуждения, М_с = 1875 Н⋅м.

R_f, Ом	I ₀ _m , A	I_f ₀ _m , A	M ₀, Н⋅м	η, %
1	8,15	12,96	3795	102,43
2	8,49	8,35	3064	63,43
3	8,70	6,35	2756	47,01
4	8,86	5,18	2581	37,66
5	8,98	4,40	2466	31,53

Видно, что с уменьшением активного сопротивления обмотки возбуждения R_f оптимальное значение амплитуды тока возбуждения, ее эффективность η и оптимальный момент M₀ возрастают.

Благодаря кольцевой проточке на роторе и выполнению обмотки возбуждения в виде кольца с трапецеидальным сечением возможно уменьшение ее среднего радиуса, что уменьшает ее сопротивление и мощность потерь в ней.

Таким образом, благодаря тому, что на статоре установлена кольцевая обмотка возбуждения с питанием переменным током, и оптимальному соотношению между токами обмотки статора и возбуждения, получен синхронный электродвигатель с повышенными энергетическими характеристиками.

Синхронный электродвигатель, имеющий шихтованные магнитопроводы статора с многофазной сосредоточенной обмоткой, фазы которой питаются напряжениями, сдвинутыми по фазе на угол, вдвое меньший пространственного сдвига магнитопроводов, и цилиндрический ферромагнитный ротор, смещенный относительно оси вращения, магнитопроводы статора имеют С-образную форму с плоскими рабочими зазорами и охватывают ротор, отличающийся тем, что введена неподвижная кольцевая обмотка возбуждения, имеющая трапецеидальное сечение и питаемая переменным током, ротор имеет клинообразную проточку, а питание обмоток статора и возбуждения осуществляется по соотношениям

Изобретение относится к области электротехники. Синхронная машина с общей системой возбуждения при работе в режиме генератор/двигатель, содержащая: корпус с подшипниковыми щитами, ротор с валом, статор с основной обмоткой, установленной в корпусе, ротор синхронной машины с основным ротором с обмоткой, установленный на валу, статор возбудителя с обмоткой, установленный на подшипниковом щите корпуса, ротор возбудителя с обмоткой, имеющий магнитную связь со статором с обмоткой, выпрямитель, установленный на роторе возбудителя, выпрямляющий переменное напряжение обмотки ротора возбудителя в постоянное напряжение для обеспечения током возбуждения обмотки основного ротора синхронной машины.

Вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением с жидкостной системой охлаждения // 2741053

Изобретение относится к области электротехники, а именно к вентильно-индукторным двигателям с независимой катушкой возбуждения. Технический результат - повышение эффективности охлаждения катушки независимого возбуждения вентильно-индукторного двигателя, а также сокращение электромагнитных потерь двигателя.

Индукторная электрическая машина // 2507666

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, в частности к бесконтактным синхронным генераторам для систем электроснабжения и/или двигателям с внешнезамкнутым потоком возбуждения. Предлагаемая индукторная электрическая машина содержит статор с рабочей обмоткой и обмоткой возбуждения в виде катушки, размещенный внутри статора ротор, смонтированный на немагнитном валу, магнитопроводящие щиты, снабженные выступами, между которыми с прилеганием к ним установлен внешнезамкнутый магнитопровод, при этом имеются три обмотки возбуждения, каждая из которых равноудалена от соседних на 120° и выполнена по типу трехфазного трехстержневого трансформатора, стержни которого расположены в одной плоскости и ориентированы тангенциально к образующей ротора, выполненного в виде стального цилиндра, имеющего просверленные по периметру каналы, в которые заложены медные электрически изолированные проводники по форме цилиндрических пружин, электрически соединяющиеся на торцах ротора с медными кольцами, имеющими отверстия, соосные медным цилиндрическим пружинам.

Устройство пуска синхронного двигателя // 2396692

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в приводе турбомеханизмов и иных машин средней мощности, не требующих регулирования частоты вращения, обеспечивающем управление синхронными двигателями и силовыми блоками «трансформатор-двигатель». .

Электрическая редукторная машина с полюсным зубчатым индуктором // 2393614

Изобретение относится к области электротехники и в частности - к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается особенностей конструктивного исполнения электрических машин с электромагнитной редукцией и может быть использовано в системах автоматики, в качестве мотор-колес, мотор-барабанов, стартер-генераторов, электроусилителей руля, прямых приводов в бытовой технике, электроприводов бетоносмесителей, грузоподъемных механизмов, ленточных транспортеров, насосов для перекачки жидкостей, механизмов с высокими моментами на валу и низкими частотами его вращения, а также в качестве ветрогенераторов, гидрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов и синхронных генераторов преобразователей частоты.

Вентильно-индукторный четырехфазный нереверсивный двигатель // 2390085

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах механизмов с переменной производительностью, например в вентиляторах, насосах, компрессорах и в бытовой технике. .

Блок трансформатор - синхронный двигатель // 2354035

Изобретение относится к области электротехники, а именно к синхронному приводу, касается, в частности, силовых блоков «трансформатор-двигатель» с синхронным двигателем и предназначено для использования в приводе турбомеханизмов и иных машин средней мощности, не требующих регулирования частоты вращения.

Синхронная машина постоянного тока // 2340067

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения, а именно к синхронным машинам постоянного тока. .

Способ синхронизации синхронного двигателя с двойной обмоткой на статоре // 2317627

Изобретение относится к синхронным машинам, а более конкретно к способам и устройствам управления синхронизацией синхронного двигателя с двойной обмоткой на статоре. .

Устройство управления синхронным двигателем // 2315418

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления пуском синхронных двигателей, а более конкретно для синхронизации синхронных двигателей с двойной якорной обмоткой. .