RU2704308C1

RU2704308C1 - Synchronous electric motor

Info

Publication number: RU2704308C1
Application number: RU2019104557A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Юрьевич Афанасьев; Артур Рафаэлевич Каримов; Алексей Андреевич Петров; Евгения Евгеньевна Студнева
Priority date: 2019-02-18
Filing date: 2019-02-18
Publication date: 2019-10-28

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering, namely to synchronous motors with reactive rotor. In the proposed synchronous motor C-shaped magnetic conductors 1 of the stator are layer of electrical steel, have flat working clearances and are integrated into a single structure by means of bearing shields 3, 4 made of non-magnetic material. On each C-shaped magnetic conductor 1 there is phase 2 of stator winding. Rotor 8 is made from ferromagnetic material, is installed on shaft 7 and has shape of cylinder shifted relative to axis. Stator winding phase supply is performed by alternating voltages shifted in phase by an angle smaller than that of C-shaped magnetic conductors.EFFECT: technical result achieved when using present invention consists in simplification of design and reduction of rotor moment of inertia with increased rotation speed at supply from three-phase network.1 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к синхронным электродвигателям с реактивным ротором, и может быть применено в электромеханических системах с большими скоростями вращения, например, в компрессоростроении.The invention relates to electrical engineering, in particular to synchronous motors with a jet rotor, and can be applied in electromechanical systems with high speeds, for example, in compressor engineering.

Известен синхронный электродвигатель, имеющий шихтованный магнитопровод статора с многофазной обмоткой и реактивный ферромагнитный ротор. Обмотка статора получает питание от инвертора частоты, вырабатывающего систему напряжений согласно требуемой скорости вращения (Г.Б. Онищенко «Электрический привод: учебник для студ. высш. учеб. заведений». 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 288 с.) - [1].A synchronous electric motor is known having a lined stator magnetic circuit with a multiphase winding and a reactive ferromagnetic rotor. The stator winding is powered by a frequency inverter that generates a voltage system according to the required rotation speed (GB Onishchenko “Electric drive: a textbook for students of higher educational institutions.” 2nd ed., Erased. - M .: Publishing Center "Academy", 2008. - 288 p.) - [1].

Его недостатком является сложность схемы питания.Its disadvantage is the complexity of the power scheme.

Известен синхронный электродвигатель, имеющий П-образные магнитопроводы статора с сосредоточенной многофазной обмоткой и реактивный ферромагнитный ротор с явно выраженными полюсами (патент №2159494, H02K 19/06, H02K 1/06, опубл. 20.11.2000) - [2].Known synchronous motor having a U-shaped stator magnetic circuits with a concentrated multiphase winding and a reactive ferromagnetic rotor with pronounced poles (patent No. 2159494, H02K 19/06, H02K 1/06, publ. 20.11.2000) - [2].

Его недостатком является низкая скорость вращения. Например, при частоте питания 50 Гц, трех П-образных магнитопроводах статора и двух полюсах на роторе скорость вращения ротора составляет 1500 об/мин.Its disadvantage is the low speed of rotation. For example, at a supply frequency of 50 Hz, three U-shaped stator magnetic circuits and two poles on the rotor, the rotor speed is 1500 rpm.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по конструкции и достигаемому эффекту является синхронный электродвигатель, имеющий П-образные шихтованные магнитопроводы статора с многофазной сосредоточенной обмоткой, фазы обмотки питаются переменными напряжениями, сдвинутыми по фазе на угол, меньший пространственного сдвига П-образных магнитопроводов, а ротор содержит два зубца, смещенных по оси и имеющих одинаковое угловое положение (патент №2499344, H02K 19/06, H02K 1/06, опубл. 20.11.2013) - [3].The closest to the claimed technical solution in design and the achieved effect is a synchronous electric motor having a U-shaped lined stator magnetic circuits with a multiphase concentrated winding, the winding phases are powered by alternating voltages, phase-shifted by an angle smaller than the spatial shift of the U-shaped magnetic circuits, and the rotor contains two teeth offset along the axis and having the same angular position (patent No. 2499344, H02K 19/06, H02K 1/06, publ. 11/20/2013) - [3].

Его недостатком является сложность конструкции и большой момент инерции ротора.Its disadvantage is the complexity of the design and the large moment of inertia of the rotor.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в упрощении конструкции и снижение момента инерции ротора.The technical result to which the claimed invention is directed is to simplify the design and reduce the moment of inertia of the rotor.

Технический результат достигается тем, что синхронный электродвигатель, имеющий шихтованные магнитопроводы статора с многофазной сосредоточенной обмоткой, фазы которой питаются напряжениями, сдвинутыми по фазе на угол, меньший пространственного сдвига магнитопроводов, и ферромагнитный ротор, магнитопроводы статора имеют С-образную форму с плоскими рабочими зазорами, а цилиндрический ротор смещен относительно оси вращения.The technical result is achieved by the fact that a synchronous electric motor having a charged stator magnetic circuit with a multiphase concentrated winding, the phases of which are fed by voltages phase-shifted by an angle smaller than the spatial shift of the magnetic circuit, and a ferromagnetic rotor, the stator magnetic circuit are C-shaped with flat working gaps, and the cylindrical rotor is offset relative to the axis of rotation.

Сущность технического решения поясняется фиг. 1-9, гдеThe essence of the technical solution is illustrated in FIG. 1-9 where

Фиг. 1 - поперечное сечение электродвигателя;FIG. 1 is a cross section of an electric motor;

Фиг. 2 - продольное сечение электродвигателя;FIG. 2 is a longitudinal section of an electric motor;

Фиг. 3 - фиг. 8 - графики магнитодвижущей силы (МДС) в рабочем зазоре в различные моменты времени, соответствующие изменению фаз напряжений питания на угол π/6;FIG. 3 - FIG. 8 - graphs of the magnetomotive force (MDS) in the working gap at various points in time, corresponding to a change in the phases of the supply voltage by an angle π / 6;

Фиг. 9 - векторная диаграмма фазных напряжений 6-фазного синхронного электродвигателя при питании от трехфазной сети.FIG. 9 is a vector diagram of the phase voltages of a 6-phase synchronous motor when powered by a three-phase network.

На фиг. 1-2 обозначено:In FIG. 1-2 indicated:

1 - С-образный магнитопровод статора;1 - C-shaped stator magnetic circuit;

2 - обмотка статора;2 - stator winding;

3, 4 - подшипниковые щиты;3, 4 - bearing shields;

5,6 - подшипники;5,6 - bearings;

7 - вал;7 - shaft;

8 - ротор.8 - rotor.

С-образные магнитопроводы 1 статора выполнены шихтованными из электротехнической стали и объединены в единую конструкцию с помощью подшипниковых щитов 3, 4, выполненных из немагнитного материала. На каждом С-образном магнитопроводе 1 имеется фаза 2 обмотки статора. Ротор 8 выполнен из ферромагнитного материала. Он имеет форму цилиндра, смещенного относительно оси вала 7, опирающегося на подшипники 5, 6.C-shaped stator magnetic circuits 1 are made of electrical steel and are combined into a single structure with the help of bearing shields 3, 4 made of non-magnetic material. On each C-shaped magnetic circuit 1 there is a phase 2 of the stator winding. The rotor 8 is made of ferromagnetic material. It has the shape of a cylinder displaced relative to the axis of the shaft 7, supported by bearings 5, 6.

Синхронный электродвигатель работает следующим образом.Synchronous motor operates as follows.

На шесть фаз обмотки статора подаются переменные напряжения, сдвинутые по фазе на угол π/6. В рабочих воздушных зазорах возникает волна магнитной индукции, соответствующая углу π. За время, соответствующее половине периода синусоидального напряжения, волна магнитной индукции поворачивается на угол 2π.At six phases of the stator winding, alternating voltages are applied, phase-shifted by an angle π / 6. In working air gaps, a magnetic induction wave arises corresponding to the angle π. During the time corresponding to half the period of the sinusoidal voltage, the magnetic induction wave rotates through an angle of 2π.

Магнитная проводимость рабочего воздушного зазора для одного магнитопровода определяется формулойThe magnetic conductivity of the working air gap for one magnetic circuit is determined by the formula

где μ₀ - магнитная постоянная; S - площадь между магнитопроводом и ротором; δ - зазор между ними. Ротор стремится занять положение, при котором максимальная магнитная проводимость и максимум площади перекрытия соответствуют максимуму МДС и магнитной индукции.where μ ₀ is the magnetic constant; S is the area between the magnetic circuit and the rotor; δ is the gap between them. The rotor tends to occupy a position in which the maximum magnetic conductivity and the maximum overlap area correspond to the maximum of MDS and magnetic induction.

На фиг. 3-8 показано распределение МДС по магнитопроводам для шести моментов времени:In FIG. 3-8 shows the distribution of MDS along the magnetic cores for six points in time:

0, T/12, 2T/12, 3T/12, 4T/12, 5T/12.0, T / 12, 2T / 12, 3T / 12, 4T / 12, 5T / 12.

Видно, что за половину периода Т/2 напряжений питания максимум МДС поворачивается на один оборот, т.е. на угол 2π. За период Т ротор делает два оборота, т.е. угловая скорость ротора - 2ω.It can be seen that over half the period of the T / 2 supply voltage, the maximum of the MDS rotates by one revolution, i.e. at an angle of 2π. During the period T, the rotor makes two turns, i.e. rotor angular velocity - 2ω.

Например, при частоте питания 50 Гц скорость вращения ротора составит 6000 об/мин.For example, at a supply frequency of 50 Hz, the rotor speed will be 6,000 rpm.

На фиг. 9 показана векторная диаграмма фазных напряжений в случае, когда 1-я, 3-я и 5-я фазы обмотки статора питаются фазными напряжениями, а 2-я, 4-я и 6-я фазы питаются линейными напряжениями при соединении обмотки генератора в звезду с нейтральным проводом. Отметим, что в этом случае число витков четных фаз должно быть в

раз больше, чем число витков нечетных фаз.In FIG. Figure 9 shows a vector diagram of phase voltages in the case when the 1st, 3rd and 5th phases of the stator winding are fed by phase voltages, and the 2nd, 4th and 6th phases are fed by linear voltages when the generator winding is connected to a star with a neutral wire. Note that in this case the number of turns of even phases should be in

times more than the number of turns of odd phases.

Для статической балансировки ротора центр его масс должен быть на оси вращения, для чего может быть применен балансный элемент - груз (на фиг. 1 - 2 не показан).For static balancing of the rotor, its center of mass should be on the axis of rotation, for which a balanced element can be applied - a load (not shown in Fig. 1 - 2).

Отметим, что С-образные магнитопроводы 1 статора могут выполняться витыми. Каждый С-образный элемент вместе со своей фазой может собираться и транспортироваться отдельно, и лишь на месте эксплуатации все С-образные магнитопроводы 1 с фазами 2 обмотки статора объединяются в единую конструкцию с помощью подшипниковых щитов 3, 4, что важно при больших мощностях электродвигателей.Note that the C-shaped stator magnetic circuits 1 can be twisted. Each C-shaped element together with its phase can be collected and transported separately, and only at the place of operation, all C-shaped magnetic circuits 1 with phases 2 of the stator winding are combined into a single structure using bearing shields 3, 4, which is important for large electric motors.

Таким образом, благодаря тому, что магнитопровод статора выполнен в виде С-образных элементов с фазами обмотки, а цилиндрический ротор смещен относительно оси, получен синхронный электродвигатель с простой конструкцией и малым моментом инерции ротора с повышенной скоростью вращения при питании от трехфазной сети.Thus, due to the fact that the stator magnetic circuit is made in the form of C-shaped elements with winding phases, and the cylindrical rotor is offset relative to the axis, a synchronous motor with a simple design and low rotor inertia with an increased rotational speed with a three-phase mains supply is obtained.

Claims

Синхронный электродвигатель, имеющий шихтованные магнитопроводы статора с многофазной сосредоточенной обмоткой, фазы которой питаются напряжениями, сдвинутыми по фазе на угол, меньший пространственного сдвига магнитопроводов, и ферромагнитный ротор, отличающийся тем, что магнитопроводы статора имеют С-образную форму с плоскими рабочими зазорами, а цилиндрический ротор смещен относительно оси вращения.A synchronous electric motor having laden stator magnetic circuits with a multiphase concentrated winding, the phases of which are fed by voltages phase-shifted by an angle smaller than the spatial shift of the magnetic circuits, and a ferromagnetic rotor, characterized in that the stator magnetic circuits are C-shaped with flat working gaps, and a cylindrical the rotor is offset relative to the axis of rotation.