Вентильный электропривод

 

Использование: автоматизированные электроприводы металлообрабатывающих станков. Сущность изобретения: вентильный электропривод содержит электромеханический преобразователь (ЭМП). в корпусе 1 которого размещены статор с магнитопроводом, на котором расположены обмотка якоря 8 и соленоидальная обмотка подмагничивания 9, подшипниковые щиты 2, в которых установлен ротор 5 с радиально намагниченными высококоэрцитивными постоянными магнитами 6. расположенными на наружной поверхности цилиндрического магнитопровода. укрепленного на немагнитном валу 4. Обмотка якоря подключена к выходу преобразователя частоты, управляющие цепи которого связаны с выходом датчика 18 положения ротора, преобразователь частоты выполнен с возмож// 2 / ff // /ff 3 /ff я ностью регулирования величины выходного напряжения, блок питания, к выходам которого подключены цепи питания преобразователя частоты и блока регулирования магнитного потока, выход которого соединен с обмоткой подмагничивания 9. управляющие цепи преобразователя частоты связаны с выходом тахогенератора 16, управляющие входы блока регулирования магнитного потока связаны с выходами тахогенератора 16, датчиков тока и напряжения якоря. Подшипниковые щиты 2 ЭМП выполнены из ферромагнитного материала и установлены в ферромагнитном корпусе относительно торцевых поверхностей цилиндрического магнитопровода ротора так, что корпус, подшипниковые щиты и магнитол ровод ротора представляют собой по отношению к соленоидальной системе подмагничивания магнитопровода статора дополнительную замкнутую магнитную цепь с минимально возможными немагнитными зазорами. 6 ил. Ю 7 8 Ё Ю О О о о Ю о

(яи Н 02 К 29/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

С>

О

О ()

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4927982/07 (22) 29.03.91 (46) 07.09.93. Бюл. hk 33-36 (76) Королев Э.Г. (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД (57) Использование: автоматизированные электроприводы металлообрабатывающих станков. Сущность изобретения: вентильный электропривод содержит электромеханический преобразователь {ЭМП), в корпусе

1 которого размещены статор с магнитопроводом,. на котором расположены обмотка якоря 8 и соленоидальная обмотка подмагничивания 9, подшипниковые щиты 2, в которых установлен ротор 5 с радиально намагниченными высококоэрцитивными постоянными магнитами 6, расположенными на наружной поверхности цилиндрического магнитопровода, укрепленного на немагнитном валу 4. Обмотка якоря подключена к выходу преобразователя частоты, управляющие цепи которого связаны с выходом датчика 18 положения ротора, преобразователь частоты выполнен с возможA

ЯЫ 2000642 С ностью регулирования величины выходного напряжения, блок питания, к выходам которого подключены цепи питания преобразователя частоты и блока регулирования магнитного потока, выход которого соединен с обмоткой подмагничивания 9, управляющие цепи преобразователя частоты связаны с выходом тахогенератора 16, управляющие входы блока регулирования магнитного потока связаны с выходами тахогенератора 16, датчиков тока и напряжения якоря. Подшипниковые щиты 2 ЭМП выполнены иэ ферромагнитного материала и установлены в ферромагнитном корпусе относительно торцевых поверхностей цилиндрического магнитопровода ротора так, что корпус, подшипниковые щиты и магнитопровод ротора представляют собой по отношению к соленоидальной системе подмагничивания магнитопровода статора дополнительную замкнутую магнитную цепь с минимально возможными немагнитными зазорами. 6 ил.

2000642

Изобретение относится к электротехнике и может быть применено в автоматизированных электроприводах металлообрабатывающих станков, где по условиям технологии обработки изделий помимо регулирования частоты вращения привода с постоянным вращающим моментом необходимо регулировать частоту вращения привода с постоянной мощностью.

Известен вентильный электропривод. принятый в качестве прототипа, содержащий электромеханический преобразователь (ЭМП), в ферромагнитном корпусе которого размещены статор с магнитопроводом, на котором расположены обмотка якоря и на внешней поверхности соленоидальная обмотка подмагничивания, подшипниковые щиты, в которых установлены ротор с высококоэрцитивными постоянными магнитами. укрепленными на немагнитном валу, обмотка якоря подключена к выходу преобразователя частоты, управляющие цепи которого связаны с выходом датчика положения ротора, преобразователь частоты выполнен с возможностью регулированйя величины выходного напряжения, блок питания, к выходам которого подключены цепи питания преобразователя частоты и блока регулирования магнитного потока, выход которого соединен с обмоткой подмагничивания, управляющие цепи преобразователя частоты связаны с выходами тахогенератора, датчиков тока и напряжения якоря.

В результате изменения тока подмагничивания в соленоидальной обмотке от нуля до максимально допустимого значения меняется степень насыщения магнитопровода статора и уменьшается внешняя магнитная проводимость по отношению к постоянным магнитам, т.е, ослабляется магнитный поток в рабочем воздушном зазоре ЭМП.

При использовании данного вентильного электропривода в приводе главного движения металлообрабатывающего станка может быть обеспечено регулирование частоты вращения привода с постоянной мощностью путем ослабления магнитного потока вентильного двигателя по аналогии с известным приводом главного движения с коллекторным двигателем постоянного тока с электромагнитным возбуждением.

Недостатком вентильного электропривода по прототипу является сравнительно узкий диапазон регулирования частоты вращения привода с постоянной мощностью и в связи с этим ограниченная область и рименения привода при использовании его в мепреобразователя (вснтильного элект родвигателя), разрез; на фиг. 2 — разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 — блок-схема привода ме55 таллообрабатывающего станка; на фиг. 4— графики зависимостей (в относительных единицах) момента привода М - f(n) и мощности привода P = f1(n) во всем диапазоне регулирования частоты вращения привода и; на фиг. 5 — графики зависимостей (в отно10

50 ханизмах главного движения металлообрабатывающих станков.

Целью изобретения является расширение области применения путем увеличения диапазона регулирования частоты вращения при работе с постоянной мощностью привода.

Цель достигается тем, что вентильный электропривод, содержащий электромеханический преобразователь, в ферромагнитном корпусе которого размещены статор с магнитопроводом, на котором расположены обмотка якоря и на внешней поверхности соленоидальная обмотка подмагничивания, подшипниковые щиты, в которых установлен ротор с высококоэрцитивными постоянными магнитами, укрепленными на немагнитном валу, обмотка якоря подключена к выходу преобразователя частоты, управляющие цепи которого связаны с выходом датчика положения ротора, преобразователь частоты выполнен с возможностью регулирования величины выходного напряжения, блок питания, к выходам которого подключены цепи питания преобразователя частоты и блока регулирования магнитного потока, выход которого соединен с обмоткой подмагничивания, управляющие цепи преобразователя частоты связаны с выходом тахогенератора, управ- ляющие входы блока регулирования магнитного потока — с выходами тахогенератора, датчиков тока и напряжения якоря, снабжен подшипниковыми щитами, выполненными из ферромагнитного материала и установленными в корпусе относительно торцевых поверхностей цилиндрического магнитопровода ротора так, что корпус, подшипниковые щиты и магнитопровод ротора образуют замкнутую магнитную цепь с минимальными воздушными зазорами.

Конструктивно магнитопроводящие корпус, подшипниковые щиты, магнитопроводы статора и ротора ЭМП выполнены так, что в процессе подмагничивания магнитопроводов статора и ротора корпус и подшипниковые щиты остаются ненасыщенными.

На фиг. 1 привод металлообрабатывающего станка с беспазовым магнитопроводом статора электромеханичес кого

2000642

10

20

30

55 сительных единицах) магнитной индукции в

В.i магнитопроводе статора т-; — =- 1(1„) и магниоя1н

Ва2 топ роводе ротора — — — f1(In): магнитной

Ва2н проницаемости магнитопроводэ статора — = f2(ln) И МЭГНИТОПрОВОда ратсра —ра1 / я2

/ а1н ря2н

-fa(In); магнитного сопротивления магнитоRa1 провода статора — = 4(ln) и магнитопро а1н

Raz вода ротора,; — fgln); суммарного а2н магнитного сопротивления магнитопровоXR, дов статора и ротора — - 1ф,); частоты - 4н и вращения привода — = fgln); рабочего магпн нитного потока вентильного двигателя

Фу

6 — — 1э(Ь); электромагнитного момента вен он

Ma тильного электродвигателя = fg(ln) и эн

МОЩНОСТИ ПРИВОДа = f10(ln) ВО ВСЕМ ДИаРн пазоне регулирования тока In в обмотке подмагничивания; на фиг. 6 — зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля при размагничивании постоянного магнита ротора вентильного электродвигателя.

Предлагаемый вентильный электропривод металлообрабатывающего станка рассматривается на примере привода фрезерного станка с высокоскоростным электрошпинделем. Привод (см. фиг. 1) содержит магнитопроводящий корпус 1, в котором посредством магнитопроводящих подшипниковых щитов 2 на керамических шариковых опорах 3 установлен немагнитный вал 4, являющийся шпинделем станка.

Непосредственно на валу 4 жестко закреплен цилиндрический магнитопровод ротора

5 с радиально намагниченными высококоэрцитивными постоянными магнитами 6. В корпусе 1 установлен беспазовый магнитопровод статора 7, изготовленный из порошкового магнитомягкого изотроп ного материала, например, из кобальтового сплава марки 49К2ФА, нэ внутренней цилиндрической поверхности которого размещена трехфазная распределенная обмотка якоря 8. На наружную цилиндрическую поверхность магнитопровода 7 равномерно и соленоидально намотана обмотка подмагничивания 9, Обмотка подмагничивания 9 электрически изолирована от магнитопровода 7 с помощью изоляционной пр0кладKè

10 и выполнена для повышения над ж ности и улучшения теплопередачи к системе жидкостного охлаждения 11 в виде MoH ëèòíîé обмотки, например, путем заливки компаундом 12 на основе эпоксидной смолы и наполнителя. обладающего повышенной теплопроводностью, Выводные провода от обмотки подмагничивания 9 совместно с выводными проводами обмотки якоря 8 выведены нэ штепсельный разъем (не показан).

Опоры 3 закрыты фланцами 13, на рабочем конце вала 4 установлена фреза 14. У задней опоры вала под кожухом 15 расположен бесконтактный тахогенератор 16, подключенный к полупроводниковому преобразователю 17 (см. фиг. 3), и датчик положения ротора 18 (см. фиг. 1), подключенный к преобразователю 17 через систему ЧПУ 19 станка, Преобразователь 17 (см. фиг. 3) включает в себя блок 20 питания, блок 21 регулирования частоты и напряжения, подключенный к трехфазной обмотке якоря

8 вентильного электродвигателя 22, и блок

23 регулирования рабочего магнитного потока, подключенный к обмотке подмагничивания 9 и связанный обратной связью по току 24 и по напряжению 25 с обмоткой якоря 8.

Привод работает следующим образом.

Устанавливают и закрепляют обрабатываемую деталь. По командам, поступающим от системы ЧПУ 19 станка и датчика 18 положения ротора в блок 21 регулирования частоты и напряжения, осуществляют электронно-коммутируемый запуск вентильного электродвигателя 22 до требуемой частоты вращения.

В нижней части диапазона (зона регулирования I) до номинальной частоты вращения пн (см, фиг. 4) осуществляют черновую обработку детали с постоянным враща1ощим моментом M. При этом частоту вращения вентильного электроприводэ, как и в приводе с коллекторным электродвигателем постоянного тока обращенной конструкции, возбуждаемой постоянными магнитами, регулируют от 0 до пн путем изменения напряжения, подводимого к обмотке якоря 8 от блока 21 регулирования частоты и напряжения по командам системы ЧПУ 19 станка.

8 верхней части диапазона (зонэ регулирования II) от п, до пнякс осуществляют чистовую обработку детали с постоянной мощностью P. Для этого, начиная с частоты вращения пн по команде, поступающей от системы ЧПУ 19 станка, вводят в работу канал управления магнитным потоком. в со2000642

55 став которого входят блок 23, обмотка подмагничивания 9 и обратные связи 24 и 25.

При изменении тока подмагничивания

4 от нуля максимального рабочего значения

Inesxc (см. фиг. 5) под воздействием магнитНОГО ПОЛЯ С НаПРЯжЕННОСтЯМИ +ns1 И Нпа2 (см. фиг. 2) происходит поднасыщение магнитопроводов статора 7 и ротора 5 (см. фиг.

1), в результате чего изменяется их магнитное состояние и рабочие точки на кривых намагничивания магнитомягкого материала магнитопроводов перемещается из положеНИя А (Ва1 - Вв1н: Вв2 - Ве2и) СООтВЕтСтВЕННО

В ПОЛОЖЕНИЕ Б (ВИ - Ве1мвкс.) И ПОЛОЖЕНИЕ

В (Ва2 - Вамакс.). При этом по закону, близкому к гиперболическому, изменяется магНИтНаЯ ПРОНИЦЭЕМОСтЬ Р1 И,иs2 От максимального значения до минимального значения и увеличивается по закону, близкому к прямолинейному, магнитное сопротИВЛЕНИЕ МаГНИтОПрОВОда СтатОра Rs1, магнитное сопротивление мэгнитопроводэ

РотоРа Rs2 и их сУммаРнаЯ величина З4 от минимального значения до максимального значения.

С Изменением сопротивления Хйа изменяется магнитное состояние каждого постоянного магнита 6 (см. фиг. 1) ротора электродвигателя, в результате чего рабочая точка В (см, фиг. 6) перемещается по прямолинейной характеристике размагничивания высококоэрцитивного магнита из

ПОЛОЖЕНИЯ Вми В ПОЛОЖЕНИЕ Вммим И Рабочий магнитный поток двигателя Cthe рабочем немагнитном за-оре о (см. фиг. 2) между крайними его значениями W (ln -О) и Ф;гмин(1п 1пмэкс.) изменяется ho закону, близкому к гиперболическому (см. фиг, 5).

С момента подключения к работе блока

23 (см. фиг. 3) в зоне регулирования II (см. фиг. 4) подводимое к обмотке якоря 8 (см. фиг. 1) напряжение от блока 21 поддерживается постоянным по величине. В результате, кэк и в случае управления по полю коллекторного электродвигателя постоянного тока с независимым электромагнитным возбуждением, электромагнитный момент М> (см. фиг. 5) изменяется по тому же закону, что и рабочий магнитный поток электродвигателя Cb частота вращения и измеряется по линейному закону, э потребляемая электродвигателем со стороны полупроводникового преобразователя 17 (см. фиг, 3) мощность

P (см, фиг. 5) остается постоянной по величине во всей зоне регулирования II (фиг. 4) частоты вращения привода.

При уменьшении тока In от максимального значения In

ЗО

Во (см. фиг. 6) по линии возврата магнита, совпадающей с его прямолинейной характеристикой размагничивания, перемещается иэ положения 8ììíí в положение 8ìí. в результате чего параметры Ва1, Ва,,и81, /Са2, Rs1, Rs2, s,Ôó, Мэ И П ПрИОбрЕтаЮт первоначальные значения при частоте вращения привода пи (см. фиг. 4).

При торможении привода его вентильный электродвигатель совместно с управляемым по командам датчика 18 положения ротора блоком 21 и блоком 23 иэ двигательного режима переходит в режим бесконтактного генератора постоянного тока с управляемым возбуждением. С помощью блока 23 по командам системы ЧПУ 19 (см. фиг. 3) осуществляется управление процес-сом торможения привода вплоть до его полного остановэ.

Благодаря снабжению электромеханического преобразователя с соленоидальной системой подмагничивания магнитопроводящи подшипниковйми щитами, установленными с минимально возможными немагнитными зазорами относительно торцевых поверхностей цилиндрического магнитопроводэ ротора, существенно увеличивается диапазон регулирования частоты вращения при работе с постоянной мощностью привода и, как следствие. рас- ширяется область применения вентильного привода по сравнению с приводом по прототипу.

Применение предлагаемого вентильного электропривода позволяет испольэовать бесконтактный вентильный электродвигатель постоянного тока в механизмах главного движения различных автоматизированных станков, в которых по условиям технологии обработки иэделий помимо регулирования частоты вращения привода с постоянным моментом необходимо регулировать частоту вращения привода с постоянной мощностью в широком диапазоне.

За счет исключения иэ электромеханического преобразователя щеточно-коллекторного узла и расширения диапазона регулирования частоты вращения привода с постоянной мощностью существенно повышаются надежность в работе привода главного движения автоматизированных станков и их технологические возможности.

Ф ормула изобретения

Вентильный электропривод, содержащий электромеханический преобразователь, в ферромагнитном корпусе которого

2000642

10 размещены статор с магнитопроводом, на котором расположены обмотка якоря и на внешней поверхности соленоидальная обмотка подмагничивания, подшипниковые щиты, в которых установлен ротор с высококоэрцитивными постоянными магнитами, укрепленными на немагнитном валу, обмотка якоря подключена к выходу преобразователя частоты, управляющие цепи которого связаны с выходом датчика положения ротора. преобразователь частоты выполнен с воэможностью регулирования величины выходного напряжения, блок питания, к выходам которого подключены цепи питания преобразователя частоты и блока регулирования магнитного потока, выход которого соединен с обмоткой подмагничивания, управляющие цепи преобразователя частоты связаны с выходом тахогенератора, управляющие входы блока регулирования магнитного потока связаны с выходами

5 тахогенератора, датчиков тока и напряжения якоря, отличающийся тем. что, с целью расширения области применения путем увеличения диапазона регулирования частоты вращения при работе с постоянной

10 мощностью привода, подшипниковые щиты выполнены из ферромагнитного материала и установлены в корпусе относительно торцевых поверхностей цилиндрического магнитопровода ротора так, что корпус, 15 подшипниковые щиты и магнитопровод ротора образуют замкнутую магнитную цепь с минимальными воздушными зазорами.

2000642

1Р

ЪРа IF

2000642 мяч

Корректор А, Козориз

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

Редактор А.Купрякова

Заказ 3081

Составитель Э.Королев

Техред М.Моргентал

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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