Трехфазный синхронный двигатель

(51)02 21/00, 19/00 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Закрытое акционерное общество Атлант(72) Авторы Шафранский Валентин Иванович Занько Александр Фомич Толпека Александр Алексеевич(73) Патентообладатель Закрытое акционерное общество Атлант(56) Специальные электрические машины / Под ред. А.И.Бертинова. - М. Энергоиздат, 1982. - С. 266.2047936 1, 1995.2059994 1, 1996.2066912 1, 1996.1481875 1, 1989.1674321 1, 1991.02/082622 1.4031419 , 1977.2001157428 , 2001.2002345224 , 2002.(57) Трехфазный синхронный двигатель, содержащий статор с числом пазов 3 (где 1, 2, 3,), в которых расположены катушки его обмотки, охватывающие один зубец статора, и активный ротор с полюсами чередующейся полярности, число которых 22(где- число пар полюсов), отличающийся тем, что ротор выполнен с длиной полюсной 120 градусов, а в фазе обмотки статора дуги, соответствующей центральному углу включены согласно последовательно или параллельнокатушек, смещенных друг относительно друга на три паза. 9044 1 2007.04.30 Изобретение относится к области электрических машин, в частности к синхронным машинам. Оно может быть использовано в электроприводе компрессоров и других механизмов в качестве электромеханического преобразователя вентильного двигателя (бесколлекторного двигателя постоянного тока) или в качестве частотно-управляемого синхронного двигателя. Известен синхронный двигатель, содержащий активный ротор с чередующейся полярностью полюсов и статор, обмотка которого выполнена катушками, охватывающими один зубец статора 1 (аналог). Основные недостатки этого двигателя - малый коэффициент полезного действия(КПД) и большой удельный расход активных материалов. Это объясняется тем, что зубцовый шаг равен половине полюсного деления, поэтому катушка сцепляется примерно с 70 магнитного потока полюса. Известен также трехфазный синхронный двигатель, содержащий статор с числом пазов 3 (где 1, 2, 3,), в которых расположены катушки, охватывающие один зубец статора, и активный ротор с чередующейся полярностью полюсов. Число полюсов ротора 2(где р - число пар полюсов). Катушки обмотки статора, принадлежащие одной фазе и сдвинутые на 360 электрических градусов, включены встречно 2 (прототип). Недостатками этого двигателя являются малый КПД и большой удельный расход активных материалов. Эти недостатки объясняются неэффективным использованием магнитного потока ротора. Кроме того, при 2 длина лобовой части катушки значительно больше полюсного деления, что приводит к увеличению расхода обмоточного провода и электрических потерь в обмотке статора. Это можно доказать следующим образом. Зубцовый шаг статора где- средний диаметр воздушного зазора. Так как число полюсов ротора 23(31),то есть 2 р 4 или 2 р 2, то полюсное деление Отсюда видно, что при 2 зубцовый шаг значительно больше полюсного деления, поэтому длина лобовых частей обмотки существенно возрастает по сравнению с обмоткой с диаметральным шагом , равным единице, что приводит к увеличению расхода обмоточного провода и электрических потерь в обмотке. Полюсному делению соответствуетэлектрических радиан, поэтому, совместив ось ординат с осью полюса, уравнение индукции в воздушном зазоре для основной гармоники можно представить в виде где В - амплитуда индукции,В - значение индукции в точке, сдвинутой относительно начала координат налинейных единиц. 2 9044 1 2007.04.30 Магнитный поток полюса Ф 2 где- активная длина двигателя. Максимальный магнитный поток, пронизывающий катушку, будет при совпадении осей полюса и катушки. Его величину можно найти, если в (5) изменить верхний предел интегрирования на /2 Разделив (6) на (5), получим коэффициент использования магнитного потока Ф(8) 63 2 Размеры магнитной цепи и потери стали тем больше, чем больше магнитный поток полюса Ф, а мощность двигателя пропорциональна потокосцеплению его обмотки, следовательно, и потокосцеплению катушки ккФк ,где к - число витков катушки, поэтому чем больше коэффициент КИ, тем лучше массогабаритные показатели и КПД. Как видно из (8), при синусоидальной форме кривой индукции у прототипа коэффициент использования магнитного потока КИ равен 0,866. Действительная форма кривой индукции, как правило, уплощенная, поэтому КИ еще меньше. Таким образом, из-за неэффективного использования магнитного потока ротора прототип имеет большой удельный расход материалов и малый КПД. Техническая задача, решаемая изобретением, - увеличение КПД и уменьшение удельного расхода материалов. Поставленная задача решается тем, что в трехфазном синхронном двигателе, содержащем статор с числом пазов 3, где 1, 2, 3, , в которых расположены катушки его обмотки, охватывающие один зубец статора, и активный ротор с чередующейся полярностью полюсов, число которых 2 р 2, где р - число пар полюсов, ротор выполнен с 120 длиной полюсной дуги, занимающей центральный уголградусов. В фазе обмотки статора включены согласно последовательно или параллельнокатушек, смещенных друг относительно друга на три паза. При таком конструктивном исполнении ротора центральный угол зубцового шага Благодаря этому при совпадении осей зубца и полюса магнитный поток, выходящий из полюсной дуги длиной , стремящийся пройти через зубец шириной , приблизительно равный зубцовому шагу , так как его магнитное сопротивление ничтожно мало. В связи с этим максимальный магнитный поток, пронизывающий катушки, практически равен маг 3 9044 1 2007.04.30 нитному потоку полюса. Таким образом, при одинаковом магнитном потоке полюса, следовательно, при одинаковых размерах магнитной цепи и одинаковых потерях в стали потокосцепление и мощность предлагаемого двигателя будут больше, чем у прототипа. При этом у предлагаемого двигателя КПД больше, а удельный расход материалов меньше, чем у прототипа. На фиг. 1 изображена конструктивная схема трехфазного синхронного двигателя при 3, число пазов статора 339, а число полюсов ротора 2 р 26, выполненных в виде постоянных магнитов. На фиг. 2 представлен фрагмент этого двигателя, где показаны вероятные пути прохождения магнитного потока полюса через воздушный зазор при совпадении осей полюса и зубца. На фиг. 3 для одного полюсного деления , занимающего центральный угол 36036060 , показаны кривые магнитодвижущей силы (МДС) полюсаи 2 6 индукции в воздушном зазоре В в функции угловой геометрической координаты . Синхронный двигатель содержит статор 1 и активный ротор 2. На внутренней поверхности статора 1 чередуются пазы 3 и зубцы 4, число пазов и зубцов 3 (где 1, 2, 3, ). В пазах 3 размещены катушки 5, охватывающие один зубец, то есть начальная и конечная стороны катушек 5 лежат в двух соседних пазах 3. Ротор 2 снабжен полюсами 9 одной полярности и полюсами 10 другой полярности. 120 Центральный угол, занимаемый полюсами 9 и 10,градусов (на фиг. 1 12040 градусов). Число полюсов 2 р 2, а число пар полюсов р. 3 360 360 120 Так как геометрический угол между двумя соседними пазами то вектора электродвижущей силы (ЭДС) двух соседних катушек 5 сдвинуты друг относительно друга на угол 120 э 120 градусов электрических. Вектора ЭДС катушек 5, смещенных друг относительно друга на три паза 3, сдвинуты на 3120360 градусов электрических, то есть совпадают.3 Число таких катушек. 3 3 Число , равное , катушек 5, смещенных друг относительно друга на три паза 3, соединены между собой согласно параллельно или последовательно и образуют фазы обмотки статора 6, 7, 8. При последовательном включении катушек, показанном на фиг. 1,соединены конец первой катушки с началом второй, конец второй с началом третьей и т.д.(на фиг. 1 для фазы 6 показано направление тока в катушках 5 при таком соединении). При параллельном включении катушек 5 в одну точку соединены начала всех катушек 5, а в другую - их концы. Выводы фаз 6, 7, 8 смещены друг относительно друга на (13) пазов, где 0, 1, 2, 3 и т.д., но(-1), то есть на электрический угол Фэ(13)1203120, так как- целое число, то Ф 120 градусов электрических. Если пренебречь магнитным сопротивлением стальных участков магнитной цепи, то МДС полюсаравна МДС воздушного зазора, то есть 9044 1 2007.04.30 где- длина магнитной силовой линии в воздушном зазоре В - индукция в воздушном зазоре 0 - 410-7 Гн/м - магнитная постоянная. Следовательно,0. В пределах полюсной дуги длиной 1, равной зубцовому шагу(фиг. 3),, а длина магнитной силовой линиив пределах полюсного деленияизменяется (фиг. 2). На участке зубца она минимальна и равна (0,30,8) мм, поэтому индукция здесь максимальна. По мере удаления от края зубца длина магнитной силовой линии в зазоре увеличивается в несколько раз (545), поэтому индукция за пределами зубца быстро уменьшается (фиг. 3). Магнитный поток полюса Ф пропорционален площади, ограниченной кривой индукции В и осью абсцисс(фиг. 3). Площадь, ограниченная этой кривой в пределах зубца с центральным углом 40 и осью абсцисс, пропорциональна магнитному потоку катушки Ф (незачерненная часть на фиг. 3) определяет неиспользованный магнитный поток полюса ФФФ. Следовательно, коэффициент использования магнитного потока Ф ФФ Ф 1. ИФ Ф Ф Как видно из фиг. 3, площадь зачерненных участков, пропорциональных Ф, ничтожна мала по сравнению с площадью всей кривой (сумма площадей зачерненных и незачерненных), пропорциональной Ф. В связи с этим коэффициент использования магнитного потока Ки стремится к единице. Синхронный двигатель работает следующим образом. Обмотка статора, подключенная к трехфазной сети (не показано), создает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого, об/с, где- частота сети. Это поле увлекает за собой ротор с той же частотой вращения. В предлагаемом техническом решении длина полюсной дуги ротора 2 и зубцовый шаг статора 1 равны, поэтому максимальный магнитный поток катушки, охватывающей зубец,практически равен магнитному потоку полюса. Благодаря этому не используемая полезно часть магнитного потока полюса, но загружающая магнитную цепь и вызывающая дополнительные потери в стали, стремится к нулю, поэтому КПД двигателя увеличивается, а удельный расход материалов уменьшается. Источники информации 1. А.с. СССР 1345291, 1987. 2. Специальные электрические машины / Под редакцией А.И. Бертинова. - М. Энергоиздат, 1982. - С. 266. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6