SU762100A1 - Электродвигатель | в пт б 1 - Google Patents

Description

Изобретение относится к электроприводам, более конкретно к электрическим машинам с бесконтактной коммутацией.

Известны вентильные электродвигате— ли, статор которых содержит П-образные в аксиальной плоскости магнитопро- ⁵ воды, на которых расположены секции обмотки якоря [1]. Ротор этого электродвигателя вращается в подшипниках..

•Известны также электродвигатели с вентильной коммутацией, в которых функ- ^,0 ции двигателя совмещены с функциями системы электрома гнитного подвеса ротора [23. Этот электродвигатель по технической сущности наиболее близок к предложенному электродвигателю. Он содержит статор с П-образными в аксиальной плоскости магнитопроводами, в полюсных выступах которых закреплены постоянные магниты, и помещенными на _м них катушками, соединенными в секции и подключенными к источнику питания через вентильный коммутатор, и ротор, активная часть которого выполнена в виде

2

ферромагнитных сегментов, разделенных немагнитными промежутками. В пазах ферромагнитных сегментов также помещены постоянные магниты, причем постоянные магниты ротора и статора обращены друг к другу одноименными полюсами. Функционально устройство объединяет в себе электродвигатель с вентильной коммутацией и систему подвеса ротора с использованием электромагнитных сил отталкивания. Его достоинством является простота и надежность, поскольку система подвеса ротора устойчива без применения внешних устройств автоматического регулирования величины воздушного зазора.

Основным недостатком этого электродвигателя является малая величина крутящего момента, поскольку он определяется разностью касательных составляющих электромагнитных усилий, действующих , на ротор в отдельных его зонах. В некоторых случаях может оказаться недостаточной жесткость подвеса, поскольку цент3 762100 4

рирующее'усилие, действующее на ротор при изменениях зазора, определяется разностью радиальных электромагнитных сил отталкивания, действующих в диаметрально противоположных зонах.

Целью изобретения является увеличение вращающего момента и улучшение качества электромагнитного подвеса ротора.

Это достигается тем, что у . электродвигателя, содержащего ротор и статор С магнитопроводом, выполненным в виде равномерно распределенных по окружности аксиальных ферромагнитных пакетов с размещенными на них обмотками, подключенными к источнику питания че0ё^'ёёнтйльный коммутатор,^- управляемый Датчиком углового положения, ротор содержит две переменно-полюсные системы возбуждения со сдвигом осей полюсов по окружности ротора на величину полюсного деления, сдвинутые относительно · Друг Друга в осевом направлении, гак что их внешние поверхности рйсположены напротив полюсных выступов аксиальных феррома гнитных пакетов статора. Магниты указанных двух систем возбуж" дения, оси которых находятся в одной аксиальной плоскости, обращены к поверхности ротора своими разноименными полюсами и образуют переменно-полюсную ак-. сиальную систему возбуждения.' Вентильный коммутатор двигателя может состоять из отдельных звеньев, каждое из которых является реверсивным усилителем мощности, с нагрузкой в виде одной из обмоток статора, так что общее чис-: ..ло звеньев равно числу указанных обмоток, причем управляющие цепизвенЁ'ёв коммутатора соединены с выходом общего датчика углового положения ротора и с выходом одного из датчиков величины зазора между ротором и статором, равномерно размещенных по окружности статора. - Такое электромеханическое устройство: функционально объединяет в себе электродвигательс вентильнойкоммутацией и систему электромагнитного подвеса ротора. Возникающие в системе электромагнитные усилия имеют радиальные составляющие, используемые для работы системы подвеса, и Касательные Составляющие, создающие крутящий момент электродвигателя, причем радиальные и касательные составляющие могут регулироваться по величине ^!и направлению независимо и. с минимальным взаимным влиянием.

10

15

20

30

35

50

55

25

40

45

На фиг. 1 изображен предложенный электродвигатель, поперечный разрез; на фиг. 2 - то же продольный разрез; на фиг. 3 - конструктивный вариант, при котором обеспечивается устойчивость подвеса ротора при его осевых смещениях; на фиг. 4 - линейная развертка ротора и статора; на фиг. 5, 6, 7 - принцип силового взаимодействия элементов статора и ротора с учетом токов в обмотί ках статора; на фиг. 8 - функциональная : . схема электродвигателя с вентильным коммутатором.

Активная часть статора электродвигателя состоит из магнитопровода, пред— ставляющего собой систему аксиальных ферромагнитных пакетов 1 (фиг. 1-7), например, П-или С~образной формы, равномерно распределенных по окружности статора, и из обмоток 2 статора (фиг. 1-7), выполненных в виде катушек. Ротор 3 электродвигателя (фиг. 1-7) содержит две переменно-полюсные системы возбуждения с использованием постоянных магнитов.

На фиг. 1 изображен электродвигатель в четырехполюсном исполнении, так что величина полюсного деления составляет в данном случае 90 град. Электродвигатель имеет две такие системы возбуждения (фиг. 2), сдвинутые относительно друг друга в осевом направлении, так . что их внешние цилиндрические поверхности расположены напротив полюсных ^: * выступов ферромагнитных пакетов ί статора. Магнитные оси каждой пары полюсов двух систем возбуждение лежат в ' _: одной аксиальной плоскости, как это показано на фиг. 2, но эти полюса имеют различную полярность. Таким образом, магнитные силовые линии двух систем возбуждения могут замыкаться как. в плоскостях, перпендикулярных оси вращения ротора, так и преимущественно в аксиальных плоскостях, проходящих через ось вращения (поскольку длина средней силовой линии в аксиальном направлении меньше, причеМ эта длина не зависит от числа полюсов систем возбуждения). Конструктивно ротор может быть выполнен, например, в виде ферромагнитной втулки, во внешних пазах которой закреплены постоянные магниты соответствующей полярности, желательно с высоким значением коэрцитивной силы. Та· ким образом, в· пределах полюсного деления ΐ^- к одному торцу ротора примыкают, например, постоянные магниты,

, обращение к внутренней поверхности ста5 7621(

тора своими северными, к другому торну - своими южными полюсами.

Двиг атель, изображенный на фиг. 1 и 2, не обеспечивает устойчивость подвеса ротора при его осевых смещениях, 5 так как возникают усилия, стремящиеся вытолкнуть ротор из статора. Для обеспечения осевой устойчивости можно применить две аналогичные магнитные системы статора и соответственно две сис- ю темы ротора, закрепленные на общем основании 4 (фиг. 3), при условии, что их рабочие поверхности наклонены по отношению к торцовой поверхности ротора под некоторым углом об , не равным 15

нулю или 90 град. Такой конструктивный вариант обеспечивает устойчивость подвеса при радиальных и осевых смещениях ротора.

Обмотки 2 статора могут быть объе- 20 динены в секции, как эго показано на фиг. 4 (соединение выводов обмоток 2 между собой показаны пунктиром). Секция представляет собой последовательное соединение обмоток 2, помещенных на маг- 25 нитопроводах, отстоящих друг от друга на расстоянии, равном полюсному целению ί" . Общее число обмоток 2 (и маг— нитопровоцов) равно произведению числа полюсов на число секций обмотки статора, зо На фиг. 4 показана одна из секций, остальные выполнены совершенно аналогично. Секции включены в схему вентильного коммутатора, управляемою датчиком углового положения ротора (на фиг. 1, ₃₅

2, 3 не показан).

^Однако возможен и более предпочтитетельный вариант конструкции, в котором отдельные обмотки 2 не объединяются в секции, а каждая из них в отдельности ад включается в качестве нагрузки в соответствующее звено вентильного коммутатора. Такое звено представляет собой реверсивный усилитель мощности, обеспечивающий регулирование величины тока в обмотке н Изменение его направления (например дифференциальная или мостовая схема на тиристорах или транзисторах с питанием от источника постоянного тока или от источника переменного тока с вы- ₅₀ прямлением).

На фиг. 8 представлена функциональная схема устройства, соответствующая электродвигателю в четырехполюсном исполнении, имеющему на статоре шестнадцать ферромагнитных пакетов 1 и₀ следовательно, шестнадцать обмоток, по четыре в пределах каждого полюсного целения.

X) 6

На схеме введены следующие обозначения: 5 — датчик углового положения ротора, например, трансформаторного типа, при этом число выходов равно числу пакетов 1 или обмоток 2 в пределах одного полюсного деления; 6, 7, 8, 9 датчики величины воздушного зазора между ротором и статором (индуктивные, резонансные, емкостные или' какие-либо другие; в данном случае ик число равно числу полюсов системы возбуждения и установлены они равномерно по окружности статора на расстоянии, равном полюсному делению., ΐ ; на фиг. 1, 2, 3 не показаны); 10-25 - звенья вентильного коммутатора с нагрузкой в виде одной из обмоток статора.

Управляющая цепь любого вентильного коммутатора соединена с одним из выходов датчика углового положения ротора и с выходом одного из датчиков зазора. При этом каждый из выходов датчика углового положения ротора управляет одновременно всеми звеньями коммутатора, нагрузкой которых служат обмотки 2 статора, отстоящие друг от друга на величину полюсного деления, ΐ , например звеньями 10, 14, 18, 22. Каждый же датчик зазора управляет · звеньями коммутатора, нагрузкой которых являются обмотки, помещенные на ферромагнитных пакетах, расположенных подряд по дуге окружности статора, равной полюсному делению, в пределах которой помещен и соответствующий датчик зазора. Например, датчик 6 управляет звеньями 10, 11, 12, 13 коммутатора.

Электродвигатель работает следующим образом.

Выполненные из магнитомягкого материала пакеты 1 с обмотками 2 представляют собой электромагниты, взаимодействующие с постоянными магнитами ротора. Если обмотки 2 объединены в секции, то направление тока в обмотках секций в каждый момент таково, что две соседние обмотки, отстоящие друг от друга на расстойнии, равном ь , создают аксиальные намагничивающие

силы (н. с.) взаимно противоположных направлений. Направления н. с. показаны на фиг. 4 в пределах сечений пакетов 1 внутри кружков, а направление тока - стрелкой. Аналогично включены обмотки остальных секций (на фиг. 4 не показаны), причем ток в одной из секций, обмотки которой в рассматриваемый момент времени находятся на линиях А-А коммутации, ра⁷ 762100 8

вен нулю. Таким образом, создается аксиальная переменно-полюсная магнитная система статора: в пределах каждого полюсного деления £ н. с. всех обмоток действуют согласно, в пределах лю— бых соседних полюсных делений — встречно. Последовательная во времениГ коммутации токов в секциях статора по сигналам датчика углового положения ротора обеспечивает образование вращающегося ю синхронно с ротором поля статора (как в обычных вентильных электродвигателях). При этом, если В процессе вращения в пределах площади каждого полюса ротора постоянные магниты ротора и и

электромагниты статора обращены друг к другу своими одноименными" погпосами, возникает режим синхронного подвеса ротора с использованием электромагнитных сил отталкивания. Силовые линии 20 магнитных полей ротора и статора в этом "СЙ^чаеЙймЫкаютсн в аксиальном направлении так, как это показано на фиг.

5 (пунктиром), а пространственный сдвиг между линией А-А коммутаций и осью 25 полюса ротора составляет'половину полюсного деления. Вращающий элёктрОмагнитный момент в этом режиме" равен нулю. Если указанный пространственный сдвиг (обозначен у на фиг. 4) меньше зо ΐ/2, но не равен нулю, возникает режим, при котором действующие на полюса-ротора 'йлёктромагнйтнйё^'сйтЕГ ймёют как радиальные составляющие, обеспечивающие в целом отталкивание ротора от 35 статора, так и касательные составляющие, обеспечивающие создание электромагнитного вращающего момента. Прй условии у -О сдвиг магнитных полей . ротора и статора составляет ^ / :2, при 49 этом создается вращающий момент,' но не может быть обёсйёчен подвес ротора. Таким образом, нормальным режимом данного электродвигателя является режим, при~κ6τόρό1ί'энмение''^'"йё равно, но ' 45

достаточно близко к ΐ /2, как этб показано на фиг. 4,

Регулирование скорости вращений ' электродвигателя достигается за счет

изменения пространственного положения 50 линии коммутации по отношению к оси _

полюса ротора (т. е. регулирования величины у , если конструкция датчика углового положения ротора допускает такую возможность), а также и в опре- ₅$ деленной мере путем регулирования напряжения питания обмоток статора. Последний способ возможен, поскольку при Iпостоянном моменте нагрузки ток в обмотках в установившемся режиме не зависит от напряжения, поэтому при регулировании напряжения работа системы подвеса существенно не нарушается.

Система подвеса на принципе отталкивания проста, не требует применения датчиков для контроля зазора между ротором и статором, обеспечивает статическую устойчивость. Однако для нее характерен существенный недостаток: при любом смещении оси ротора относительно геометрической оси статора, когда с одной стороны зазор между ротором и статором уменьшается, а с диаметрально противоположной - увеличивается, суммарная; восстанавливающая (центрирующая) сила равна лишь разности взаимно противоположных по направлению сил отталкивания, что затрудняет достаточно жесткую систему подвеса. Подобный Недостаток присущ и системе электромагнитного подвеса построенной на принципе притяжения ферромагнитных тел к полюсам электромагнита, поскольку направление действия силы притяжения не зависит от направления тока в обмотке электромагнита.

Однако система, построенная на принципе взаимодействия электромагнита с постоянным магнитом (или двух электромагнитов друг с другом) позволяет изменять характер силы взаимодействия да^ке без изменения направления тока в обмотке электромагнита, а только за счет регулирования величины тока (фиг.

5, 6, 7). При достаточно большой величине тока в обмотке 2 электромагнита силовые линии магнитных полей статора и ротора замыкаются преимущественно по Воздушному зазору, как это показано на фиг. 5, создавая силу отталкивания одноименных полюсов магнитов. При уменьшении тока в обмотке (т. е. когда электромагнит имеет уже меньшую н. с. по сравнению е внутренней н. с. постоянного магнита) возникает еще и система силовых линий, замыкающихся по телу электромагнита и постоянного магнита, в связи с чем сйпа отталкивания уменьшается (фиг. 6), а при некотором значений тока (еще це равном нулю) сменяется силой притяжения. Наконец, при отсутст-’ вий тока в обмотке’электромагнит превращается в ферромагнитное тело, испытывающее силу притяжения со стороны постоянного магнита (фиг. 7).

При изменении направления тока и его дальнейшем росте сила притяжения продолжает расти. Однако этот режим не может Использоваться в данной констр^к—

•'•ΐ**

θ 762100 10

ции, поскольку момент изменения направления тока в обмотках определяется порядком коммутации по сигналам датчика углового положения ротора и, следовательно, не может быть произвольным. ₅

Возможность изменения направления силы, действующей в системе электромагнит - постоянный магнит, без изменения направления тока в обмотке электромагнита позволяет создать систему под- 10 веса ротора, в которой восстанавливающее усилие при необходимости являлось бы суммой, а не разностью электромагнитных усилий, действующих в диаметрально противоположных зонах. Если зазор 15 с какой-либо стороны уменьшается по ' сравнению с его средним значением, ток в обмотках расположенных в этой зоне электромагнитов должен увеличиваться или по крайней мере оставаться постоян- 20 ным, что приведет к увеличению силы отталкивания. С противоположной стороны зазор увеличивается, и ток в обмотках соответствующих электромагнитов должен уменьшаться, что приведет к уменьшению 25 силы отталкивания, а при значительных радиальных отклонениях ротора - и к появлению силы притяжения ротора к статору. Именно в этом режиме восстанавливающая сила равна сумме электромагнит- 30 ных сил, действующих в диаметрально противоположных зонах.

Для измерения величины зазора необходимо применять датчики, контролирующие зазор в определенной эоне. Наимень- 35 шее число таких датчиков - три. Каждый из них измеряет среднее значение зазора в пределах третьей части длины окружности статора. При небольшом числе полюсов (например четырех) удобно выбрать 40 число датчиков, равное числу полюсов.

Конструкция электродвигателя и его работа характеризуются в этом случае .следующими особенностями. Обмотки 2 не объединяются в секции, а включены каждая в качестве нагрузки в отдельное звено вентильного коммутатора. Таким образом, величина и направление тока в каждой обмотке могут регулировать- ⁵⁰ ся независимо. Отмеченная структура системы (фиг. 8) позволяет организовать процесс управления следующим образом.

Коммутация токов в обмотках, т. е. ⁵⁵

изменение их направления, осуществляется лишь по сигналам датчика 5 углового

положения ротора.

Одновременно коммутируются токи во всех обмотках, расположенных с пространственным сдвигом, равным Ч , т, е. в тех, которые в первоначальном варианте объединялись в единую секцию, в которой одновременная Коммутация токов во всех обмотках обеспечивалась автоматически уже в силу их последовательного соединения. Таким образом, с точки зрения организации процесса коммутации рассматриваемый вариант конструкции ничем не отличается от первоначального, за исключением того, что величина тока может регулироваться независимо в каждой из ^бмоток в отдельности, а не в каждой секции, как раньше. С точки зрения регулирования величины тока обмотки разбиты на другие группы, по числу датчиков зазора. В одну группу объединены обмотки электромагнитов, расположенных в зоне, где контроль зазора осуществляется одним из датчиков, а саморегулирование тока осуществляется по сигналам этого датчика. Следовательно, датчик углового положения ротора обеспечивает ' синхронное с ротором вращение переменнополюсного магнитного поля статора и выбор пространственного положения линии коммутации по отношению к оси полюсов ротора в процессе этого вращения, а датчики зазора обеспечивают регулирование величины и напряжения радиальных составляющих электромагнитных усилий в определенных пространственно подвижных ί 'зонах в окрестности самого датчика. Это позволяет создать систему электромагнитного подвеса повышенной жесткости · при сохранении возможности регулирования скорости и электромагнитного момента электродвигателя.

Таким образом, устройство объединяет в себе электродвигатель с вентильной коммутацией и систему подвеса ротора с использованием электромагнитных'сил как отталкивания, так и притяжения при сохранении возможности регулирования собственно электродвигателя’ и системы подвеса с минимальным взаимным влиянием. Качество подвеса в наибольшей степени обеспечивается при применении постоянных, магнитов с высоким значением коэрцитивной силы.

Рассмотренный принцип действия электродвигателя может быть реализован в ряде конструктивных вариантов. Возможен, например, аналогичный электродвигатель с внешним ротором и внутренним статором, Кроме того, линейную раз

. ¹¹ 7621

вертку электродвигателя, представленную на фиг. 4, можно рассматривать в качестве линейного электродвигателя, обеспечивающего взаимное перемещение его элементов и подвес подвижной части $

над направляющим элементом. Следует отметить также, что при выборе у (фиг. 4) можно использовать режим работы электродвигателя, в котором действующие на полюса ротора радиальные сос- ю тавляющие электромагнитных сил будут являться силами притяжения. Устойчивость работы подвеса может быть обеспечена в этом случае только применением внешней системы регулирования величины воздушного зазора. Возможно использование устройства при вращающем моменте, равном нулю, т. е. в качестве "магнитного подшипника".

Технико-экономическая целесообраз- 20 ность применения предложенной конструкции определяется ее особенностями, состоящими в отсутствии опорных подшипников и чрезвычайно малом моменте трения. Она может применяться в точных систе— 25 мах регулирования и управления, для создания высокооборотных электромеханических устройств. В линейном варианте конструкция может быть использована для создания транспортных средств с электро- 3θ Магнитным подвесом экипажа.

Claims (2)

1. Формула изобретения

   35

   1. Электродвигатель, содержащий ротор и статор с магнитопроводом, выполненным в виде равномерно распределенных по окружности аксиальных ферромагнитных пакетов с размещенными на них обмотка- ₄₀ мй, подключенными к источнику питания через вентильный коммутатор, управляе00 12 мый датчиком углового положения ротора, отличающийся тем, что, с целью увеличения вращающего момента и улучшения качества электромагнитного подвеса ротора, ротор содержит две переменно-полюсные системы возбуждения со сдвигом осей полюсов по окружности ротора на величину полюсного деления, сдвинутые относительно друг друга в осевом направлении, причем внешние поверхности переменно-полюсных систем ротора расположены напротив полюсных выступов аксиальных ферромагнитных пакетов статора, а магниты двух систем возбуждения, оси которых находятся в одной аксиальной плоскости, обращены к поверхности ротора своими разноименными полюсами й образуют переменно-полюсную аксиальную систему возбуждения.
2. 2. Электродвигатель по π. 1, отличающийся тем, что он снабжен датчиками величины воздушного зазора, его вентильный коммутатор состоит из отдельных звеньев, каждое из которых выполнено в виде реверсивного усилителя мощности, на выход которого подключена обмотка статора, а общее число звеньев равно числу указанных обмоток, причем управляющие цепи звеньев коммутатора соединены с выходом общего датчика углового положения ротора и с выходом одного из датчиков величины зазора между ротором и статором, равномерно размещенных по окружности статора.