WO2022035363A1

WO2022035363A1 - Полифазный синхронный электрический двигатель

Info

Publication number: WO2022035363A1
Application number: PCT/RU2021/050332
Authority: WO
Inventors: Сергей Сергеевич ЛАГУТИН; Сергей Анатольевич СЕКЛЮЦКИЙ; Олег Анатольевич ГОЛОВКО
Original assignee: Сергей Сергеевич ЛАГУТИН; ТАУ, Татьяна Анатольевна; Сергей Анатольевич СЕКЛЮЦКИЙ
Priority date: 2020-08-08
Filing date: 2021-10-07
Publication date: 2022-02-17

Abstract

Изобретение относится к области электротехники в части электрических машин постоянного и переменного тока. Устройство предназначено для преобразования электрической энергии в механическую. Полифазный электрический двигатель содержит статор и ротор, выполненный в виде многополюсного магнита с равномерно расположенными по окружности чередующимися магнитными полюсами, при этом статор выполнен с ножками со симметричными шляпками, разделенными пазами, намотка обмотки статора выполнена пофазно для групп ножек, расположенных по окружности статора, число магнитных полюсов статора является четным, кратным количеству используемых фаз, а число полюсов ротора при этом отличается на две единицы от количества магнитных полюсов статора. Кроме того, фазные обмотки занимают каждая два угловых противолежащих сектора на магнитопроводе статора, разделенные таким образом на две равные части.

Description

Полифазный синхронный электрический двигатель

Полезная модель относится к области электротехники в части электрических машин постоянного и переменного тока. Устройство предназначено для преобразования электрической энергии в механическую.

Термин «полифазный» (от греч. сл. лоХтх — многий) означает, что число рабочих фаз такого электрического двигателя может быть любым, а не только две или три. Применительно к настоящей модели это любое чётное число, например, 2, 4, 6, 8, 10, 16 и более фаз.

Известен синхронный электрический двигатель-генератор (патент РФ № RU 181979 U1 от 2017.12.29 автора Андреенко Александра Степановича), содержащий статор с трехфазной обмоткой и ротор, выполненный в виде многополюсного магнита с равномерно расположенными по окружности чередующимися ш магнитными полюсами, с шагом полюсного деления равным

при этом статор выполнен с N<m ножками со симметричными и асимметричными шляпками, разделенными пазами, намотка обмотки статора выполнена пофазно для групп ножек, расположенных симметрично по

окружности статора на угловом расстоянии # друг от друга, при этом в одну группу для намотки одной фазы входят ножки с симметричными и асимметричными шляпками, а угловое расстояние между краями шляпок, обращенными в сторону группы ножек, предназначенной для намотки другой фазы, равно угловому расстоянию между полюсными делениями числа магнитных полюсов ротора, равного числу последовательно расположенных ножек одной группы, относящейся к одной фазе.

Модель имеет следующие недостатки:

1. На основе описанной модели невозможно создание электрических машин с числом зубов магнитопровода статора меньшим, чем количество полюсов ротора. 2. Зубы магнитопровода статорной обмотки описанной модели имеют различную форму в пределах одного магнитопровода.

Таким образом, по пункту 1 описанная модель имеет ограниченное применение при разработке технического задания, а пункт 2 усложняет проектирование электрической машины, увеличивая возможность ошибки во время намотки обмоток и снижает технологичность изготовления, увеличивая себестоимость изделия.

Задача настоящей полезной модели заключается в необходимости разработки простой конструкции электрического двигателя, позволяющей работать с максимальной эффективностью при работе от источников постоянного и переменного тока, обладая при этом минимальными размерами и весом.

Основное отличие описанной модели — это всегда чётное число магнитных полюсов статора, которое является кратным количеству используемых фаз, а число полюсов ротора при этом отличается на две единицы от количества магнитных полюсов статора в большую или меньшую сторону.

Техническим результатом реализации данной полезной модели является создание простой конструкции электрического двигателя с высокой эффективностью преобразования электрической энергии в механическую.

Поставленная задача решается тем, что в полифазном электрическом двигателе, содержащем статор и ротор, выполненный в виде многополюсного магнита с равномерно расположенными по окружности чередующимися магнитными полюсами, при этом статор выполнен с ножками со симметричными шляпками, разделенными пазами, намотка обмотки статора выполнена пофазно для групп ножек, расположенных по окружности статора, согласно заявленному техническому решению число магнитных полюсов статора является чётным, кратным количеству используемых фаз, а число полюсов ротора при этом отличается на две единицы от количества магнитных полюсов статора. Кроме того, фазные обмотки занимают каждая два угловых противолежащих сектора на магнитопроводе статора, разделённые таким образом на две равные части.

Полезная модель поясняется чертежами: фиг. 1 - фиг. 2, на которых изображена активная часть двигателя в разрезе. На чертежах номерами обозначены следующие элементы электрической машины:

1 - магнитопровод ротора;

2 - магниты, закреплённые на роторе;

3 - магнитопровод статора;

4 - обмотка статора.

Полифазный электрический двигатель (фиг. 1, фиг. 2) включает в себя магнитопровод ротора 1 с установленными на нём магнитами 2 и магнитопровод статора 3 с размещёнными на нём обмотками 4. Ротором является наружная часть электрической машины, статор размещён в центральной части. Соотношение количества полюсов ротора и статора рассчитано следующим образом. Количество магнитных полюсов статора может быть любым чётным, кратным количеству используемых фаз. Число полюсов ротора при этом отличается на две единицы от количества магнитных полюсов статора в большую или меньшую сторону.

При этом соотношении и, например, трёхфазном исполнении, независимо от количества полюсов статора фазные обмотки будут расположены на магнитопроводе статора в шести равных секторах с углом 60 градусов - каждая фазная обмотка в двух равных, противолежащих секторах.

Такое, упрощённое расположение обмоток позволяет оптимизировать процесс намотки статора и значительно сократить ошибки при намотке по причине человеческого фактора. Это уменьшает время технологического процесса и снижает количество брака при изготовлении. Упрощение схемы намотки позволяет многократно увеличивать число полюсов электрической машины. При увеличении числа полюсов статора вырастает эффективность работы электрического двигателя за счёт уменьшения расстояния между осями полюсов ротора и статора.

В качестве ротора может быть использован магнитопровод с постоянными магнитами, либо с обмотками возбуждения.

Конструктивно активная часть электрического двигателя, состоящая из ротора и статора, может иметь цилиндрическую форму, форму кольца (для низкооборотных электродвигателей, генераторов, мотор -колёс), линейную (для безредукторных линейных двигателей или генераторов), форму шара, либо плоскую - аксиальную форму. Ротор может быть выполнен как во внешней части (аутраннер), так и внутреннего исполнения (инраннер).

При параллельном соединении двух таких синхронных электрических машин с большим числом фаз (более трёх) возможна эффективная передача механического усилия посредством электрической энергии по кабельной линии, с вала «ведущего» устройства на вал «ведомого», по принципу сельсина, но с высоким крутящим моментом и скоростью.

За счёт выполнения магнитных полюсов статора в чётном числе и кратном количеству используемых фаз, а полюсов ротора в числе, отличающимся на две единицы от количества магнитных полюсов статора, достигается оптимальное распределение магнитного напряжения между магнитными полюсами статора и ротора, при котором потери электромагнитного взаимодействия сводятся к технически возможному минимуму. В таком исполнении первый и последний зуб группы обмоток статора попадают на разноимённые магнитные полюса ротора с однородным и равномерным градиентом между ними, то есть поле ротора от полюса к полюсу совершает равномерный разворот на 360 градусов по отношению к крайним зубам группы обмоток статора и это положение является полностью уравновешенным, без остаточных напряжений между группами обмоток. При совершении электрической коммутации тока фазных обмоток статора ротор электрической машины выходит из уравновешенного состояния и приходит в движение.

Полифазный электрический двигатель может работать от следующих источников тока: а) многофазная сеть переменного тока; б) частотный преобразователь, который применяется для асинхронных двигателей; в) контроллер для управления бесщёточными электродвигателями.

Примеры реализации:

По примеру описанной модели был выполнен тюнинг нескольких флагманских моделей велосипедных мотор-колес мощностью от 500 до 3000 Вт от различных производителей. На всех мотор-колёсах было изменено количество магнитов в соответствии с расчётным и перемотаны обмотки статора в соответствии с расчётными пропорциями. Крышки двигателя, ярмо, валовая часть, магнитопровод статора при этом остались заводского исполнения. Число витков обмотки также было оставлено без изменения. При повторных испытаниях все тюнингованные модели показали увеличение КПД от 5% до 12% в зависимости от мощности и производителя. При этом было отмечено улучшение динамики разгона и уменьшение шума при работе под нагрузкой. Во всех случаях наблюдалось некоторое увеличение рабочих оборотов при сохранении тягового момента. Увеличение числа оборотов и увеличение пути пробега во всех случаях было пропорционально увеличению КПД. Увеличение энергоэффективности соответствует увеличению класса двигателя на о дну- две ступени по международному стандарту IEC. Вес обмотки во всех случаях уменьшился засчёт упрощения схемы намотки обмоток статора.

Описанная модель показала свою состоятельность применительно к увеличению эффективности существующих электрических машин и пригодна для создания новых, более эффективных, простых и надёжных синхронных машин - моторов и генераторов самого широкого применения.

Claims

Формула полезной модели

1. Полифазный синхронный электрический двигатель, содержащий статор и ротор, выполненный в виде многополюсного магнита с равномерно расположенными по окружности чередующимися магнитными полюсами, при этом статор выполнен с ножками с симметричными шляпками, разделёнными пазами, намотка обмотки статора выполнена пофазно для групп ножек, расположенных по окружности статора, отличающийся тем, что число магнитных полюсов статора является чётным, кратным количеству используемых фаз, а число полюсов ротора при этом отличается на две единицы от количества магнитных полюсов статора.

2. Полифазный синхронный электрический двигатель, по п.1 отличающийся тем, что фазные обмотки не зависимо от числа полюсов статора занимают каждая два равных, противолежащих угловых сектора на магнитопроводе статора и разбиваются таким образом на две равные части, ни больше и не меньше.

6