Синхронный реактивный электродвигатель Советский патент 1992 года по МПК H02K19/06 

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к синхронным реактивным электродвигателям, и может быть использовано, например, в силовых электроприводах.

Известен синхронный реактивный электродвигатель, содержащий статор с многофазной обмоткой и ротор, выполненный из ферромагнитных пластин, расположенных вдоль оси вращения, объединенных в пакеты, которые отделены один от другого слоями немагнитного электропроводящего материала одинаковой толщины, причем толщина пакетов пластин выполнена различной с уменьшением ее от оси полюса ротора к его краям по закону синуса. Такая конструкция ротора обеспечивает распределение магнитной проводимости от продольной к поперечной оси полюса ротора по закону, близкому к косинусоидальному, и равномерную магнитную загрузку поперечного сечения магнитопровода ротора.

Недостатками рассматриваемого двигателя являются низкое использование активных материалов и невысокие энергетические показатели, обусловленные малым значением отношения Gct/Gq магнитных проводимостей по продольной и поперечной осям, вследствие высокого уровня магнитной проводимости Gq по поперечной оси, предопределенного тем, что пути, вдоль которых замыкается поперечный магнитный поток, всюду включают наряду с немагнитными слоями еще и ферромагнитные пакеты.

Наиболее близким к предлагаемому является синхронный реактивный электродвигатель, содержащий статор с многофазной обмоткой и ротор, выполненный из расположенных вдоль активной поверхности двигателя ферромагнитных пакетов, состоящих из отдельных элементов с прорезями, между пакетами размещены слои из немагнитного материала,

Недостатком такого двигателя является невысокое использование активных материалов, предопределенное несинусоидальным характером изменения магнитной проводимости на полюсном делении ротора и неравномерной магнитной загрузкой различных участков магнитопровода ротора.

Цель изобретения - улучшение использования активных материалов синхронного реактивного электродвигателя.

Поставленная цель достигается тем, что в синхронном реактивном электродвигателе, содержащем статор с многофазной обмоткой и ротор, выполненный из расположенных вдоль оси вращения ферромагнитных пакетов, состоящих из отдельных элементов с прорезями, между пакетами размещены слои из немагнитного материала одинаковой толщины, а толщина пакетов уменьшается от оси полюса ротора

к его краям по закону синуса, прорези в ферромагнитных элементах выполнены в форме n-угольников, где п 4,6, образованных равнобочными трапециями, при п б, примыкающих большими основаниями,

причем расстояние между соседними меньшими основаниями разных прорезей вдоль ферромагнитного элемента выполнено в соответствии с выражением В d«ctg a ,

где d - расстояние между большими основаниями трапеций;

а - угол между боковой стороной и большим основанием трапеции.

Заявителю неизвестны аналоги и другие технические решения, в которых описа- нысинхронныереактивные

электродвигатели с роторами, прорези в ферромагнитных элементах которых выполнены в форме n-угольников, где п 4.6, образованных равнобочными трапециями, при п 6 примыкающих большими основаниями, причем расстояние между соседними меньшими основаниями разных прорезей вдоль ферромагнитного элемента

выполнено в соответствии с выражением

В d ctg a.

где d - расстояние между большими основаниями трапеций;

а - угол между боковой стороной и

большим основанием трапеции

На фиг. 1 представлен рассматриваемый в качестве примера 4-полюсный ротор синхронного реактивного электродвигателя (поперечный разрез); на фиг. 2-4 - ферромагнитные элементы ротора с различными вариантами прорезей.

Ротор предлагаемого синхронного реактивного электродвигателя (фиг 1) содержит вал 1, пакеты 2 из ферромагнитных

элементов 3 с прорезями 4, толщина пакетов 2 уменьшается от продольной оси 5 полюса б к ближайшим поперечным осям 7 по закону синуса. Немагнитные прослойки 8 (например, из алюминия) имеют одинаковую толщину и отделяют пакеты 2 друг от друга.

Прорези 4 (фиг. 2,3 и 4) имеют форму либо четырехугольников, представляющих собой равнобочные трапеции 9, либо шестиугольников, каждый из которых образован парой равнобочных трапеций 9, примыкающих одна к другой большими основаниями Причем расстояние между соседними меньшими основаниями разных прорезей 4

вдоль ферромагнитного элемента 3 равно В d ctg a, где d - расстояние между большими основаниями трапеций 9; а. - угол между боковой стороной и большим основанием трапеции 9. Во всех прорезях 4 угол а одинаков В частном случае, при отсутствии прорези 4 с боковой грани элемента 3 (фиг. 3 и 4) расстояние между этой боковой гранью и меньшим основанием близлежащей к ней прорези 4 вдоль ферромагнитного элемента 3, аналогично, равно С a ctg a, где a - расстояние между боковой гранью и большим основанием вышеуказанной трапеции 9.

При работе заявляемого электродвига- теля в синхронном режиме синусоидальному распределению индукции в воздушном зазоре способствует близкое к косинусои- дальному распределение магнитной проводимости от продольной 5 к поперечным осям 7 полюса 6 ротора, что, в сочетании с предлагаемым выполнением прорезей 4, обеспечивает оптимальную и равномерную магнитную загрузку магнитопровода ротора и, в конечном счете, улучшает использо- ваниеактивныхматериалов

электродвигателя.

При синусоидальном распределении намагничивающей силы статора вдоль полюсного деления для оптимальной и равно- мерноймагнитнойзагрузки

магнитопровода ротора, ферромагнитные элементы 3 которого выполнены с прорезями 4, недостаточно выполнения пакетов 2 различной толщиной с уменьшением ее от оси 5 полюса 6 к его краям по закону синуса и отделения их (пакетов 2) друг от друга немагнитными слоями 8 одинаковой толщины, так как это обеспечивает требуемое синусоидальное распределение магнитной проводимости ротора лишь на его поверхности, обращенной к воздушному зазору (т.е. на активной поверхности).

Недостающим условием является выполнение прорезей 4 таким образом, чтобы их наличие не искажало внутри ротора характер изменения магнитной проводимости достигнутый на его активной поверхности, а их форма, размеры и расположение обеспечивали равномерную магнитную загрузку всех ферромагнитных участков ротора.

Удовлетворить этому условию с доста- точной для практики точностью можно, выполнив: прорези 4 в ферромагнитных элементах 3 ротора в форме п-угольников, где п 4,6, образованных равнобочными трапециями 9, при п 6 примыкающих большими основаниями; угол а между боковой стороной и большим основанием каждой

трапеции 9 во всех ферромагнитных элементах 3 одинаковым; расстояние между соседними меньшими основаниями разных прорезей 4 вдоль ферромагнитного элемента 3, во всех ферромагнитных элементах 3 равным В d ctg a , где d - расстояние между большими основаниями трапеций 9

Такие формы, размеры и расположение прорезей 4 следуют из анализа пути замыкания магнитного потока в роторе.

Действительно, магнитный поток проникает из статора через воздушный зазор в ротор по всей активной длине машины. Далее он огибает прорези 4, проходит через ферромагнитные участки элементов 3, расположенные между ними, и вновь устремляется в воздушный зазорГвыходя из ротора также по всей активной длине. При огибании прорезей 4, т.е. в ферромагнитных участках элементов 3, расположенных над (под) ними, величина магнитного потока нарастает по линейному закону. Естественно, что для равномерной магнитной загрузки ферромагнитных участков отдельного элемента 3 ротора, расположенных над(под) прорезями 4, во-первых, ширина этих участков должна увеличиваться по линейному закону либо от одного края прорези 4 до другого либо в обе стороны от какой-либо точки на поверхности ротора, расположенной над (под) рассматриваемой прорезью 4 (например, над (под) ее центром) до ее краев и во-вторых, угол а между боковой стороной и большим основанием каждой трапеции 9 как определяющий уровень индукций в этих ферромагнитных участках (т.е. в ферромагнитных участках, расположенных над (под) прорезями 4) в сравнении с индукцией на активной поверхности элемента 3, должен быть постоянным

Для равномерной магнитной загрузки ферромагнитных участков отдельного элемента 3 ротора, находящихся между прорезями 4, ширина участков вдоль ферромагнитных элементов 3 должна оставаться постоянной и такой, чтобы отношение ее величины к расстоянию между большими основаниями соседних трапеций 9, принадлежащих различным прорезям как определяющее уровень индукции в этих ферромагнитных участках (т.е в ферромагнитных участках, расположенных между прорезями 4) в сравнении с индукцией на активной поверхности элемента 3, было одинаковым во всем ферромагнитном элементе 3.

Для равномерной магнитной загрузки всех ферромагнитных участков отдельного элемента 3, наряду с вышеописанными условиями, расстояние между соседними меньшими основаниями разных прорезей 4 вдоль ферромагнитного элемента 3 должно быть выполнено в соответствии с выражением В dctg а, где d - расстояние между большими основаниями трапеций 9. В частном случае, при отсутствии прорези 4, с боковой грани элемента 3, расстояние между этой боковой гранью и меньшим основанием близлежащей к ней прорези 4 вдоль ферромагнитного элемента 3, аналогично, должно быть выполнено в соответствии с выражением С a ctg а, где a - расстояние между боковой гранью и большим основанием вышеуказанной трапеции 9.

Так как на поверхности ротора, обращенной к воздушному зазору, достигнуто синусоидальное распределение магнитной проводимости (выполнением пакетов 2 различной толщиной, с уменьшением ее от оси 5 полюса 6 к его краям по закону синуса, и отделением их друг от друга немагнитными слоями 8 одинаковой толщины), то для сохранения такого распределения магнитной проводимости внутри ротора и равномерной магнитной загрузки всего магнитопро- вода ротора, вышеперечисленные условия равномерной магнитной загрузки магнито- провода отдельного элемента 3 должны быть одинаковыми для всех ферромагнитных элементов 3.

Для принятого при расчете отношения Вь/Вп индукции Вь в магнитопроводе ротора к индукции Вп на его активной поверхности (т.е. поверхности, обращенной к воздушному зазору) угол а равен arcctg Вь/Вп. Это следует из того, что для ферромагнитных участков элементов 3, расположенных над (под) прорезями 4 отношение Вь/Вп равно отношению полуразности m большего и меньшего оснований трапеций 9, равной m I sin(90° -a)-( cos а к высоте той же трапеции 9, равной h 1 cos(90°-c) I sin# , где I - длина боковой стороны

трапеции 9, т.е. Вь/Вп Ј pfj|fs ctg a.

Bh

Отсюда а arcctg - . Для ферромагнитВп

ных участков элементов 3, расположенных между прорезями 4, отношение Вь/Вп рав- но отношению расстояния В между соседними Меньшими основаниями разных прорезей 4 вдоль ферромагнитного элемента 3 к расстоянию d между большими осноВь b d

,

ваниями трапеции 9, т.е „-

Вь/Вп через угол а Отсюда В d ctg cc

получаем

Выразив ctga) .

0

0

5

0

5

0

5

0

5

5

Распределение магнитной проводимости на полюсном делении ротора по закону, близкому к синусоидальному, и равномерная магнитная загрузка магнитопровода ротора снижают содержание высших гармонических магнитного потока в воздушном зазоре и, таким образом, ведут к уменьшению величины паразитных моментов, дифференциального рассеяния обмотки статора и потерь в стали от этих гармоник и, значит, к росту полезного электромагнитного момента, коэффициента мощности и КПД двигателя.

Равномерная магнитная загрузка магнитопровода ротора достигнута при максимально допустимых размерах прорезей 4, при которых магнитная проводимость Gd по продольной оси сохраняется практически на том же уровне, что и у прототипа. Следствием же больших, по сравнению с прототипом, размеров прорезей 4 является уменьшение массы ферромагнитного материала ротора и снижение уровня магнитной проводимости Gq по поперечной оси. Увеличение отношения магнитных проводимо- стей Gd/Gq приводит к росту электромагнитного момента и улучшению энергетических показателей синхронного реактивного двигателя.

Таким образом, в заявляемом синхронном реактивном электродвигателе по сравнению с прототипом уменьшена масса активных материалов, увеличен электромагнитный момент, повышены энергетические показатели и, как результат, улучшено использование активных материалов

Формула изобретения

Синхронный реактивный электродвигатель, содержащий статор с многофазной обмоткой и ротор, выполненный из расположенных вдоль оси вращения ферромагнитных пакетов, состоящих из отдельных элементов с прорезями, между пакетами размещены слои из немагнитного материала одинаковой толщины, а толщина пакетов уменьшается от оси полюса ротора к его краям по закону синуса, отличающийся тем, что, с целью улучшения использования активных материалов, прорези в ферромагнитных элементах выполнены в форме n-угольников, где п 4.6. образованных равнобочными трапециями, при п 6 примыкающих большими основаниями, причем расстояние между соседними меньшими основаниями разных прорезей вдоль ферромагнитного элемента выполнено в соответствии с выражением

b d-ctga.

где d - расстояние между большими основаниями трапеций;

а - угол между боковой стороной и большим основанием трапеции.

Использование: силовые электроприводы, Сущность изобретения: синхронный реактивный электродвигатель содержит статор с многофазной обмоткой и ротор с валом 1. Вдоль оси вращения расположены ферромагнитные пакеты 2, толщина которых уменьшается от оси 5 полюса 6 к его краям по закону синуса. Слои 8 из немагнитного материала размещены между пакетами 2. Пакеты 2 состоят из отдельных элементов 3 с прорезями На боковых гранях ферромагнитных элементов 3 ротора выполнены прорези в форме равнобочной трапеции, сужающейся к противоположной стороне элемента 3. а внутри элементов 3 - прорези в форме шестиугольников, каждый из которых образован парой равнобочных трапеций, примыкающих друг к другу большими основаниями Во всех ферромагнитных элементах 3 ротора угол «между боковой стороной и большим оснрванием каждой трапеции одинаков, а ширина b ферромагнитного участка, расположенного между меньшими основаниями соседних трапеций, принадлежащих различным прорезям, удовлетворяет условию В dctg ct, где d - расстояние между большими основаниями тех же трапеций. 4 ил. (Л VI сл VI о 00 СЛ

4 k

$иг.Ъ

Фиг. 2