Введение:
Синхронный двигатель с постоянными магнитами (СДПМ), благодаря своим высоким эксплуатационным характеристикам, является наиболее пер-спективной машиной в диапазоне малых и средних мощностей. СДПМ про-стой по конструкции, не имеет потерь на возбуждение и обладает высокой стабильностью скорости ротора. Эти качества выделяют его из ряда всех ос-тальных машин и обеспечивают ему применение в системах автоматики, при-водах подачи станков, прецизионных системах слежения, а также системах, где стабильность скорости является первостепенным требованием, предъяв-ляемым к технологическому процессу.
Бесконтактные электрические машины с постоянными магнитами, назы-ваемые также бесконтактными машинами с магнитоэлектрическим индукто-ром – первый тип электромеханического преобразователя энергии, созданного человеком. Еще в 1831 году М.Фарадей демонстрировал принцип электромаг-нитной индукции с помощью устройств, содержащих неподвижные обмотки и перемещающиеся постоянные магниты. Начиная с 1832 года, различные ис-следователи предлагали целый ряд оригинальных конструкций электрических машин с постоянными магнитами. В дальнейшем эти машины были полно-стью вытеснены машинами с электромагнитным возбуждением. Это объясня-ется тем, что по энергетическим и массогабаритным показателям постоянные магниты долгое время значительно уступали электромагнитам. В последние десятилетия положение существенно изменилось. Появились постоянные маг-ниты с относительно высокими удельными свойствами, реализуемыми на ос-нове сплавов железа с кобальтом, молибденом, хромом, никелем, некоторыми другими металлами. Еще более заметно ситуация изменилась в пользу посто-янных магнитов, когда в 70-е годы началось промышленное внедрение высо-коэнергетических магнитов на основе интерметаллических соединений ко-бальта с редкоземельными элементами – самарием, лантаном и другими. Та-кие магниты имеют высокую стоимость и сложную технологию производства. Однако по своим свойствам они превосходят другие марки магнитов.
В последние годы разрабатывается технология производства менее до-рогих магнитов на основе соединения Nd-Fe-B. Такие магниты обладают наи-лучшими свойствами. Магнитная проницаемость постоянных магнитов, как и ферритов, близка к магнитной проницаемости воздуха.
Существенным недостатком постоянных магнитов является их чрезвы-чайно высокая твердость, значительная хрупкость и склонность к трещинооб-разованию. Вследствие невысокой механической прочности применение по-стоянных магнитов невозможно без специальной арматуры. Также следует отметить чувствительность постоянных магнитов к нагреванию.
Появление высокоэнергетических магнитов на основе Nd-Fe-B позволя-ет решить проблему создания многих механических устройств на принципи-ально новом уровне. Высокие значения остаточной индукции и коэрцитивной силы, достижимые в таких постоянных магнитах на сегодняшний день.
Срок службы высокоэнергетических постоянных магнитов на сегодняш-ний день составляет 20 – 25 лет и более. Высокое значение коэрцитивной силы делает такие устройства практически нечувствительными к воздействию внешних магнитных полей. Таким образом, можно создать устройства с прин-ципиально новым набором характеристик.
Постоянные магниты в синхронных машинах предназначены для созда-ния магнитного поля возбуждения. Его использование позволяет получить требуемые регулировочные характеристики по напряжению и частоте враще-ния при значительно уменьшенной мощности возбуждения и объеме магнит-ной системы по сравнению с классическими электромагнитными системами возбуждения синхронных машин. Применение постоянных магнитов с высо-кой удельной энергией позволяет улучшить массогабаритные, энергетические и стоимостные показатели двигателя.
Основная часть:
Особый интерес представляет патент №2375806. Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, – снижение энерго-потребления электродвигателя, то есть снижение мощности потерь при задан-ных габаритах двигателя и большом выходном моменте.
Технический результат достигается тем, что в синхронный электродви-гатель, имеющий корпус, пакет статора с зубцами и с многофазной обмоткой, вал, чередующиеся коаксиальные полые цилиндры ротора и статора, состоя-щие из ферромагнитных и немагнитных элементов, расположенных вдоль оси вращения, причем цилиндры ротора механически связаны с ротором, а цилин-дры статора – с корпусом, при этом зубцы и ферромагнитные элементы ци-линдров статора, а также зубцы магнитопровода и ферромагнитные элементы цилиндров ротора имеют свои одинаковые угловые положения, введены вто-рой пакет статора в виде полого цилиндра с зубцами на его внутренней по-верхности, расположенный снаружи от полых цилиндров, вал с ротором быст-рого вращения, содержащим высококоэрцитивные постоянные магниты в виде прямоугольных параллелепипедов, расположенные радиально, намагниченные тангенциально и встречно, клинообразные полюсные наконечники, располо-женным между полыми цилиндрами и пакетом статора с многофазной обмот-кой, имеющим обращенную конструкцию. Сущность заявленного изобретения поясняется на рисунках 2.1-2.3.
Синхронный электродвигатель имеет корпус 1, внутренний пакет стато-ра 2 с многофазной обмоткой 3, наружный пакет 4, полые цилиндры статора 5, ротор медленного вращения с полыми цилиндрами 6, подшипниками 13 и ва-лом 14, ротор быстрого вращения с прямоугольными высококоэрцитивными постоянными магнитами 8, намагниченными тангенциально, и клинообразные полюсные наконечники 7 с выпуклыми профилированными поверхностями, обращенными к внутреннему и наружному рабочим зазорам, подшипники 11 и вал быстрого вращения 12. Полые цилиндры ротора 6 и полюсные наконеч-ники 7 с постоянными магнитами 8 крепятся немагнитными дисками 9, 10 к валу медленного 14 и быстрого вращения 12 соответственно.
Кольцевой шихтованный магнитопровод 4 имеет равномерно располо-женные зубцы, обращенные к рабочему зазору. Полые цилиндры 5 и 6 имеют чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, параллельные оси вращения. Угловые размеры всех зубцов и ферромагнитных элементов полых цилиндров одинаковые. Магнитные элементы полых цилиндров, связанных со статором, имеют угловое положение, совпадающее с угловым положением зубцов магнитопровода статора. Количество ферромагнитных элементов по-лых цилиндров, связанных со статором и с ротором медленного вращения, от-личаются в пределах одного полюсного деления ротора быстрого вращения на единицу.
Синхронный электродвигатель работает следующим образом. На мно-гофазную обмотку 3 статора подается многофазная система напряжений. Воз-никает вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с магнитными потоками, выходящими из клинообразных полюсных наконечников 7 во внут-ренний воздушный зазор. Магнитные потоки, выходящие из клинообразных полюсных наконечников 7 в наружный воздушный зазор, разделяются на большое число струек потока, которые многократно изгибаются и создают большой момент на выходном валу 14.
Постоянные магниты 8 ротора быстрого вращения и полюсные наконеч-ники 7 создают в рабочих зазорах синусоидально распределенную магнитную индукцию. Максимальное по модулю значение магнитной индукции достига-ется посередине полюсных наконечников. В рабочих зазорах напротив сере-дин постоянных магнитов радиальная составляющая магнитной индукции равна нулю.
При вращении ротора быстрого вращения со скоростью gj волна маг-нитной индукции вращается с той же угловой скоростью. При этом полые ци-линдры, связанные с ротором медленного вращения, при отсутствии момента нагрузки будут занимать положение, при котором в зоне максимума модуля магнитной индукции ферромагнитные элементы полых цилиндров 6 занимают угловое положение, совпадающее с угловым положением цилиндров 5 и зуб-цов на наружном пакете 4. В зоне нейтралей ферромагнитные элементы 6 рас-положены напротив немагнитных элементов полых цилиндров 5 и пазов паке-та 4. При повороте ротора быстрого вращения на одно полюсное деление ро-тор медленного вращения повернется на одно зубцовое деление.
На рисунке 2.3 показана волна магнитной индукции и развертка втулок. Зубцы пакета 4 и ферромагнитные элементы полого цилиндра 5 неподвижны.
В зонах нейтралей, соответствующих серединам магнитов 8, ферромаг-нитные элементы полых цилиндров 6, связанных с ротором медленного вра-щения, расположены напротив немагнитных элементов цилиндра 5 и напротив пазов на пакете 4. Когда ротор быстрого вращения повернется на одно полюс-ное деление, полюсы N и S поменяются местами, а полые цилиндры 6 повер-нутся на один ферромагнитный элемент. На рисунке 3 показан случай, когда передаточное отношение редуктора равно 7.
Заключение:
В соответствии с задачами дипломного проектирования была проведена работа по расчету синхронного электродвигателя с возбуждением от постоян-ных магнитов общепромышленного назначения с основными показателями: номинальная мощность Р2 = 2,2 кВт, фазное напряжение U = 100 В, частота вращения n = 1500 об/мин., число полюсов 2p = 4.
Целью данной работы являлась разработка конструкции синхронного электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов. В ходе выполне-ния работы решены следующие задачи: составлено техническое задание на разработку конструкции синхронного электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов, проведен обзор патентной и научно-технической лите-ратуры, произведен электромагнитный расчет синхронного электродвигателя, выбрана конструкция, произведен тепловой и вентиляционный расчет, произ-веден механический расчёт вала, выбрана технология изготовления якоря не-обмотанного, выполнен экономический расчет и расчет по охране труда.
Полученный синхронный электродвигатель имеет следующие характе-ристики: коэффициент полезного действия – 0,76; масса – 76,46; срок службы – 10 лет; ресурс работы – 40000 часов; достоверность безотказной работы – 0,9. Значения данных показателей отвечают техническим требованиям и яв-ляются лучшими, чем у изделия-аналога.
Экономический эффект спроектированного электродвигателя составил 213,87 руб. Удельная себестоимость спроектированного электродвигателя со-ставляет 9066 руб, а расчетная оптовая цена – 11967 руб.