Вентильная электрическая машина

 

Использование: в высокоточных приводах с высокой стабильностью частоты вращения . Существо изобретения: машина содержит электромеханический преобразователь 1 с аксиальным зазором между якорем 3 и активной поверхностью 4 переменно-полюсного индикатора, который установлен на оси 6 вращения и выполнен с несинусоидальным распределением нормальной составляющей поля. Внешняя сторона катушек каждой секции выполнена с дополнительными изгибами, равноудаленными от оси вращения. Число изгибов в катушках , образующих одну секцию, может быть выполнено различным. Катушки с большим числом дополнительных изгибов могут быть выполнены из провода, поперечное сечение которого меньше поперечного сечения провода катушки с меньшим числом дополнительных изгибов, катушка с большим числом этих изгибов может быть выполнена с числом витков, меньшим числа витков катушки с меньшим числом дополнительных изгибов. Индуктор может быть выполнен из двух частей, обращенных к якорю. 5 з.п.ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (5()s Н 02 К 29/00

ГОСУДАPСТВЕHHb1И КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4769779/07 (22) 30.10.89 (46) 07.11.92. Бюл. N 41 (71) Московский энергетический институт (72) А.А,Иванов, B.Ê.Ëîçåíêî и А.M.Ñàíòàлов (56) Патент США N 3809936, кл. Н 02 К 19/24, 1974.

Патент CLLIA N 4737675, кл, Н 02 К

29/00, 1988. (54) ВЕНТИЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА (57) Использование: в высокоточных приводах с высокой стабильностью частоты вращения. Существо изобретения: машина содержит электромеханический преобразователь 1 с аксиальным зазором между якорем 3 и активной поверхностью 4 переменно-полюсного индикатора, который установлен на оси 6 вращения и выполнен с несинусоидальным распределением нормальной составляющей поля. Внешняя сторона катушек каждой секции выполнена с дополнительными изгибами, равноудаленными от оси вращения. Число изгибов в катушках, образующих одну секцию, может быть выполнено различным, Катушки с большим числом дополнительных изгибов могут быть выполнены из провода, поперечное сечение которого меньше поперечного сечения провода катушки с меньшим числом дополнительных изгибов, катушка с большим числам этих изгибов может быть выполнена с числом витков, меньшим числа витков катушки с меньшим числом дополнительных изгибов. Индуктор может быть выполнен из двух частей, обращенных к я корю, 5 э.п.ф-л ы, 4 ил.

1774438

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к электрическим машинам с бесконтактной коммутацией секций обмотки якоря по положению индуктора с помощью преобразователя частоты, т,е. к вентильным электрическим машинам, получающим питание или генерирующим электроэнергию в цепь постоянного тока.

Применительно к вентильным электромашинам, работающим совместно с сетью постоянного тока, например, к маломощным прецизионным вентильным электромашинам, для обеспечения высокого качества электромеханического преобразования энергии стремятся иметь трапецеидальную форму ЗДС в секциях обмотки якоря с тем, чтобь. на интервале между двумя очередными переключениями ключей преобразователя частоты (межкоммутационный интервал) результирующая ЭДС подключенных к сети постоянного тока секций обмотки якоря была бы постоянна по величине. Это обеспечивает подобие форм тока и ЭДС на межкоммутационном интервале.

Известна вентильная электрическая машина с трапецеидальной формой ЭДС в секциях, содержащая электромеханический преобразователь торцевой конструкции с аксиальным зазором между якорем и переМ8ННо-полюсным индуктором, причем секции обмотки якоря выполнены сосредоточенными.

Недостатком такой конструкции является неудовлетворительное использование обьема зазора и всего электромеханического преобразователя, в результате чего ухудшаются массогабаритные показатели машины.

Наиболее близкой является вентильная электрическая машина, содержащая электромеханический преобразователь с якорем торцевой конструкции и переменно-полюсным индуктором, установленным на оси вращения и выполненным с возможностью в зазоре магнитного поля с несинусоидальным распределением нормальной составляющей индукции в окружном направлении.

На торцевой поверхности якоря, обращенной к индуктору, расположены катушка с боковыми, внутренней и внешней сторонами. Катушки соединены в секции, которые связаны через преобразователь частоты, например, полупроводниковый с цепью постоянного тока, Недостаток такой конструкции заключается в неудовлетворительном качестве выходных параметров электрической машины. Это связано с тем, что форма наведенной ЭДС в секциях обмотки якоря прямо зависит от формы поля в зазоре, что требует точного подбора и стабильности характеристик средств возбуждения поля индуктора (постоянных магнитов). Известно, что стабильность характеристик постоя н н ых магнитов невысока. Поэтому обеспечение повторяемости от образца к образцу требуемой формы ЭДС затруднительно. Отклонение реальной формы ЭДС от трапецеидальной ведет к ухудшению качества электромеханического преобразова10 ния энергии, в частности, к увеличению пульсаций вращающего момента.

Целью изобретения является повышение качества выходных параметров машин.

Поставленная цель достигается тем, что в вентильной электрической машине, содержащей электромеханический и реобразователь с торцевым якорем и переменно-полюсным индуктором. установленным на оси вращения и служащим для создания магнитного поля с несинусои20 дальным распределением нормальной составляющей индукции в окружном направлении, расположенные на торцевой

25 поверхности якоря катушки с боковыми, внутренней и внешней сторонами, причем катушки соединены в секции, подключенные через преобразователь частоты к цепи питания, согласно изобретению, внешняя сторона, по крайней мере одной катушки

30 каждой секции выполнена с дополнительными изгибами и содержит участки, расположенные в активной зоне электромеханического преобразователя и

35 разноудаленные от оси вращения.

При этом целесообразно выполнение внешних сторон катушек. образующих одну секцию, с различным числом дополнительных изгибов.

40 Катушки с большим числом дополнительных изгибов выполнены из провода, поперечное сечение которого меньше поперечного сечения провода катушки с меньшим числом дополнительных изгибов.

45 Целесообразно: выполнение катушки с большим числом дополнительных изгибов с числом витков, меньшим чем у катушки с меньшим числом дополнительных изгибов.

Часть витков внутренней стороны, по

50 крайней мере. одной катушки каждой секции может быть выполнена с дополнительными изгибами и содержит участки, разноудаленные от оси вращения.

Во всех вышеуказанных случаях индук55 тор может быть выполнен из двух половин. обращенных активными поверхностями к якорю, причем половины индукторов обращены друг к другу полюсами различной полярности.

1774438

35

45

Как будет видно из приведенного далее примера, за счет изменения формы катушек можно сформировать ЭДС трапецеидальной формы с заданным значением углового размера плоской вершины в условиях нестабильности характеристик постоянных магнитов и тем самым обеспечить высокое качество выходных параметров.

На фиг.1 представлена принципиальная схема вентильной электромашины с конструкцией электромеханического преобразователя; на фиг,2 — расположение катушек обмотки якоря; на фиг.3 — кривая распределения индукции в зазоре электромеханического преобразователя; на фиг.4— кривая ЭДС в секции обмотки якоря.

Вентильная электрическая машина содер>кит электромеханический преобразователь 1 торцевой конструкции с аксиальным зазором 2 между якорем 3 и активной по. верхностью 4 первого переменно-полюсного индуктора 5, который установлен на оси

6 вращения и выполнен с возможностью создания в зазоре 2 магнитного поля, величина нормальной составляющей индукции

Во (поз.7 на фиг.3) которого в активной зоне 8 между активной поверхностью 4 индуктора 5 и якорем 3 распределена по окружности х по закону периодической функции, отличающейся от синусоидальной. На якоре 3 в плоскости, параллельной и обращенной к активной поверхности 4 индуктора 5, расположены витки 9 (фиг.2) катушки

10, каждая из которых выполнена с боковыми 11 и 12, внутренней 13 и внешней 14 сторонами. Катушки соединены в секции, которые связаны через преобразователь 15 частоты, например, полупроводниковый с цепью 16 постоянного тока, Внешняя сторона 14, по крайней мере одной катушки 10 каждой секции выполнена с дополнительными изгибами и содержит участки 17, 18, 19, расположенные в активной зоне 8 электромеханического преобразователя и разноудаленные от оси 6 вращения. Возможно выполнение катушек одинаковой формы типа катушки 10. Возмо>кно выполнить внешние стороны 14 катушек 10 и 20, образующих одну секцию, с различным числом дополнительных изгибов. Внешняя сторона катушки 20 также содержит участки 21, 22, 23, расположенные в активной зоне 8 и разноудаленные от оси 6 вращения. Возможно выполнение вентильной электрома. шины, у которой катушки 20 с большим

,числом дополнительных изгибов выполнены из провода, поперечное сечение которого меньше поперечного сечения провода катушки 10, имеющей меньшее число дополнительных изгибов, Возможно выполнение вентильной машины, при котором катушка

20 с большим числом дополнительных изгибов имеет меньше витков 21, чем число витков катушки 10 с меньшим числом дополнительных изгибов.

Часть витков 22 внутренней стороны 13, по крайней мере, одной катушки 10 каждой секции может быть выполнена.с дополнительными изгибами и с участками, разноудаленными от оси 6. Возможно выполнение, при котором функции распределения нормальной составляющей индукции 7 (фиг.3) является нечетной, а знаки, по крайней мере, третьей 23, пятой 24 и седьмой 25 высших гармонических совпадают со знаком первой 26 гармонической, по крайней мере, для одноименных полюсов индуктора. Магнитопровод якоря 3 может быть установлен на оси вращения и вращаться вместе с индуктором, В этом случае катушки должны быть установлены на немагнитном каркасе в активной зоне 8 электромеханического преобразователя. Вентильная электрическая машина может быть снабжена вторым аналогичным первому переменнополюсным индуктором (на чертеже не показан), обращенным активной поверхностью к якорю 3 и установленным на оси вращения.

При этом индукторы обращены друг к другу полюсами различной полярности, а якорь выполнен немагнитным. Крайние внешние участки дополнительных изгибов могут находиться вне активной зоны индуктора.

Для замыкания магнитного потока переменно-полюсный индуктор 5 (в данном случае 2р = 8) снабжен примыкающим к нему магнитомягким шунтом 27. Индуктор 5 вместе с шунтом 27 размещены в обойме 28, которая закреплена на оси б, установленной в подшипниках 29 и 30. размещенных в корпусе 31. Для фиксации величины аксиального зазора 2 машина снабжена упорным подшипником 32.. Для регулирования величины воздушного зазора предусмотрены прокладки 33. В данной конструкции корпус

31 соединен с якорем 3, который может быть выполнен из магнитомягкого материала.

Противоположно лежащие катушки 10 и 20 соединены последовательно и образуют секцию. Концы трех секций обьединены, а начала 34 секций выведены и подключены к трехканальному выходу 35 преобразователя частоты 15, выполненного по двухполупериодной схеме на транзисторах 36, диодах

37 моста обратного тока. Такие преобразователи частоты используются для вентильных электродвигателей. Цепи управления транзисторов подключены к чувствительным элементам 38,39,40, например, элементам Холла датчика положения ротора, через блок 41 формирования (усиления) сигналов управления. Формы выполнения датчика положения ротора, блока 41 формированияусиления сигналов управления несущественны и могут быть различны, В случае использования вентильной электромашины в качестве генератора необходимость в датчике поло>кения ротора и блока 41 отпадает, а преобразователь частоты 15 может быть выпогнен в виде моста диодов 37. Вентильная электрическая машина может быть выполнена с различным числом катушек, а индуктор — с различной полюсностью, как цельной, так и сборной конструкции.

Вентильная электрическая машина работает следующим образом.

При вращении обоймы 28 изменяется потокосцепление индуктора 5 с катушками

10,20, в которых согласно закону электромагнитной индукции наводится ЗДС. Величина нормальной составляющей индукции 7 магнитного поля в зазоре 2 в активной зоне

8 ме>кду активной поверхность1о 4 индуктора 5 и якорем 3 распределена.в окружном направлении по несинусоидальному закону. Кривая 7 (фиг,3) может быть представлена как сумма гармонических составляющих, первые четыре из которых (первая 26, третья 23, г1ятая 24 и сецьмая 25) представлены на фиг.3, Если бы все катушки обмотки якоря были выполнень1 без дополнительных изгибов, сосредспоченными и диаметральными, кривая наведенных в них ЭДС повторила бы форму индукции. Но в беспазовых электромеханических преобразователях такую обмотку применить невозможно, поскольку это привело бы к резкому снижению использования обьема машины из-за низкого коэффициента заполнения воздушного зазора.

Выполнение катушек с конечной шириной приводит к распределению витков по окружности и,следовательно, к фильтрации высших гармоник i(pNBot t ЭДС. 1 ак, если, например, каждая сторона катушки занимает электрический угол л /3 на середине активной зоны, ее коэффициенты распределения ",îñòàâëÿþò для первой гармоники

0,955, для третьей — 0, 0,636, для пятой—

0,191. Кривая ЭДС в секции приближается к синусоидальной. Разность между постоянным прилОженным напряжением и синусоидальной формой ЭДС обуславливает пульсации тока и вращающего момента.

Введение дополнительных изгибов с участками, частично или полностью расположенными в активной зоне, г1риводит к некоторому снижению величины первой гармоники ЭДС и значительному увеличению высших гармоник по сравнению с трапецеидальной формой ЭДС в катушке.

Степень деформации кривой ЭДС связана с

5 формой катушки и кривой поля по довольно сложной функциональной зависимости, Установлено, однако, что для большинства конструкций индукторов можно путем введения дополнительных изгибов получить фор10 му ЭДС с "полкой", равной или большей 120 электрических градусов.

В зависимости от формы кривой поля в зазоре вогнутая часть изгиба может занимать различное положение относительно

15 оси симметрии катушки, На фиг.4 пунктиром изобра>кены результирующая кривая 42 ЭДС ек, наведенной в распределенной катушке. Одна сторона катушки занимает в середине ак20. тинной зоны электрический угловой промежуток равный л: /3, Кривая может быть представлена как сумма гармонических первой 43, третьей 44 и пятой 45. Сплошными линиями изображены кривые ЭДС, наве25 денные в обмотке .с дополнительными изгибами: результирующая кривая 46 и ее гармонические составляющие 47 (первая), 48 (третья) и 49 {пятая). Как видно из фиг.4, использование дополнительных изгибов по30 зволило усилить третью и пятую гармонические в кривой ЭДС и тем приблизить ее форму к трапецеидальной с шириной вершины, близкой к 2 л /3, В этом случае при использорании как однополупериодного

35 коммутатора с межкоммутационным интервалом, равным 27г /3, так и мостового с межкоммутационным интервалом K /3, "выпрямленная" ЭДС имеет практически постоянную величину, потребляемой ток

40 также постоянен, вращающий момент почти не имеет пульсаций, Катушки, из которых состоят секции, могут быть как намотаны из провода, так и выполнены в виде многослойных печатных катушек.

45 Выполнение катушек с различным числам изгибов позволяет установит в ней обмоточные коэффициенты для различных гармонических составля1ощих, необходимые для формирования плоской вершины

50 достаточной ширины. Выполнение катушек из провода разного сечения либо с разным числом витков, равно как и выполнение с изгибами только части витков, позволяет максимально использовзть полезный обьем

55 электромагнитного зазора. Располо>кение магнитопровода якоря на оси индуктора позволяет снизить потери в стали. Выполнение электромеханического преобразователя с двумя индукторами, об1774438 ращенными друг к другу своими разноименными полюсами, позволяет повысить использование объема электрической машины.

Формула изобретения

1. 8ентильная электрическая машина, содержащая электромеханический преобразователь с торцевым якорем и переменно-полюсным индуктором, установленным 10 на оси вращения и служащим для создания магнитного поля с несинусоидальным распределением нормальной составляющей индукции в окружном направлении, на торцевой поверхности якоря, обращенной к ин- 15 дуктору, расположены катушки с боковыми, внутренней и внешней сторонами, катушки соединены в секции, подключенные через преобразователь частоты к цепи питания, отличающаяся тем, что, с целью 20 повышения качества выходных параметров машины, внешняя сторона по крайней мере одной катушки каждой секции выполнена с дополнительными изгибами и содержит участки, расположенные в активной зоне элек- 25 тромеханического преобразователя и разноудаленные от оси вращения.

2. Машина по п.1, о т л и ч а ю ща я с я тем, что внешние стороны катушек, образующих одну секцию, выполнены с различным числом дополнительных изгибов.

3. Машина по п,2, отличающаяся тем, что катушки с большим числом дополнительных изгибов выполнены из провода, поперечное сечение которого меньше поперечного сечения провода катушки с меньшим числом дополнительных изгибов.

4. Машина по п,2 или 3, о т л и ч а ю щ ая с я тем, что катушка с большим числом дополнительных изгибов выполнена с числом витков, меньшим витков катушки с меньшим числом дополнительных изгибов.

5. Машина по п1 или 2, отл ич а ю щая с я тем, что часть витков внутренней стороны по крайней мере одной катушки каждой секции выполнена с дополнительными изгибами и содержит участки, разноудаленные от оси вращения.

6, Машина по пп,1 — 5,отл ича ю щаяс я тем, что индуктор выполнен из двух половин, обращенных активными поверхностями к якорю, половины индукторов обращены одна к другой полюсами различной полярности.

1774438

Фиг З

Составитель А.Санталов

Техред М.Моргентал Корректор Л.Ливринец

Редактор А.Бер

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

Заказ 3932 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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