ТОРЦЕВОЙ ТОРОИДАЛЬНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК H02K17/12 H02K17/00 H02K5/12 

Изобретение относится к области электромашиностроения, касается вопросов повышения мощности и cosϕ электродвигателей тороидального класса с дисковым ферромагнитным ротором, и может быть использовано, например, для движителей плавсредств, в которых применяется электродвигатель с полым ротором, внутри которого расположен гребной винт.

Известны технические решения для торцевого тороидального электродвигателя (см. А.В.Иванов-Смоленский "Электрические машины", "Энергия", М., 1980, 926 стр. ; Патент ПНР N 143759, МКИ H 20 K 1/06, H 20 K 3/00. Заявлен 01.12.1988 г. Опубликован 31.12.1988 г. "Politechnika Warszawska", N 244847).

Конструкция таких асинхронных электродвигателей может быть как односторонней, когда диск ротора расположен с одной стороны статора, так и двухсторонней, когда диск ротора расположен посередине двух тороидальных статоров, отделенный от обеих поверхностей статора одинаковым воздушным зазором.

В односторонней конструкции между статором и ротором существует аксиальная сила одностороннего магнитного тяжения, поэтому более предпочтительной является вторая конструкция.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является двухсторонний торцевой тороидальный двигатель Ветохина ТЭМВ (В.И.Ветохин "Торцевая электрическая машина", патент РФ N 2041547, класс H 02 K 5/12, опубликован БИ N 22, 1995), принятый в качестве прототипа. Однако, вследствие того, что выбор толщины ферромагнитного диска ротора не оговаривается, конструкцию такого двигателя нельзя считать удовлетворительной, поскольку толщина диска ротора существенно влияет на мощность двигателя.

Заявляемое изобретение направлено на устранение указанного недостатка.

Для этого в известном тороидальном асинхронном двигателе, содержащим два и более тороидальных статора с обмоткой, между которыми с зазорами в области электромагнитного поля воздушного зазора расположены диски из ферромагнитного электропроводящего материала, эти диски выполняются с толщиной, равной значению d, определяемому по соотношению
(1)
где ρ - удельное электрическое сопротивление ферромагнитного материала ротора;
s - скольжение;
ω₁ - круговая частота электромагнитного поля статора;
μ - магнитная проницаемость ферромагнитного материала ротора.

Так, очевидно, что при толщине дисков ротора, стремящейся к нулю, электромагнитный момент, передаваемый со статоров через зазор в ротор, будет также стремиться к нулю. При достаточно толстых дисках ротора

эквивалентная глубина проникновения электромагнитного поля в ротор] через его торцевые поверхности с обоих статоров, не связаны между собой и определяются как и в случае, когда толщина диска d _→ ∞, поскольку при d > 3•Δ электромагнитное поле в диске ротора становится практически равным нулю. Вполне правдоподобным представляется допущение, что существует такая толщина дисков роторов d_опт, при которой электромагнитная мощность, передаваемая со статоров в ротор при том же скольжении s будет наибольшей при условии постоянства и равенства индукции B_δ в обоих воздушных зазорах между статорами и дисками ротора.

Проведенные расчетно-теоретические исследования показали, что действительно, в случае двухстороннего двигателя с однонаправленным магнитным потоком, т.е. когда магнитный поток выходит из одного статора, проходит диски ротора и входит в другой статор, электромагнитная мощность P_эм, передаваемая со статора в ротор, зависит от толщины дисков ротора d (при указанном условии равенства индукции B_δ в обоих воздушных зазорах и при том же скольжении s) и выражается следующей зависимостью:

где τ - полюсное деление,
B_δ - индукция в зазоре.

Так, например, при d _→ ∞; ψ_d = 0, ρ_d = 1, cos45^o = и приведенное выражение (2) переходит в выражение для электромагнитной мощности, передаваемой со статора на ротор, для обычного асинхронного двигателя со сплошным ферромагнитным ротором (Я.Туровский "Техническая электродинамика", Энергия, М., 1974, 486 стр.).

Анализ выражения (2) в функции толщины дисков ротора показал, что существует такая толщина диска ротора d_опт = π•Δ/2, при которой электромагнитная мощность, передаваемая со статора в ротор, является максимальной и будет в 1,31 раза больше, чем при односторонней передаче мощности для случая d > 3•Δ₂, т.к. в том случае получается:

При этом, соответственно, пропорционально повышается коэффициент мощности (cosϕ) двигателя и, следовательно, мощность двигателя в том же габарите.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен разрез торцевого тороидального асинхронного электродвигателя, содержащего три тороидальных статора и расположенных между ними два диска ротора. В корпусе двигателя 1 установлены статоры 2 с трехфазными обмотками 3. Между статорами 2 размещен с зазором ротор 4, выполненный в виде дисков из ферромагнитного электропроводящего материала, насаженных на общую ось (число дисков ротора n, число статоров k = n + 1).

Двигатель работает следующим образом: при подаче на обмотки электродвигателя трехфазного переменного напряжения в воздушном зазоре между статором и ротором образуется вращающееся магнитное поле, увлекающее ротор за собой вследствие наведения в дисках последнего вихревых токов.

При номинальном скольжении s = s_н и выборе толщины дисков d_опт = π•Δ/2, электромагнитная мощность P_эм, передаваемая в ротор, рассчитанная по формуле (2), будет в силу (3) и (4) в 1,31 раза больше, чем при бесконечно толстых дисках и является максимальной в функции толщины дисков ротора. Это явление происходит вследствие того, что при d = d_опт распределение наведенного в теле ротора вихревого тока, обусловленного результирующим электромагнитным полем, таково, что сдвиг во времени между результирующим током и ЭДС в теле ротора становится минимальным, а их произведение - т.е. мощность - максимальным. В свою очередь, это может быть объяснено влиянием отражения составляющих электромагнитного поля от поверхностей дисков ферромагнитного ротора (при бесконечно толстых дисках ротора отражения не происходит).

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам переменного тока. Технический результат - повышение коэффициента мощности двигателя и уменьшение его габаритов. Для достижения указанного технического результата в известном торцевом тороидальном асинхронном электродвигателе с ферромагнитным ротором толщина диска d определяется по формуле с определенными параметрами. 1 ил.

Торцевой тороидальный асинхронный электродвигатель, содержащий два и более тороидальных статора с обмоткой, между которыми с зазорами в области электромагнитного поля воздушного зазора расположены диски из ферромагнитного электропроводящего материала, отличающийся тем, что диски выполнены толщиной, равной значению d, определяемому по соотношению

где ρ - удельное электрическое сопротивление ферромагнитного материала ротора;
S - скольжение;
ω₁ - круговая частота электромагнитного поля статора;
μ - магнитная проницаемость ферромагнитного материала ротора.