RU2575920C2 - Комбинированный ротор для электродвигателей - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим двигателям переменного тока. Технический результат - повышение КПД. Поверхность комбинированного ротора по периметру магнитопровода покрыта тонким твердым слоем композита толщиной 0,1-0,2 мм, включающего магнитный полупроводник, структура которого состоит из нано- или микрокристаллов, размещенных в диэлектрике. Магнитный полупроводник является ферримагнетиком с шириной запрещенной зоны от 0,1 до 4 эВ, а ширина запрещенной зоны диэлектрика больше 3 эВ. Диэлектрик работает как парамагнетик во время работы ротора при подаче синфазного изменяющегося высокочастотного тока на статор не менее 10 кГц. К комбинированному ротору индукционно подают переменное магнитное поле, полученное в обмотках статора в виде ступенчато аппроксимированной синусоиды тока и напряжения. Магнитное поле, в котором вращается комбинированный ротор, получают посредством преобразователя частоты (инвертора), с образованием на комбинированном роторе импульсного переменного магнитного поля путем высокочастотной инверсии (коммутации) синфазного изменяющегося в трех фазах напряжения на статоре. 14 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим двигателям переменного тока - синхронным, синхронно-гистерезисным или асинхронным, как общего применения, так и специального назначения, а также к электрическим машинам переменного тока индукционного типа. И может быть использовано также, например, в генераторных автономных источниках электроэнергии.

Изобретение предназначено для использования в различного вида роторах промышленного применения в индукционных электрических машинах переменного тока, например, для короткозамкнутых роторов, массивных роторов, фазных роторов, а также для обращенных и комбинированных роторов.

Из уровня техники известно изобретение «Униполярная машина Н.Г. Ермилова», патент RU 2031517, опубл. 20.03.1995, МПК H02K 19/18, в которой ротор образован радиально рассредоточенными явно выраженными полюсами с магнитопроводами. Изобретение позволяет повысить уровень выходного напряжения, однако относится к электрическим машинам постоянного тока, имеет токосъемники и не ставит задачу работы с частотным управлением.

Известно изобретение «Магнитный двигатель и магнитный реактор», заявка RU 2012121336, опубл. 27.11.2013, МПК H02K 19/00, в котором плоскости ротора или статора состоят из магнитной мозаики, где каждая мозаика отталкивается друг от друга, создается магнитный хаос. Однако не используют парамагнетики и магнитный полупроводник.

Известно изобретение «Ротор синхронной электрической машины и синхронная электрическая машина, содержащая такой ротор», патент RU 2444106, опубл. 10.06.2011, МПК H02K 19/00, содержащий магнитную систему ротора и пусковую обмотку, выполненную в виде полого цилиндра из токопроводящего материала, который напрессовывается на магнитную систему ротора, токопроводящий материал магнитный. Изобретение относится к бесконтактным синхронным электрическим машинам переменного тока с постоянными магнитами на роторе и позволяет увеличить эффективность работы пусковой обмотки ротора синхронной машины, выполненной в виде цилиндра. Однако в ней не используют слой из магнитного полупроводника, который наносится дополнительно, а следовательно, не используют возможности для повышения эффективности от подачи посредством инвертора ступенчатого аппроксимированного синусоидального тока (напряжения) через преобразователь частоты.

Известно изобретение «Синхронный двигатель с электромагнитной редукцией частоты вращения», патент RU 2006142, опубл. 15.01.1994, МПК H02K 19/06, относящееся к электрическим машинам, работающим на зубцовых гармониках. Содержит безобмоточный ротор, который снабжен короткозамкнутыми элементами из немагнитного высокой токопроводности материала, и позволяет снизить пульсации вращающего момента и улучшить энергетические показатели двигателя. Однако в нем не использован парамагнетик, который в сочетании с магнитным полупроводником позволяет использовать эффект от инверсии синфазного, изменяющегося в трех фазах напряжения.

Известно изобретение «Сверхпроводниковая гистерезисная машина», патент RU 2134478, опубл. 10.08.1999, МПК H02K 19/10, H02K 1/06, H02K 1/24, содержащая безобмоточный ротор с активными элементами из высокотемпературного сверхпроводникового материала в виде неявно выраженных полюсов на поверхности ротора, активные элементы в виде распределенных пластин произвольной формы и активные элементы в виде слоев, между которыми размещена стальная пластина. Позволяет повысить энергетические (мощность, механический момент и КПД) и массогабаритные показатели машины, но имеет все недостатки гистерезисных электрических машин, в частности, увеличение количества размещенного в активной зоне высокотемпературного сверхпроводникового материала ведет к увеличению воздушного зазора, что приводит к большим вибрациям, поскольку использовано пространственное перемагничивание подвижного элемента относительно его геометрических осей. Кроме того, невозможно улучшить энергетические параметры (выходную мощность и механический момент на валу) в том же объеме машины, так как приходится увеличивать количество размещенного в активной зоне ВТСП материала. Это приводит к низкому коэффициенту мощности, т.к. в цилиндрических гистерезисных двигателях величина механического момента на валу двигателя ограничена вследствие низкого коэффициента использования магнитных материалов в активной зоне машины.

Известно изобретение «Бесконтактная синхронная магнитоэлектрическая машина с модулированной мдс якоря», патент RU 2414040, опубл. 10.03.2011, МПК H02K 21/12, H02K 19/10, H02K 19/16, содержащая активный ротор с чередующейся полярностью полюсов, распределенных по цилиндрической поверхности и образующих в воздушном зазоре чередующуюся полярность «N-S». Изобретение позволяет достичь высокие энергетические показатели, увеличение удельного (отнесенного к массе активных материалов) момента на валу, снижение пульсаций вращающего момента, вибрации и шума бесконтактной синхронной магнитоэлектрической машины за счет выполнения ее многофазной и с модулированной магнитодвижущей силой. Однако не применяют сочетание композиции парамагнетика и магнитного полупроводника, что не позволяет получить достаточно высокие энергетические показатели при малых воздушных зазорах.

Известно изобретение «Индукторная электрическая машина», патент RU 2085010, опубл. 20.07.1997, МПК H02K 19/24, содержащая тонкостенный цилиндр, расположенный внутри магнитопровода, выполненный из гистерезисного магнитного материала, причем тонкостенный цилиндр выполнен из магнитодиэлектрического материала. В каждой фазе обмотки поочередно протекает постоянный пульсирующий ток, создающий однонаправленное в полюсе пульсирующее магнитное поле. Изобретение относится к гистерезисным электрическим машинам, однако также имеет все ее недостатки - снижает использование активного объема и неравномерный зазор приводит к значительным вибрациям.

Известно изобретение «Синхронный реактивный электродвигатель», патент RU 2057389, опубл. 27.03.1996, МПК H02K 19/06, в котором вдоль активной поверхности ротора размещены ферромагнитные пакеты, состоящие из отдельных элементов, размещенных параллельно оси вращения ротора, расположены в пределах активного объема ротора. Однако не использованы ферримагнетики. Несмотря на то что изобретение позволяет увеличить быстродействие и энергетические характеристики, не использует всех преимуществ, обусловленных высоким уровнем отношения Gd/Gg магнитных проводимостей по продольной и поперечной осям ротора из-за недоиспользования активных материалов ротора. В следствие этого у такого электродвигателя малое быстродействие за счет повышенного момента инерции ротора.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является изобретение «Электрический двигатель», патент RU 2178231, опубл. 10.01.2002, МПК H02K 19/08, H02K 1/02, H02K 1/06, которое взято за прототип. Электродвигатель содержит магнитопровод из магнитомягкого сплава, причем структура сплава не менее чем на 50% состоит из кристаллов размером менее 50 нм, а между лентами сплава размещен отвердевший клей. Изобретение позволяет повысить коэффициент полезного действия электрического двигателя за счет снижения удельных магнитных потерь в магнитном материале статора. Однако предназначено только для использования в механизмах с частотой вращения преимущественно не более 1000 Гц. Электродвигатель имеет значительные недостатки при использовании ленты из ферромагнитного материала, в котором преобладают высокие магнитные потери, хотя магнитомягкие материалы обладают высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями на гистерезис. Не использована композиция из нанопорошка ферримагнетика и диэлектрика, который работает как парамагнетик во время коммутации на ротор синфазного изменяющегося высокочастотного тока, а следовательно, не использованы свойства микронного порошка феррита общей химической формулы FeO*Fe₂O₃, который является магнитным полупроводником (см. учебник Поль Р.В. Учение об электричестве, ФИЗМАТГИЗ, 1962 г., стр. 488-490).

Задачей изобретения является потребность существенно увеличить КПД двигателя за счет использования дополнительной магнитодвижущей силы (МДС), возникающей на роторе. В связи с этим возникает необходимость создания ротора, в котором индуцируется синфазная изменяющаяся высокочастотная по напряжению и току магнитодвижущая сила, возникающая при каждой коммутации силовых транзисторов преобразователя частоты, с подачей питания на электродвигатель и с образованием ступенчатой аппроксимированной синусоиды. Одновременно, для того чтобы появлялась дополнительная МДС, требуется выполнить ротор комбинированным, содержащим как магнитопровод из магнитомягкой стали, так и магнитный полупроводник, что приведет к значительному увеличению вращательного момента на роторе.

Из уровня техники в области промышленной электротехники известны основные конструкции стандартных промышленно выпускаемых роторов для всех известных типов электродвигателей, которые обычно выполняют в общем виде ротор синхронного электродвигателя, у которого якорь располагается на статоре, а на отделенном от него воздушным зазором роторе находится индуктор. Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока, применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную конструкцию из электротехнической стали. Обычно индуктор состоит из полюсов - электромагнитов постоянного тока или постоянных магнитов, которые имеют конструкции явнополюсную или неявнополюсную. В индукционных электродвигателях ток в обмотке ротора индуцируется вращающимся полем статора.

В общем виде ротор можно представить как сплошной однородный цилиндр независимо от их конструкции, например, это относится к короткозамкнутой обмотке ротора, часто называемой «беличье колесо». Поэтому в дальнейшем все виды обмоток в данном тексте называют магнитопроводом. В стандартных роторах обычно стараются уменьшить высшие гармонические ЭДС, вызванные пульсациями магнитного потока, вместо того, чтобы его использовать по примеру гистерезисных электродвигателей, в которых используют вращающий момент, возникающий за счет гистерезиса при перемагничивании ротора, сделанного из магнототвердого сплава, полем статора.

В стандартных роторах стремятся использовать эффект вытеснения тока с помощью конструктивных ухищрений, которые являются дорогими и сложными в изготовлении. Однако за счет эффекта вытеснения увеличивается активное сопротивление обмотки ротора при больших скольжениях (в частности, при пуске). При специальной конструкции ротора, используют вращающийся в воздушном зазоре полый цилиндр из алюминия, с помощью которого достигают малой инерционности двигателя. Указанная выше задача может быть решена и для короткозамкнутого массивного ротора, который изготавливают полностью из ферромагнитного материала, то есть фактически является стальным цилиндром. Ферромагнитный ротор одновременно выполняет роль как магнитопровода, так и проводника (вместо обмотки). Обычно улучшают массивные роторы припаиванием медных колец по торцам или покрытием ротора слоем меди.

Предложенное техническое решение можно использовать и для машин с полым ротором, например, это может быть полый цилиндр из ферромагнитного или просто из проводящего материала. Также предложенное техническое решение может быть использовано и для фазного ротора, который имеет трехфазную (в общем случае - многофазную) обмотку, обычно соединенную по схеме «звезда» и выведенную на контактные кольца, вращающиеся вместе с валом машины.

Техническим результатом предложенной конструкции является повышение КПД электродвигателей при работе с частотным управлением.

Указанный технический результат достигается за счет того, что изготавливают комбинированный ротор, к которому подают переменное магнитное поле, полученное на статоре или роторе, к одному из которых подводят питание в виде ступенчато аппроксимированной синусоиды тока и напряжения; и короткозамкнутый или фазный ротор по внешней поверхности периметра магнитопровода покрыт тонким твердым слоем композита, включающего магнитный полупроводник, структура которого состоит из нано- или микрокристаллов, размещенных в диэлектрике. Предложенный комбинированный ротор отличается тем, что магнитное поле, в котором вращается ротор, получают подачей на статор или ротор ступенчатого аппроксимированного синусоидального тока посредством преобразователя частоты с образованием на роторе импульсного переменного магнитного поля путем высокочастотной инверсии (коммутации) синфазного, изменяющегося в трех фазах напряжения. Ротор по внешней поверхности периметра магнитопровода покрыт тонким твердым слоем толщиной 0,1-0,2 мм композита, включающего магнитный полупроводник, являющийся ферримагнетиком с шириной запрещенной зоны от 0,1 до 4 эВ, размещенный в диэлектрике с шириной запрещенной зоны больше 3 эВ, и диэлектрик работает как парамагнетик во время работы ротора при подаче синфазного изменяющегося высокочастотного тока на индуктор не менее 10 кГц. В частном случае комбинированный ротор используют в индукционном электродвигателе переменного тока. Также его можно использовать в электродвигателе, в котором питание обмотки статора осуществляют от преобразователя частоты, а электродвигатель выполнен, например, с фазным комбинированным ротором. Ротор может быть использован в электродвигателе с короткозамкнутым ротором. При этом, в частном случае, ротор выполняет функцию комбинированного ротора, объединяющего принципы работы ротора индукционного электродвигателя переменного тока и гистерезисного ротора с магнитомягким ферримагнетиком в эпоксидной смоле-диэлектрике. Конструкция ротора может включать два типа роторов: короткозамкнутый или фазный и гистерезисный магнитомягкий, работающие совместно. Например, для подачи на ротор переменного магнитного поля инверсию выходного импульсного напряжения в инверторе статора или ротора осуществляют посредством широтно-импульсной модуляции. Синфазное изменяющееся выходное напряжение в преобразователе частоты образуют, например, силовыми транзисторами типа IGBT, через которые осуществляют подключение инвертора к обмотке статора вращающегося магнитного поля при каждой коммутации (инверсии). И с помощью преобразователя частоты в частном случае управляют выходными параметрами индукционного электродвигателя: выходной мощностью и частотой, крутящим моментом, током, напряжением, скоростью ротора. Например, магнитополупроводниковый диэлектрик, используемый для покрытия магнитопровода, имеет состав композита - микронный или наноразмерный порошок феррита в эпоксидной смоле. В частном случае это порошок феррита, являющийся магнитным полупроводником, который имеет химическую формулу FeO*Fe₂O₃. Например, ферримагнетик или некомпенсированный антиферромагнетик является магнитомягким материалом, работающим в антиферромагнитной точке Кюри или при температуре, превышающей температуру Кюри, и является одновременно парамагнетиком. Так, феррит имеет температуру Кюри, равную 858 К, а в качестве диэлектрика может быть взята эпоксидная смола.

Конструкция предлагаемого комбинированного ротора пояснена в общем виде на чертеже.

На Фиг. 1 показан продольный разрез асинхронного электродвигателя с комбинированным короткозамкнутым ротором, который представлен в виде цилиндра с нанесенным тонким твердым слоем из магнитополупроводникового диэлектрика по всему периметру магнитопровода.

Показанная на чертеже конструкция ротора не охватывает всех возможных конструктивных вариантов исполнения комбинированного ротора, а показывает только обобщенную конструкцию, которая может быть использована во всех указанных выше роторах.

Конструктивно комбинированный ротор состоит из магнитопровода (1) и нанесенного на него по периметру твердого слоя магнитополупроводникового диэлектрика (2). Ротор (3) показан жирными линиями. Тонкими линиями показан собственно статор (4) и корпус (5) электродвигателя, в котором на статоре (4) создают среду (магнитное поле) для работы ротора по тем же законам, что и в любом стандартном электродвигателе переменного тока. В обмотке ротора (1 и 2) под действием наводимой ЭДС возникает ток. Ток в обмотке ротора (3) создает собственное магнитное поле, которое вступает во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора (4). В предложенной конструкции изменяющееся вращающееся магнитное поле статора (4) воздействует на обмотку (1 и 2) ротора (3), которой (обмоткой) в предложенной конструкции является магнитопровод (1) с нанесенным слоем композита (2) на всю поверхность периметра магнитопровода (1), и в которой по закону электромагнитной индукции в ней наводится ЭДС, которая является необходимым условием для индуцирования МДС.

В данном описании под магнитополупроводниковым диэлектриком понимают магнитный полупроводник, являющийся ферримагнетиком с шириной запрещенной зоны от 0,1 до 4 эВ, размещенный в диэлектрике с шириной запрещенной зоны больше 3 эВ и работающий (диэлектрик) как парамагнетик. При этом такие свойства обмотки (1 и 2) ротора во время работы ротора (3) проявляются при подаче синфазного изменяющегося высокочастотного тока на индуктор не менее 10 кГц

Так, магнитным полупроводником может выступать микронный или нанопорошок феррита общей химической формулой FeO*Fe₂O₃ (см. учебник Поль Р.В. Учение об электричестве, ФИЗМАТГИЗ, 1962 г., стр. 488-490), а диэлектриком, работающим как парамагнетик, может выступать эпоксидная смола.

Для возникновения дополнительной МДС требуется, чтобы ротор работал в импульсном переменном магнитном поле, образованном статором или ротором путем высокочастотной инверсии (коммутации) поданного на электродвигатель синфазного, изменяющегося в трех фазах напряжения. Частотное регулирование позволяет менять направление вращения магнитного поля статора (ротора) с помощью инвертирования напряжения посредством широтно-импульсной модуляции. При этом на обмотках статора или ротора электродвигателя подается переменный синусоидальный ток с регулируемой амплитудой и частотой. Такая регулировка осуществляется посредством преобразователя частоты с использованием, например, силовых транзисторов типа IGBT. Тогда синфазное выходное напряжение изменяется при каждой коммутации (инверсии) при подключении статора или ротора.

Преобразователь частоты или частотный преобразователь для электродвигателя называют также частотно-импульсными или частотно регулируемыми приводами, а также преобразователями частоты переменного тока. Поскольку такие устройства предназначены для контролируемого изменения скорости вращения электродвигателя (управления электродвигателем) путем трансформации входного напряжения (220 или 380 вольт) в импульсное выходное с частотой от 0 до 600 герц, то их используют и для управления электродвигателем. Например, в предложенной конструкции с помощью преобразователя частоты управляют выходными параметрами индукционного электродвигателя: выходной мощностью и частотой, крутящим моментом, током, напряжением, скоростью ротора.

Синфазные высокочастотные токи протекают по сложным контурам (см. описание в приложении к инструкции преобразователей частоты финской фирмы «VACON»), в том числе и по поверхности ротора, вся поверхность которого по периметру магнитопровода покрыта тонким твердым слоем толщиной от 0,1 до 0,2 мм из магнитополупроводникового диэлектрика.

В результате обеспечивают в предложенном техническом решении повышение КПД электродвигателей до 0,98-0,99 за счет увеличения вращательного момента на роторе при применении частотного преобразователя для питания и управления электродвигателем. Для сравнения КПД стандартных промышленных электродвигателей различных типов достигает в среднем от 0,83 до 0,95.

Комбинированный ротор работает следующим образом.

При подключении статора (4) электродвигателя к питанию от преобразователя частоты в его обмотках возникают синфазные изменяющиеся высокочастотные напряжения и токи, которые также индуцируются на роторе (3) электродвигателя в магнитопроводе (1) и по всей поверхности тонкого твердого слоя из магнитополупроводникового диэлектрика (2), что в результате создает на роторе дополнительную магнитодвижущую силу (МДС). Такой физический эффект описан в учебнике «Электрические машины» для средних специальных учебных заведений под редакцией М.М. Кацман, издательство «Высшая школа», Москва, 1983 г., параграф 23.3, стр. 287-290, Гистерезисные двигатели.

Иными словами, тонкий твердый слой из магнитополупроводникового диэлектрика (2) обеспечивает в любом случае дополнительную МДС за счет эффекта перемагничивания. При этом в роторе имеется две активных части - магнитопровод (1) и твердый слой из магнитополупроводникового диэлектрика (2).

Поскольку магнитный полупроводниковый диэлектрик представляет собой микро- или нанопорошок, то под действием внешнего магнитного поля статора (4) частицы феррита (магнитомягкого материала), представляющие собой элементарные магниты в тонком твердом слое магнитополупроводникового диэлектрика (2), стремятся ориентироваться в соответствии с направлением внешнего поля статора (4), совпадая с ним по направлению. При изменении направления магнитного поля статора (4) частицы феррита в тонком твердом слое магнитополупроводникового диэлектрика (2) меняют свою ориентацию вслед за внешним полем, что в результате увеличивает силу магнитного взаимодействия ротора и статора электродвигателя, а следовательно, и увеличение вращательного момента ротора. Этот эффект, полученный на магнитотвердом материале ротора гистерезисного электродвигателя, известен. Однако в магнитотвердом материале ротора гистерезисного электродвигателя известен также эффект магнитного запаздывания при воздействии на него внешнего магнитного поля статора электродвигателя, что требует дополнительной магнитодвижущей силы (МДС), т.е. дополнительных потерь на перемагничивании ротора. В предложенном конструктивном варианте с нанесением твердого слоя магнитополупроводникового диэлектрика (2) благодаря предложенному магнитомягкому материалу таких потерь не возникает.

В описанной конструкции значение дополнительной МДС удовлетворяет формуле (см. И.В.Савельев, курс общей физики, том 2, электричество, изд. «Наука», главная редакция физико-математической литературы, М., 1966 г., стр. 153, формула 58.11):

где L - индуктивность цепи или коэффициент пропорциональности между скоростью изменения силы тока в контуре и возникающей вследствие этого ЭДС самоиндукции,

$$\frac{di}{dt}$$

- скорость изменения силы тока в электрической цепи;

$$\frac{dL}{di}$$

- зависимость индуктивности от изменения тока.

Таким образом, в комбинированном роторе складываются результаты работы ротора электродвигателя переменного тока (синхронными, синхронно-гистерезисными или асинхронными) стандартных конструкций и ротора гистерезисного электродвигателя. Однако в известных существующих конструкциях ротора гистерезисного двигателя отсутствует пусковая клетка, что создает неравномерность его вращения.

В предложенном комбинированном роторе на базе короткозамкнутых, фазных и подобных роторов имеется пусковая клетка, которая и создает равномерность вращения, которая при изменениях нагрузки оказывает на ротор успокаивающее (демпфирующее) действие.

В результате воздействия синфазных изменяющихся высокочастотных напряжений и токов, индуцируемых в магнитопроводе (1) на роторе (3) электродвигателя, а также по всей поверхности тонкого твердого слоя из магнитополупроводникового диэлектрика (2), увеличивается полная магнитодвижущая сила (МДС) на роторе (3).

В качестве примера конкретного исполнения можно привести конструкцию устройства комбинированного ротора на базе короткозамкнутого ротора электродвигателя. Она показана на Фиг. 1.

Комбинированный короткозамкнутый ротор имеет магнитопровод с нанесенным на него по всему периметру тонкого твердый слой (1) толщиной 0,1-0,2 мм из магнитополупроводникового диэлектрика, состав которого, например, микронный порошок феррита в эпоксидной смоле.

Указанная выше работа микро- или наночастиц в магнитном поле обусловлена тем, что взят магнитный полупроводник, являющийся ферримагнетиком с шириной запрещенной зоны от 0,1 до 4 эВ. В полупроводниках запрещенной зоной называют область энергий, отделяющую полностью заполненную электронами валентную зону (при Т=0 К) от незаполненной зоны проводимости. Поэтому в принципе в предложенной конструкции ротора в твердом слое возможно применять все ферримагнетики, которые проявляют себя как парамагнетики, поскольку парамагнетики имеют положительную магнитную восприимчивость и намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля. Атомы (молекулы или ионы) парамагнетика обладают собственными магнитными моментами, которые под действием внешних полей ориентируются по полю и тем самым создают результирующее поле, превышающее внешнее. Парамагнетики втягиваются в магнитное поле. В отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетик не намагничен, так как из-за теплового движения собственные магнитные моменты атомов ориентированы совершенно беспорядочно. Особым свойством обладают ферримагнетики, например феррит, который имеет высокую намагниченность и полупроводниковые свойства.

Феррит, размещенный в диэлектрике с шириной запрещенной зоны больше 3 эВ, при определенных характеристиках внешнего магнитного поля приобретает свойства парамагнетика, например, диэлектрик работает как парамагнетик во время работы ротора при подаче синфазного изменяющегося высокочастотного тока на индуктор не менее 10 кГц и также обеспечивает положительную магнитную восприимчивость. Особенностью диэлектрика является его способность поляризоваться во внешнем электрическом поле.

Таким образом, благодаря тому что в качестве дополнительного слоя (2) взят магнитомягкий материал, которым становится полупроводник при воздействии на него переменного магнитного поля, слой (2) ротора обладает высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями на гистерезис, обеспечивая дополнительную МДС.

Таким образом, физические свойства магнитных полупроводников в диэлектрике, используемые в предложенном изобретении, являются изученными и доказанными. Следовательно, устройство может быть изготовлено промышленным способом и широко внедряться в качестве перспективного ротора, который позволяет расширить арсенал применяемых типов роторов для преобразования электроэнергии в механическую, и позволит повысить КПД существующих электродвигателей при работе с частотным управлением с целью энергосбережения до 0,98-0,99.

Claims (15)

1. Комбинированный ротор для электродвигателей, поверхность по периметру магнитопровода ротора покрыта тонким твердым слоем композита, включающего магнитный полупроводник, структура которого состоит из нано- или микрокристаллов, размещенных в диэлектрике, к комбинированному ротору индукционно, подают переменное магнитное поле, полученное в обмотках статора, в виде ступенчато аппроксимированной синусоиды тока и напряжения, отличающийся тем, что магнитное поле, в котором вращается комбинированный ротор, получают с подачей на статор ступенчатого аппроксимированного синусоидального тока посредством преобразователя частоты (инвертора), с образованием на комбинированном роторе импульсного переменного магнитного поля путем высокочастотной инверсии (коммутации) синфазного, изменяющегося в трех фазах напряжения на статоре; для чего используют стандартный ротор любой из известных конструкций, содержащий магнитопровод, внешняя поверхность периметра которого покрыта тонким твердым слоем толщиной 0,1-0,2 мм композита, включающего магнитный полупроводник, являющийся ферримагнетиком с шириной запрещенной зоны от 0,1 до 4 эВ, размещенный в диэлектрике с шириной запрещенной зоны больше 3 эВ, и диэлектрик работает как парамагнетик во время работы ротора при подаче синфазного изменяющегося высокочастотного тока на статор не менее 10 кГц.

2. Комбинированный ротор по п. 1, отличающийся тем, что комбинированный ротор используют в индукционном электродвигателе переменного тока.

3. Комбинированный ротор по п. 1, отличающийся тем, что комбинированный ротор используют в электродвигателе, в котором в качестве индуктора используют статор, питание обмоток которого осуществляют от преобразователя частоты.

4. Комбинированный ротор по п. 1, отличающийся тем, что комбинированный ротор используют в электродвигателе с фазным комбинированным ротором.

5. Комбинированный ротор по п. 1, отличающийся тем, что комбинированный ротор используют в электродвигателе с короткозамкнутым комбинированным ротором.

6. Комбинированный ротор по п. 1, отличающийся тем, что он выполняет функцию комбинированного ротора, объединяющего принципы работы ротора индукционного электродвигателя переменного тока и гистерезисного ротора с магнитомягким ферримагнетиком в эпоксидной смоле - диэлектрике.

7. Комбинированный ротор по п. 1, отличающийся тем, что конструкция комбинированного ротора включает два типа роторов: короткозамкнутый и фазный.

8. Комбинированный ротор по пп. 1-7, отличающийся тем, что для подачи на ротор переменного магнитного поля от обмоток статора инверсию выходного импульсного напряжения в инверторе осуществляют индуктивно посредством широтно-импульсной модуляции.

9. Комбинированный ротор по п. 1, отличающийся тем, что синфазное изменяющееся выходное напряжение в преобразователе частоты образуют силовыми транзисторами типа IGBT, через которые осуществляют подключение инвертора (преобразователя частоты) к обмотке статора вращающегося магнитного поля при каждой коммутации (инверсии).

10. Комбинированный ротор по п. 2, отличающийся тем, что с помощью преобразователя частоты управляют выходными параметрами: выходной мощностью и частотой, крутящим моментом, током, напряжением, скоростью ротора индукционного электродвигателя.

11. Комбинированный ротор по п. 1, отличающийся тем, что используют состав композита, включающий микронный или наноразмерный порошок феррита в эпоксидной смоле;

12. Комбинированный ротор по п. 1, отличающийся тем, что порошок феррита, являющийся магнитным полупроводником, имеет химическую формулу FeO*Fe₂O₃.

13. Комбинированный ротор по п. 1, отличающийся тем, что используемый в композите магнитный полупроводник из ферримагнетика, являющийся магнитомягким материалом, в антиферромагнитной точке Кюри или при температуре, превышающей температуру Кюри, работает как некомпенсированный антиферромагнетик и одновременно является парамагнетиком.

14. Комбинированный ротор по п. 13, отличающийся тем, что феррит имеет температуру Кюри, равную 858 К.

15. Комбинированный ротор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве диэлектрика взята эпоксидная смола.

Images