СИНХРОННЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ МАЛОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2024 года по МПК H02K21/22 H02K1/2786 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к синхронным магнитоэлектрическим двигателям малой мощности вращательного действия, которые могут быть использованы приводным устройством во многих электромеханических системах, таких как вентиляторы, насосы и другие. Указанный тип двигателей имеет высокую эффективность работы за счет применения постоянных магнитов.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению (прототипом) является синхронный двигатель с постоянными магнитами (СДПМ), конструкция которого представлена в статье [Е.Г. Андреева, А.С. Татевосян, Н.А. Терещенко. Анализ результатов имитационного моделирования синхронного двигателя малой мощности с постоянными магнитами с учетом свойств стали магнитной системы //Актуальные вопросы энергетики. Изд. ОмГТУ, - Омск, 2023, С. 53-60]. Синхронный двигатель с постоянными магнитами состоит из внешнего вращающегося ротора, состоящий из магнитопласта на основе сплава неодим-железо-бор (Nd-Fe-B) и стального сердечника, а также неподвижного статора, на котором размещена обмотка двигателя. Ротор является индуктором, т.е. создает основной магнитный поток, и представляет собой корпус в виде стального проводящего стакана вместе с магнитопластом, изготовленный на магнитной основе порошка состава Nd-Fe-B. Статор, он же якорь, имеет явнополюсную конструкцию из шихтованной стали с четырьмя полюсами (2р = 4). На обмотку якоря через частотный преобразователь подается синусоидальное напряжение частотой 200 Гц (амплитудное значение напряжения - 24 В), питаемый от источника постоянного тока. В составе двигателя используется радиально намагниченный кольцевой магнитопласт, образующий четыре полюса.

Недостатком конструкции является магнитное насыщение стального проводящего стакана, при котором индукция насыщения достигает максимального значения, что приводит к ухудшению энергетических показателей двигателя, вследствие увеличения рассеяния магнитного потока, уменьшения электромагнитного момента и снижения КПД синхронного двигателя.

Технической задачей является уменьшение рассеяния магнитного потока, исключение потерь в стальном проводящем стакане, повышение вращающего электромагнитного момента и КПД синхронного двигателя. Для этого в конструкции синхронного магнитоэлектрического двигателя малой мощности необходимо исключить стальной проводящий стакан, используемый для замыкания основного магнитного потока. Вместо него изготовить ротор двигателя в виде постоянных магнитов из сплава редкоземельных металлов (РЗМ), намагниченных в тангенциальном направлении, образующих составной полюс. Причем постоянные магниты внутри составного полюса обращены друг к другу разноименными полюсами, а составные полюса обращены друг к другу одноименными полюсами, между составными полюсами находятся сегменты из шихтованного стального магнитопровода для замыкания основного магнитного потока.

Для достижения поставленной задачи предлагается использовать постоянные магниты на основе сплава РЗМ, например, Nd-Fe-B. Магнитный полюс является составным и представляет собой m≥1 постоянных магнитов цилиндрической или призматической формы. Количество пар полюсов синхронного двигателя n≥1.

Это приведет к изменению распределения магнитного поля в магнитной системе двигателя, существенно уменьшив рассеяние магнитного потока.

На фиг. 1 приведена конструкция магнитной системы синхронного двигателя с постоянными магнитами.

На фиг. 2 приведена расчетная модель магнитной системы синхронного двигателя с постоянными магнитами в прикладном программном обеспечении ELCUT.

На фиг. 3 представлены результаты моделирования магнитной системы в прикладном программном обеспечении.

На фиг. 4 показано распределение индукции магнитного поля в зоне составного полюса ротора.

На фиг. 1 приведена конструкция магнитной системы синхронного двигателя с постоянными магнитами, включающая в свой состав неподвижный статор (1), который является явнополюсным и состоит из шихтованного стального магнитопровода, на котором размещена обмотка (2) двигателя, которая состоит из n≥1 катушек, для замыкания магнитного потока вращающийся ротор представляет собой сегменты шихтованного стального магнитопровода (3), между которыми размещены постоянные магниты (4), которые образуют составной полюс, причем постоянные магниты в одном составном полюсе обращены друг к другу разноименными полюсами, а сами составные полюса обращены друг к другу одноименными полюсами, количество составных магнитных полюсов и количество катушек в обмотке двигателя является одинаковым.

В качестве примера рассмотрим синхронный магнитоэлектрический двигатель, имеющий две пары полюсов (2p=4).

Электрические характеристики двигателя: потребляемая мощность Р1 = 20 Вт, напряжение питания 24 B от источника постоянного тока, потребляемый ток I₁ = 1 А, пусковой ток I_п = 3 А. Габаритные размеры, определяемые областью применения: внешний диаметр индуктора d = 53 мм, его толщина l = 20 мм.

Принцип работы двигателя основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами и током, протекающим по виткам катушек. На обмотку якоря через частотный преобразователь подается синусоидальное напряжение частотой 200 Гц (амплитудное значение напряжения - 24 В), питаемый от источника постоянного тока.

При моделировании использовались следующие допущения: относительные магнитные проницаемости меди обмоток μ_м и воздуха μ_в равны 1; коэрцитивная сила постоянных магнитов 955 кА/м. Обмотка статора СДПМ представлена прямоугольной областью, сформированной из поперечных сечений витков четырех полюсных обмоток, которые соединены последовательно (Фиг. 2). Параметры пространственной триангуляционной сети конечных элементов, на которую разбивается геометрическая модель СД - шаг изменения по пространственным координатам 0,3 мм, число узлов триангуляционной сети 54946. Для линейной задачи относительная магнитная проницаемость стали магнитопровода статора и индуктора μ = 1000. Для нелинейной задачи задается кривая намагничивания для электротехнической стали 2412 [ГОСТ 21427-83].

Результаты моделирования рабочего режима синхронного двигателя с постоянными магнитами приведены на фиг. 3 и фиг. 4.

Технический результат: использование составного полюса из постоянных магнитов на основе сплава РЗМ NdFeB, намагниченных в тангенциальном направлении, позволяет уменьшить рассеяние магнитного потока, увеличить вращающий момент и КПД двигателя.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к синхронным магнитоэлектрическим двигателям малой мощности. Технический результат – уменьшение рассеяния магнитного потока, исключение потерь в стальном проводящем стакане, повышение вращающего электромагнитного момента и КПД синхронного двигателя. Синхронный магнитоэлектрический двигатель малой мощности состоит из вращающегося внешнего ротора и неподвижного статора, содержащего шихтованный стальной магнитопровод с обмоткой. Ротор содержит постоянные магниты из сплава редкоземельных металлов NdFeB, намагниченные в тангенциальном направлении и образующие составной полюс. При этом постоянные магниты внутри составного полюса обращены друг к другу разноименными полюсами, а составные полюса обращены друг к другу одноименными полюсами. Между составными полюсами находятся сегменты из шихтованного стального магнитопровода, служащие для замыкания основного магнитного потока в магнитной цепи двигателя. Количество составных магнитных полюсов и количество катушек в обмотке двигателя является одинаковым. 4 ил.

Синхронный магнитоэлектрический двигатель малой мощности, состоящий из вращающегося внешнего ротора и неподвижного статора, содержащего шихтованный стальной магнитопровод, на котором размещена обмотка, ротор является индуктором, создающим основной магнитный поток, отличающийся тем, что ротор содержит постоянные магниты из сплава редкоземельных металлов NdFeB, намагниченные в тангенциальном направлении и образующие составной полюс, причем постоянные магниты внутри составного полюса обращены друг к другу разноименными полюсами, а составные полюса обращены друг к другу одноименными полюсами, между составными полюсами находятся сегменты из шихтованного стального магнитопровода, служащие для замыкания основного магнитного потока в магнитной цепи двигателя, при этом количество составных магнитных полюсов и количество катушек в обмотке двигателя является одинаковым.