Патент на изобретение №2375806
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С МАГНИТНОЙ РЕДУКЦИЕЙ
(57) Реферат:
Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и касается выполнения синхронных электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в качестве компактного агрегата «двигатель-редуктор» в механических системах с большим ресурсом работы при ударных нагрузках, например, в качестве мотора-колеса в экологически чистых автомобилях. Предлагаемый синхронный электродвигатель содержит корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, вал, чередующиеся коаксиальные полые цилиндры ротора и статора, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов, расположенных вдоль оси вращения, причем цилиндры ротора механически связаны с ротором, а цилиндры статора – с корпусом, при этом зубцы и ферромагнитные элементы цилиндров статора, а также зубцы магнитопровода и ферромагнитные элементы цилиндров ротора имеют свои одинаковые угловые положения. При этом согласно изобретению в синхронный электродвигатель введены второй пакет статора в виде полого цилиндра с зубцами на его внутренней поверхности, расположенный снаружи от полых цилиндров, вал с ротором быстрого вращения, содержащим высококоэрцитивные постоянные магниты в виде прямоугольных параллелепипедов, расположенные радиально, намагниченные тангенциально и встречно, клинообразные полюсные наконечники, расположенным между полыми цилиндрами и пакетом статора с многофазной обмоткой, имеющим обращенную конструкцию. Технический результат – улучшение массогабаритных показателей данных электродвигателей. 3 ил.
Изобретение относится к электрическим машинам, а конкретно к синхронным двигателям с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в качестве компактного агрегата “двигатель-редуктор” в механических системах с большим ресурсом работы при ударных нагрузках, например, в качестве мотора-колеса экологически чистых автомобилей. Известен синхронный двигатель с магнитной редукцией, содержащий корпус, вал, зубчатый статор с трехфазной обмоткой и зубчатый ротор (патент Недостатком данного двигателя являются низкие массогабаритные показатели, поскольку взаимодействие между статором и ротором происходит на одной цилиндрической поверхности в рабочем зазоре. Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является синхронный электродвигатель, имеющий корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, магнитопровод ротора с зубцами, вал, 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 и ферромагнитные элементы цилиндров статора, а также зубцы магнитопровода и ферромагнитные элементы цилиндров ротора имеют свои одинаковые угловые положения (патент Недостатком данного двигателя являются низкие энергетические показатели, связанные с большими потерями энергии в обмотке статора. Она должна создавать значительную магнитодвижущую силу, достаточную для преодоления магнитным потоком многослойной магнитной системы. Далее по принципу действия данный электродвигатель является реактивным, и обмотка статора должна создавать как продольную, так и поперечную составляющие магнитного потока. Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, – снижение энергопотребления электродвигателя, т.е. снижение мощности потерь при заданных габаритах двигателя и большом выходном моменте. Технический результат достигается тем, что в синхронный электродвигатель, имеющий корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, вал, чередующиеся коаксиальные полые цилиндры ротора и статора, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов, расположенных вдоль оси вращения, причем цилиндры ротора механически связаны с ротором, а цилиндры статора – с корпусом, при этом зубцы и ферромагнитные элементы цилиндров статора, а также зубцы магнитопровода и ферромагнитные элементы цилиндров ротора имеют свои одинаковые угловые положения, введены второй пакет статора в виде полого цилиндра с зубцами на его внутренней поверхности, расположенный снаружи от полых цилиндров, вал с ротором быстрого вращения, содержащим высококоэрцитивные постоянные магниты в виде прямоугольных параллелепипедов, расположенные радиально, намагниченные тангенциально и встречно, клинообразные полюсные наконечники, расположенным между полыми цилиндрами и пакетом статора с многофазной обмоткой, имеющим обращенную конструкцию. Сущность заявленного изобретения поясняется на Фиг.1-3, где Фиг.1 – поперечное сечение синхронного электродвигателя; Фиг.2 – продольное сечение синхронного электродвигателя; Фиг.3 – волна магнитной индукции и развертка полых цилиндров. Здесь 1 – корпус, 2 – пакет статора, 3 – трехфазная обмотка, 4 – наружный пакет, 5 – полые цилиндры статора, 6 – полые цилиндры ротора, 7 – полюсные наконечники, 8 – постоянные магниты, 9, 10 – немагнитные диски, 11 – подшипники вала быстрого вращения, 12 – вал быстрого вращения, 13 – подшипники вала медленного вращения, 14 – вал медленного вращения. Синхронный электродвигатель имеет корпус 1, внутренний пакет статора 2 с многофазной обмоткой 3, наружный пакет 4, полые цилиндры статора 5, ротор медленного вращения с полыми цилиндрами 6, подшипниками 13 и валом 14, ротор быстрого вращения с прямоугольными высококоэрцитивными постоянными магнитами 8 (например, самарий-кобальтовыми или из сплава ниодим-железо-бор), намагниченными тангенциально, и клинообразные полюсные наконечники 7 с выпуклыми профилированными поверхностями, обращенными к внутреннему и наружному рабочим зазорам, подшипники 11 и вал быстрого вращения 12. Полые цилиндры ротора 6 и полюсные наконечники 7 с постоянными магнитами 8 крепятся немагнитными дисками 9, 10 к валу медленного 14 и быстрого вращения 12 соответственно. Кольцевой шихтованный магнитопровод 4 имеет равномерно расположенные зубцы, обращенные к рабочему зазору. Полые цилиндры 5 и 6 имеют чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, параллельные оси вращения. Угловые размеры всех зубцов и ферромагнитных элементов полых цилиндров одинаковые. Магнитные элементы полых цилиндров, связанных со статором, имеют угловое положение, совпадающее с угловым положением зубцов магнитопровода статора. Количество ферромагнитных элементов полых цилиндров, связанных со статором и с ротором медленного вращения, отличаются в пределах одного полюсного деления ротора быстрого вращения на единицу. Синхронный электродвигатель работает следующим образом. На многофазную обмотку 3 статора подается многофазная система напряжений. Возникает вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с магнитными потоками, выходящими из клинообразных полюсных наконечников 7 во внутренний воздушный зазор. Ротор быстрого вращения вращается с угловой частотой
где Постоянные магниты 8 ротора быстрого вращения и полюсные наконечники 7 создают в рабочих зазорах синусоидально распределенную магнитную индукцию. Максимальное по модулю значение магнитной индукции достигается посередине полюсных наконечников. В рабочих зазорах напротив середин постоянных магнитов радиальная составляющая магнитной индукции равна нулю. При вращении ротора быстрого вращения со скоростью На Фиг.3 показана волна магнитной индукции B( В зонах нейтралей, соответствующих серединам магнитов 8, ферромагнитные элементы полых цилиндров 6, связанных с ротором медленного вращения, расположены напротив немагнитных элементов цилиндра 5 и напротив пазов на пакете 4. Когда ротор быстрого вращения повернется на одно полюсное деление, полюсы N и S поменяются местами, а полые цилиндры 6 повернутся на один ферромагнитный элемент (на зубцовое деление). На Фиг.3 показан случай, когда передаточное отношение редуктора равно 7, т.е. ротор медленного вращения вращается со скоростью
Угловая скорость вала 14 и выходной момент определяются выражениями
где ip – коэффициент магнитной редукции, zр – количество ферромагнитных элементов полого цилиндра ротора. Угловая скорость двигателя на Фиг.1, 2 при частоте питания
Момент синхронного двигателя М определяется формулой
где Lf – взаимная индуктивность между обмоткой возбуждения (или обмоткой, эквивалентной постоянному магниту) и соосной продольной фазой статора; if – ток возбуждения или ток обмотки, эквивалентной постоянному магниту; id, iq – токи продольной и поперечной фаз обмотки статора; Ld, Lq – индуктивности этих фаз. В синхронном реактивном двигателе (прототип) имеется только второе слагаемое в формуле момента. Пусть p=1, Ld=2 у.е., Lq=1 у.е., id=1 у.е., iq=1 у.е., r=1 у.е. (у.е. – условные единицы). Тогда реактивный момент и мощность потерь имеют значения М=1(2-1)1·1=1 у.е.,
Синхронный двигатель с электромагнитным возбуждением имеет момент и мощность потерь: M=1·2·1·1=2 у.е.,
При Lf=2 у.е., if=1 у.е., id=0 у.е., iq=1 у.е., rf=1 у.е. В предлагаемом двигателе с возбуждением от постоянных магнитов можно положить при тех же величинах M=2 у.е.,
Произведение Lf if зависит от МДС обмотки возбуждения или от постоянного магнита. Высококоэрцитивные постоянные магниты (например, SmCo5) имеют Hc=500 А/мм или в точке максимума энергии Hd=250 А/мм. При плотности тока j=4 А/мм2 и коэффициенте заполнения медью kз.м.=0,4 такой постоянный магнит соответствует обмотке с толщиной
При меньшей толщине обмотки момент при переходе к постоянным магнитам возрастает в большой степени при одновременном снижении мощности потерь. Таким образом, введением ротора быстрого вращения и дополнительного статора при обращенной конструкции машины был получен двигатель с большим моментом и малой мощностью потерь.
Формула изобретения
Синхронный электродвигатель, имеющий корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, вал, чередующиеся коаксиальные полые цилиндры ротора и статора, состоящие из ферромагнитных и немагнитных элементов, расположенных вдоль оси вращения, причем цилиндры ротора механически связаны с ротором, а цилиндры статора – с корпусом, при этом зубцы и ферромагнитные элементы цилиндров статора, а также зубцы магнитопровода и ферромагнитные элементы цилиндров ротора имеют свои одинаковые угловые положения, отличающийся тем, что введены второй пакет статора в виде полого цилиндра с зубцами на его внутренней поверхности, расположенный снаружи от полых цилиндров, вал с ротором быстрого вращения, содержащим высококоэрцитивные постоянные магниты в виде прямоугольных параллелепипедов, расположенные радиально, намагниченные тангенциально и встречно, клинообразные полюсные наконечники, расположенные между полыми цилиндрами и пакетом статора с многофазной обмоткой, имеющим обращенную конструкцию.
РИСУНКИ
QB4A – Регистрация лицензионного договора на использование изобретения
Лицензиар(ы): Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технический унивесритет им. А.Н. Туполева
Вид лицензии*: НИЛ
Лицензиат(ы): Закрытое акционерное общество Межотраслевой инновационный центр “КАИ-Инжиниринг”
Договор № РД0067507 зарегистрирован 21.07.2010
Извещение опубликовано: 10.09.2010 БИ: 25/2010
* ИЛ – исключительная лицензия НИЛ – неисключительная лицензия
|
||||||||||||||||||||||||||
2076433, Н02К 19/06, опубл. 2003.07.10, Бюл. 
– угловая частота переменных напряжений; p – число пар полюсов ротора быстрого вращения (здесь p=4). Магнитные потоки, выходящие из клинообразных полюсных наконечников 7 в наружный воздушный зазор, разделяются на большое число струек потока, которые многократно изгибаются и создают большой момент на выходном валу 14.
) и развертка втулок. Зубцы пакета 4 и ферромагнитные элементы полого цилиндра 5 неподвижны. В зоне максимума амплитуды магнитной индукции все ферромагнитные элементы и зубцы расположены друг против друга.
=50 Гц будет равна
