close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY9044

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 9044
(13) C1
(19)
(46) 2007.04.30
(12)
7
(51) H 02K 21/00, 19/00
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
ТРЕХФАЗНЫЙ СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
(21) Номер заявки: a 20041034
(22) 2004.11.15
(43) 2006.06.30
(71) Заявитель: Закрытое акционерное
общество "Атлант" (BY)
(72) Авторы: Шафранский Валентин
Иванович; Занько Александр Фомич;
Толпека Александр Алексеевич (BY)
(73) Патентообладатель: Закрытое акционерное общество "Атлант" (BY)
(56) Специальные электрические машины /
Под ред. А.И.Бертинова. - М.: Энергоиздат, 1982. - С. 266.
RU 2047936 C1, 1995.
RU 2059994 C1, 1996.
RU 2066912 C1, 1996.
SU 1481875 A1, 1989.
SU 1674321 A1, 1991.
WO 02/082622 A1.
US 4031419 A, 1977.
JP 2001157428 A, 2001.
JP 2002345224 A, 2002.
BY 9044 C1 2007.04.30
(57)
Трехфазный синхронный двигатель, содержащий статор с числом пазов Z = 3K (где
K = 1, 2, 3,…), в которых расположены катушки его обмотки, охватывающие один зубец
статора, и активный ротор с полюсами чередующейся полярности, число которых 2p = 2K
(где p - число пар полюсов), отличающийся тем, что ротор выполнен с длиной полюсной
120
градусов, а в фазе обмотки статора
дуги, соответствующей центральному углу α =
K
включены согласно последовательно или параллельно K катушек, смещенных друг относительно друга на три паза.
Фиг. 1
BY 9044 C1 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 Z = 3K (где K = 1, 2, 3,...), в которых расположены катушки, охватывающие один зубец
статора, и активный ротор с чередующейся полярностью полюсов. Число полюсов ротора
2p = Z ± K (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 2p = Z + K 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
t=
πD πD
=
,
Z 3K
(1)
где D - средний диаметр воздушного зазора.
Так как число полюсов ротора
2p = Z ± K = 3K ± K = K(3 ± 1),
то есть 2р = 4K или 2р = 2K, то полюсное деление
πD
πD
=
.
2p K (3 ± 1)
(2)
t πD K (3 ± 1)
1
= 1± .
=
⋅
πD
τ 3K
3
(3)
τ=
Относительный зубцовый шаг
β=
Отсюда видно, что при 2p = Z + K зубцовый шаг значительно больше полюсного деления, поэтому длина лобовых частей обмотки существенно возрастает по сравнению с
обмоткой с диаметральным шагом β, равным единице, что приводит к увеличению расхода обмоточного провода и электрических потерь в обмотке.
Полюсному делению соответствует π электрических радиан, поэтому, совместив ось
ординат с осью полюса, уравнение индукции в воздушном зазоре для основной гармоники
можно представить в виде:
π
BX = B cos X ,
(4)
τ
где В - амплитуда индукции,
ВX - значение индукции в точке, сдвинутой относительно начала координат на X линейных единиц.
2
BY 9044 C1 2007.04.30
Магнитный поток полюса
Ф = 2l
τ/2
π
2
∫ B cos τ XdX = π lτB ,
(5)
0
где l - 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 t/2:
t/2
π
2
π
π
Ф K = 2l B cos XdX = lτB sin β = Ф sin β .
(6)
2
2
τ
π
0
∫
Разделив (6) на (5), получим коэффициент использования магнитного потока
Ф
π
K И = K = sin β .
(7)
Ф
2
Если учесть (3), получим
π
 1 π
K И = sin 1 ±  = cos = 0,866 .
(8)
6
 3 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
ψк = w кФк ,
где wк - 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 Z = 3K, где K = 1, 2, 3, ..., в которых расположены катушки
его обмотки, охватывающие один зубец статора, и активный ротор с чередующейся полярностью полюсов, число которых 2р = 2K, где р - число пар полюсов, ротор выполнен с
120
длиной полюсной дуги, занимающей центральный угол α =
градусов. В фазе обмотки
K
статора включены согласно последовательно или параллельно K катушек, смещенных
друг относительно друга на три паза.
При таком конструктивном исполнении ротора центральный угол зубцового шага t
αZ =
360 360 120
=
=
=α.
Z
3K
K
Следовательно, длина полюсной дуги
l=
πDα πD 120 πD
= t.
=
⋅
=
360 360 K
3K
Благодаря этому при совпадении осей зубца и полюса магнитный поток, выходящий
из полюсной дуги длиной l, стремящийся пройти через зубец шириной tZ, приблизительно
равный зубцовому шагу t, так как его магнитное сопротивление ничтожно мало. В связи с
этим максимальный магнитный поток, пронизывающий катушки, практически равен маг3
BY 9044 C1 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
K = 3, число пазов статора Z = 3⋅3 = 9, а число полюсов ротора 2р = 2K = 6, 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 τ, занимающего центральный угол
α τ = 360 = 360 = 60° , показаны кривые магнитодвижущей силы (МДС) полюса F(γ) и
2p
6
индукции в воздушном зазоре В(γ) в функции угловой геометрической координаты γ.
Синхронный двигатель содержит статор 1 и активный ротор 2. На внутренней поверхности статора 1 чередуются пазы 3 и зубцы 4, число пазов и зубцов Z = 3K (где K = 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, α =
градусов (на фиг. 1
K
120°
= 40 градусов). Число полюсов 2р = 2K, а число пар полюсов р = K.
α=
3
360 360 120
Так как геометрический угол между двумя соседними пазами α Z =
=
=
,
Z
3K
K
то вектора электродвижущей силы (ЭДС) двух соседних катушек 5 сдвинуты друг относительно друга на угол
120
α э = pα Z =
K = 120 градусов электрических.
K
Вектора ЭДС катушек 5, смещенных друг относительно друга на три паза 3, сдвинуты
на 3⋅120 = 360 градусов электрических, то есть совпадают.
Z 3K
Число таких катушек: N K = =
=K.
3
3
Число NK, равное K, 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 (1 + 3n) пазов, где n = 0, 1, 2, 3
и т.д., но n ≤ (K-1), то есть на электрический угол
αФ = αэ(1 + 3n) = 120 + 3⋅120⋅n,
так как n - целое число, то αФ = 120 градусов электрических.
Если пренебречь магнитным сопротивлением стальных участков магнитной цепи, то
МДС полюса F равна МДС воздушного зазора, то есть
δB
F=
,
µ0
4
BY 9044 C1 2007.04.30
где δ - длина магнитной силовой линии в воздушном зазоре;
В - индукция в воздушном зазоре;
µ0 - 4π⋅10-7 Гн/м - магнитная постоянная.
Следовательно,
µ F F
B= 0 ∼ .
δ
δ
В пределах полюсной дуги длиной 1, равной зубцовому шагу t (фиг. 3),
F(γ) = F = const,
а длина магнитной силовой линии δ в пределах полюсного деления τ изменяется (фиг. 2).
На участке зубца она минимальна и равна (0,3÷0,8) мм, поэтому индукция здесь максимальна. По мере удаления от края зубца длина магнитной силовой линии в зазоре увеличивается в несколько раз (5÷45), поэтому индукция за пределами зубца быстро
уменьшается (фиг. 3). Магнитный поток полюса Ф пропорционален площади, ограниченной кривой индукции В(γ) и осью абсцисс γ (фиг. 3). Площадь, ограниченная этой кривой
в пределах зубца с центральным углом α = αZ = 40° и осью абсцисс, пропорциональна
магнитному потоку катушки ФK (незачерненная часть на фиг. 3) определяет неиспользованный магнитный поток полюса ∆Ф = Ф−ФK. Следовательно, коэффициент использования магнитного потока
Ф
Ф − ∆Ф
∆Ф
= 1−
.
KИ = K =
Ф
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
f
n = , об/с,
p
где f - 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.
5
BY 9044 C1 2007.04.30
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
132 Кб
Теги
by9044, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа