Вентильный электродвигатель и способ его настройки

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (l 9) (11) (s1)s Н 02 К 29/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ, К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

17

11 (21) 4715099/07 (22) 04.07.89 (46) 30.10.92. Бюл. № 40 (71) Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт малых электрических машин (72) Г.Б.Михайлов, В.В.Путников и

В.B.Oìåë ьчен ко (56) Н.П.Адволоткин, В.Т.Гращенков, Н.И.Лебедев, И.Е,Овчинников, А.К.Стыцина. Управляемые бесконтактные двигатели постоянного така, Л., Знергоатрмиздат, ЛО, 1984, с, 60.

С.А,Стома, В.Е.Ремизов. Использование высокоэнергетических постоянных магнитов в электромеханике. В кн:

Высокоэнергетические постоянные магниты и их применение в электромеханике, M., Трубы ВНИИЭМ, т, 85, 1987, с. 21.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1220065, кл. Н 02 К 26/00; 1.984. (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

И СПОСОБ ЕГО НАСТРОЙКИ (57)„.Исгюльзование: вентиляторы с применением в качестве привода вентильных электродвигателей. Сущность изобретения; вентильный электродвигатель содержит два многофазных беспаэовых статора 3 и 6 в виде полых цилиндров и два магнитопровода 15 и 16. Многополюсный ротор 13 механически связан с первым и вторым магнитопроводами, образуя магнитную вращающуюся систему, Каждая из фаз первого, многофазного беспазового статора соединена последрвательно с соответствующей одноименной фазовой второго многофаэного беспазового статора, а одноименные фазы каждого из многофаэных статоров в виде полых цилиндров расположены под одноименными полюсами ротора в соответствующих воздушных зазорах, образованных многополюсным ротором иэ высококозрцитивных магнитов и соответственно первым и вторым магнитопроводами. Многофазный статор в виде полого цилиндра снабжен устройством регулирования углового положения в воздушном зазоре на его расточке в пределах полюсного деления. Для повышения КПД дополнительный статор поворачивают в пределах полюсного деления, например, на холостом ходу электродвигателя и закрепляют его при минимальном токе, потребляемом электродвигателем. 3 ил.

1772875

Изобретение относится к электротехнике, в частности к вентильным электродвигателям.

Известны вентильные электродвигатели (ВД), содержащие якорь в виде полого беспазового цилиндра и магнитную систему с постоянными магнитами и магнитопроводом как цельную конструкцию (1). Цельный магнитопровод вращается вокруг оси, а беспазовый якорь в виде полого цилиндра находится в воздушном зазоре, образованном постоянными магнитами и магнитопроводом. К преимуществам такой конструкции по сравнению с электрической машиной, построенной по классической схеме, следует отнести: — резкое снижение индуктивности обмоток, что повышает надежность работы коммутационного аппарата, точность и быстродействие электромеханических устройств; — отсутствие нагружающих подшипниковых опор сил магнитного тяжения, возникающих вследствие неизбежной асимметрии зазоров между вращающимися и неподвижными элементами, входящими в магнитную цепь двигателя; — отсутствие эффекта перемагничивания материала магнитопровода.

К недостаткам данной конструкции ВД следует отнести относительно малое значение индукции в зазоре, что ограничивает функциональные возможности ВД из-за повышенного активного сопротивления якорных обмоток электрической машины, так как приходится располагать обмотку в ограниченном воздушном зазоре (порядке нескольких миллиметров).

Известны ВД (2), в которых в единой конструкции совмещены две магнитные системы с полюсами из высокоэнергетических магнитов, Конструкция имеет общий магнитопровод, приходящийся на две магнитные системы. Один магнитопровод со своим беспазовым якорем является составной частью бесколлекторного стабилизированного электродвигателя постоянного тока, другой — трехфазного синхронного генератора, Данный двигатель генератор ДГ-1 является электромеханическим стабилизированным преобразователем энергии, К недостаткам данной конструкции следует отнести необходимое в 2 раза увеличение объема высокоэнергетических магнитов, что существенно увеличивает стоимость конструкции ВД.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать ВД по авт. свид. f4 1220065 (3). Моментный двигатель с постоянными магнита10

r0

55 ми содержит беспазовый статор с внешним кольцевым магнитопроводом, на внутренней стороне которого размещена многофазная якорная обмотка, и ротор коллекторного типа с тангенциально расположенными MGI нитами, обращенными один к другому одноименными полюсами и отделенными один от другого магнитомягкими вставками, В электродвигателе для увеличения электромагнитного. вращающего момента и улучшения использования постоянных магнитов введен расположенный концентрично внешнему кольцевому магнитопроводу дополнительный внутренний кольцевой магнитопровод с дополнительно размещенной на его. наружной поверхности многофазной якорной обмоткой, соединенной последовательно-согласно с якорной обмоткой, расположенной на внутренней поверхности внешнего магнитопровода. К недостаткам данного электродвигателя следует отнести: — наличйе взаимоперемещающихся частей (кольцевые магнитопроводы, на которых размещены основная и дополнительная многофазные обмотки, неподвижны, а ротор с постоянными магнитами перемещается относительно магнитопроводов), в связи с чем имеются потери от перемегничивания магнитопроводов; — повышенную индуктивность обмоток из-за наличия магнитомягких вставок между магнитами, обращенных друг к другу одноименными полюсами; — ограничение по увеличению числа пар полюсов ротора иэ-за повышенного. рассеяния конструкций коллекторного типа при уменьшении длины магнита; — наличие нагружающих подшипниковых опор сил магнитного тяжения, возникающих вследствие неизбежной асимметрии зазоров между вращающимися и неподвижными элементами,.входящими в магнитную систему двигателя. .Целью данного изобретения является: — исключение потерь в магнитопроводах от перемагничивания; — повышение использования высокоэнергетических постоянных магнитов ротора и, следовательно, улучшение массогабаритных показателей двигателя; — повышение КПД электродвигателя путем снижения активного сопротивления якорной обмотки и числа витков в фазах; — повышение надежности ВД путем исключения магнитного тяжения, воздействующего на опоры, и снижения коммутационной энергии. запасенной в индуктивности якорных обмоток путем уменьшения величины индуктивнасти.

1772875

55

Указанная цель достигается тем. что в вентильный электродвигатель. содержащий многофазный беспазовый статор в виде полого цилиндра, многополюсный ротор с высококоэрцитивными магнитами и магнитопроводом дополнительно введены второй многофазный беспазовый статар в виде полого цилиндра и второй магнитопровод, причем многополюсный ротор механически связан с первым и вторым магнитопроводами, образуя магнитную вращающуюся систему, каждая из фаз первого многофазного беспазового статора соединена последовательно с соответствующей одноименной фазой второго многофазнаго беспазового статара, а одноименные фазы каждого из многофаз»ых статоров, в виде полы;.. цилиндров, расположены под одноименными полюсами ротора в соответствующих воздушных зазорах, образованных многополюсным ротором из высококоэрцитивных магнитов и соответстве f»o первым и вторым магнитопроводами, В заявляемом ВД для компенсации технологических погрешностей установки дополнительного беспазового статора введено устройство регулирования его углового положения в пределах полюсногоделения.

В предлагаемом изобретении для повышения надежности ВД путем резервирования многофазных обмоток якоря каждая из м»огофазных обмоток, расположенная на соответствующем беспазовсм статоре, имеет параллельные ветви, причем каждая из параллельных ветвей изолирована друг от друга, С целью повышения технологичности выполнения якорной обмотки при двухфазном варианте ВД, одна из фаз размещена на первом статоре в виде полого цилиндра, а другая фаза — на дополнительном статоре в виде полого цилиндра, причем сечение провода в каждой из фаз и число витков в якорной секции каждой фазы может быть различным, а каждая из фазных обмоток выполнена однослойной.

Для выравнивания сопротивлений в одной из фаз двухфазного ВД и уменьшения пульсаций потребляемого электродвигателем тока и момента в фазу с меньшим сопротивлением вводится резистор, В ВД, с целью расширения функциональных возможностей путем получения двухфазного тахоме-<рического сигнала в двухфазном ВД, свободного от помех при коммутации тока якоря, на первом беспазовам статоре в виде полога цилиндра уложена однослойная обмотка первой фазы

40 тахогенератора в свободных зонах перво. фазы однослойной якор»ой обмотки «а»алогично уложена вторая фаза тахогенератора на дополнительном беспазовом статоре в свободных зонах второй фазы однослойной я ко р» ой обмотки.

В заявляемом ВД на корпусе электродвигателя между основным и дополнительным статорами в виде ilollofo цилиндра, напротив торцевых поверхностей многополюсного ротора из высококоэрцитивных магнитов установлен датчик положения ротора, например, датчик Холла.

Целью изобретения также является повышение КПД путем компенсации технологических погрешностей при укладке якорных обмоток и установке их в воздушных зазорах основного и дополнительного статоров при осуществлении настройки вентипьного электродвигателя, Эта цель достигается тем, что дополнительный статор разворачивают в пределах полюсного депе»ия. например, на холостом ходу электродвигателя и закрепляют его при минимальном токе, потребляемом элект рад в и гатеп ем.

Также предлагается способ настройки вентил ьного двухфазного электродвигателя, отличающийся тем, что дополнительный статор разворачивает в пределах половины полюсного деления и закрепляют при достижении минимальных пульсациях тока, потребляемого электродвигателем.

При анализе известных технических решений не обнаружены признаки, сходные с отличительными признаками заявляемых устройств и способа настройки, поэтому предлагаемые технические решения oGnaдают существенными отличиями.

На фиг. 1 представлен продольный разрез электродвигателя, на фиг. 2 и 3 показаны графики, поясняющие способ настройки двигателя.

В корпусе 1 электродвигателя (фиг. 1) с помощью гайки 2 закреплен основной (первый). многофазный беспазовый статор 3 в виде полого цилиндра. В корпусе 1 установлено также устройство 4 регулирования углового положения с закрепленным в нем с помощью гайки 5 дополнительным (второго) беспазовым статором 6 в виде полого цилиндра, расположенного концентрично относительно статора 3. Устройство 4 может перемещаться в тангенциальном направлении по расточке в воздушном зазоре в пределах полюсного деления. В корпусе 1 закреплена ось 7, на которой смонтированы .подшипники 8. Внутренние кольца шарикоподшипников 8 зафиксированы в осевом направлении с помощью выступа оси

1772875

20 и число витков в секциях каждой фазы ма-,25

ЗГ) 40 распорного кольца 9 и стопорной гайки 10.

Выводы обмоток статоров 3 и 6 выведены наружу посредствам клеммной колодки 11.

На наружных кольцах шарикоподшипников

8 установлен ротор 12, включа>ощий в себя высококоэрцитивные постоянные магниты

13, закрепленные с помощью удерживающих гильз 14, и концентрично расположенные магнитопроводы — основной (первый) 15 и дополнительный (второй) 16. На корпусе 1 между основным 3 и дополнительным 6 статорами, напротив торцевых поверхностей постоянных магнитов 13 установлены чувствительные элементы 17 датчика .положения ротора, например, датчики э.д.с. Холла.

Мнагофазные обмотки первого и второго беспазового статора могут быть выполнены в виде нескольких параллельных ветвей, изолированных друг от друга

В случае двухфазного варианта ВД одна .из фаэ может быть размещена на первом беспазовом статаре, а другая — на втором статоре, при этом сечение провода в фазах жет быть различным. а каждая из фазных обмоток выполнена однослойной. Указанная особенность конструкции существенно повышает технологичность выполнения якорной обмотки, Последовательно с фазой ВД, расположенной HB дополнительном (вторам) статаре, может быть включен резистор.

Кроме силовых обмоток на беспазовых статорах могут быть расположены обмотки для получения тахаметрическага сигнала: на первом статаре — однослойная обмотка первой фазы тахагенератора в свободных зонах первой фазы однослойной якорной обмотки, на втором статаре — вторая фаза тахогенератора в свободных зонах второй фазы однослойной якорной обмотки. Указанная. особенность конструкции расширяет функциональные возможности двигателя путем получения двухфазного тахаметрическОГО сиГнала.

Злектродвигатель работает следующим образом. При подаче напряжения питания через полупроводниковые ключи коммутатора, открытые в соответствии с законам распределения сигналов, снимаемых с чувствительных элементов 17 датчика положения ротора, йа фазы первого многофазного беспазового статора 3 и, соединенные последовательно с ними соответствующие одноименные фазы второго мнагофазнага беспаэового статора 6, ротор 12 c постоянными магнитами 13 приходит во вращение (при этом одноименные фазы каждого иэ многофазных статоров расположены под

55 одноименными полюсами ротора в соответствующих воздушных зазорах, образованных многополюсным ротором из высококоэрцитивных магнитов 13 и соответственно первым 15 и вторым 16 магнитоправодами).В случае выполнения многофазных обмоток первого и второго статоров в виде нескольких параллельных ветвей, изолированных друг от друга, при возникновении ненормальных режимов рабты двигателя, например, короткого замыкания витков секции, происходит выделение потерь в этой секции, разогрев этой части беспазаваго статора, вплоть до сгорания в каком-то месте и разрыва проводника секции, отключение этой параллельной ветви и восстановление нормальной pA60Tbl двигателя при незначительном снижении мощности на валу.

В случае расположения на статорах обмоток для получения техаметрического сигнала при вращении ротора 12 с постоянными магнитами 13 при работе двигателя в этих обмотках возникает напря>кение, пропорциональное частоте вращения вала двигателя и используемое в качестве самостоятельного сигнала или для целей регулирования или стабилизации частоты вращения вала двигателя.

Описанный электродвигатель обладает повышенной величиной КПД, чта обеславлено следующим:.

1) отсутствуют потери в магнитопровадах 15 и 16 ат перемагничивания, так как магнитное поле, существующее на этих участках, неизменно во времени и, следовательно, ЭДС и связанные с ЭДС токи не возникают;

2} ротор 12 является мнагополюсным, чта дает возможность выполнения обмоток с небольшим шагом и, с, учетом возможности формирования малых вылетов лобовых частей в беспазавой конструкции статаров

3 и 6, существенно снизить активное сопротивление якорных обмоток;

3) за счет использования высакокаэрцитивных магнитов и обеспечения достаточно большого магнитного потока в воздушном зазоре сни>кается число витков в фазах обмоток, а также индуктивное и активное сопротивления обмоток,Указанное снижение потерь и повышение КПД свидетельствуют о повышении надежности предлагаемого двигателя. О там же говорит следующее:

1) силы магнитного тяжения, возникающие между частями магнитной системы, локализованы в жесткой конструкции ротора

12 и не создают нагрузок на подшипникавые узлы, позволяя уменьшить их размеры

g построить конструкцию двигателя с высо1772875

10

55 кими массогабаритными характеристиками; уменьшение сил магнитного тяжения, воздействующего на опоры, также достигается за счет снижения коммутационной энергии, запасенной а индуктивности якорных обмоток, путем уменьшения величины индуктивности;

2) в случае выполнения обмоток статорав 3 и 6 в виде нескольких параллельных ветвей при возникновении ненормальных режимов при работе двигателя, например, короткого замыкания витков секции, происходит перегорание и разрыв проводника секции, отключение этой параллельной ветви и восстановление нормальной работы двигателя.

Использование в двигателе высококоэрцитивных постоянных магнитов ротора позволяет существенно улучшить массогабаритные показатели двигателя.

Возможность визуального наблюдения характера потребляемого тока двигателя с помощью осциллографа позволяет достаточно просто провести настройку двигателя. Предлагаемый Способ настройки рассмотрим под углом организации рациональной коммутации на примерах наиболее простого двухфазного вентильного двигателя с зоной коммутации 180 эл, Разумеется, способ применим для ВД с любым числом фаз, при этом при увеличении числа фаз пульсации потребляемого тока двигателя снижаются, на качественная сторона происходящих процессов сохраняется.

В случае вентильного двигателя, выполненного без технологических погрешностей

ЭДС фазы первого е и соответствующей .фазе еь второго статоров представляют синусоиды (фиг. 2, а, б), совпадающие па фазе.

При последовательном соединении одноименных фаз статоров, прямоугольной форме подвадимого к обмоткам напряжения (фиг. 2, r), суммарная ЭДС представляет синусоиду (фиг. 2, в), а разность напряжения и суммарной ЭДС соответствует форме потребляемого тока двигателя, представленного на .фиг. 2, д. П ри этом ток, потребляемый двигателем на холостом ходу (фиг. 2, д), минимален.

Укладка якорных обмоток и установка их в воздушных зазорах основного и дополнительного статоров осуществляется с технологическими погрешностями, приводящими к отклонению формы ЭДС фаэ е и е от синусоидальной, Для компенсации этих погрешно=тей дополнительный статор 6 разворачива ат в пределах полюсного деления, например, на холостом ходу электродвигателя, обеспечивают минимальный потребляемый ток, следя за характером кривой тока на экране осциллографа, которая должна приближаться к форме. представленной на фиг. 2, д, или за показаниями амперметра, включенного в цепь якорной обмотки, после чего статор 6 закрепляют с помощью устройства 4.

В случае двухфазного вентильного электродвигателя, выполненного без технологических погрешностей, ЭДС е {фиг. 3, а) одной из фаз, размещенной на основном статоре. сдвинута на угалК/Е относительна

ЭДС е„(фиг. 3, б) другой фазы, размещенной на дополнительном статоре. При последовательном соединении фаз суммарная

ЭДС имеет форму, представленную на фиг.

3, в, а так при прямоугольной форме падводимаго к обмоткам напряжения (фиг. 3, r) имеет вид, представленный на фиг. 3, д. При этом пульсации тока минимальны.

Укладка якорных обмоток и установка их в воздушных зазорах основного и дополнительного статоров осуществляется с технологическими погрешностями, приводящими к отклонению формы ЭДС е и е . от синусоидальной. Для компенсации этих погрешностей дополнительный статор

6 разворачивают, например, на холостом ходу двигателя а пределах половины полюсного деления. обеспечивая минимум пульсаций тока, следя за характером кривой тока на экране осциллографа; которая должна приближаться к форме, представленной на фиг, 3, д, после чего статор 6 закрепляют с помощью устройства 4.

Предлагаемый способ настройки позволяет обеспечить минимальный уровень потребляемого тока или пульсаций его, что обеспечивает повышение КПД электродвигателя. Способ является простым, не требует специального оборудования. Настройка двигателя занимает 4 — 5 мин.

Предлагаемые новые решения в конструкции электродвигателей и способ их настройки могут быть использованы при разработке и изготовлении электродвигателей с гарантийной наработкой 100 — 120 тыс. ч, для привода вентиляторов систем терморегулирования.

Формула изобретения

1. Вентильный электродвигатель, содержащий два коаксиальных безпазовых статора с кольцевыми магнитоправодами и обмотками в виде полых цилиндров и ротор с постоянными магнитами, размещенный междустаторами, атл и чаю щи йс я тем, что, с целью повышения надежности и КПД, кольцевые магнитапроводы выпалненывращающимися и соединены с ротором.

2. Электродвигатель по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что одна из обмоток в виде

1772875

0 полого цилиндра выполнена подвижной с возможностью углового сдвига относительно второй.

3. Электродвигатель по пп. 1 и 2, о т л ич а ю шийся тем, что выполнен двухфазным, причем обмотки в виде полых цилиндров выполнены однослойными, однофазными и принадлежат к разным фазам двигателя.

4. Электродвигатель по пп,.1-3, о т л ич а ю шийся тем, что последовательно с подвижной обмоткой включен резистор.

5, Электродвигатель по пп, 1-3, о т л ич а ю шийся тем, что на одном из полых цилиндров коаксиальных статоров размещена одна из фаз двухфазной тахометрической обмотки, а на другом — вторая фаза.

6. Способ настройки вентильнаго злектродвигателя, состоящий в смещении одного из коаксиальных статоров относительно другого, отличающийся тем. что, с

5 целью повышения КПД путем компенсацир технологических погрешностей. подвижныф статор смещают в пределах полюсного деления и закрепляют при достижении мин®мального тока, потребляемого

10 электродвигателем.

7. Способ по и. 6, о т л и ч а ю щ и и с э тем, что подвижный статор смещают в пр@делах половины полюсного деления и загкрепляют при достижении минимальны

15 пульсаций тока, потребляемого электродвц гателем.

1772875 е<

Составитель Г.Михайлов

Техред М,Моргентал Корректор М.Максимишинец

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3850 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ. СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5