Индукторный двигатель

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано во всех управляемых приводах: гребных винтов, электроподвижных транспортных средств, силовых установках летательных аппаратов, приводах конвейеров, насосов, в том числе погружных, подъемных средств, добывающих машин, станков, инструмента, бытовой техники и т.п. Техническим результатом является увеличение коэффициента мощности индукторного двигателя, уменьшение габаритов и стоимости преобразователя для питания двигателя и уменьшение количества выводных проводников. Индукторный двигатель состоит из явнополюсного ротора и явнополюсного статора с сосредоточенными на его полюсах фазными обмотками, подсоединенными к сети постоянного тока через инвертор с двумя управляемыми полупроводниковыми ключами в каждой фазе. Фазные обмотки в двигателе выполнены с четным числом фаз, которые попарно соединены в параллельные цепи, в каждой ветви которых включены диоды согласно по отношению к току цепи. Параллельные цепи обмоток соединены звездой или треугольником и подключены к диагоналям моста инвертора. При работе двигателя на фазы поочередно подаются импульсы напряжения от инвертора и в фазах протекает ток, который после закрытия ключей замыкается в параллельных цепях на соседние фазы, подпитывает их и снижает намагничивающий ток. В результате в два раза снижается число силовых ключей инвертора и в четыре раза уменьшается количество выводных проводников. 2 н.п.ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к управляемым электродвигателям индукторного типа, и может быть использовано во всех управляемых приводах: гребных винтов, электроподвижных транспортных средств, силовых установках летательных аппаратов, приводах конвейеров, насосов, в том числе погружных, подъемных средств, добывающих машин, станков, инструмента, бытовой техники.

Известны классические управляемые двигатели синхронного и асинхронного типа, статор которых содержит фазную обмотку, подключенную к регулируемому источнику - преобразователю частоты, а ротор содержит короткозамкнутую обмотку или обмотку возбуждения постоянного тока (Копылов И.П. Электрические машины. М., 2002).

Синхронные двигатели имеют высокий коэффициент мощности благодаря использованию для создания магнитного поля системы возбуждения постоянным током или постоянными магнитами. Асинхронные двигатели имеют более низкие показатели коэффициента мощности и коэффициента полезного действия (КПД), так как потребляют намагничивающий ток из сети, создающий потери и увеличивающий габариты преобразователя.

Недостатками известных электродвигателей являются также конструктивная сложность и ненадежность обмоток переменного тока и необходимость формирования напряжения синусоидальной формы на выходе преобразователя частоты.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому решению является электродвигатель индукторного типа, содержащий явнополюсный безобмоточный ротор и явнополюсный статор с сосредоточенными фазными катушками, подключенными к коммутатору постоянного тока, работающему по сигналам датчика положения (Бочаров В.И. и др. Тяговые электродвигатели электровозов, Новочеркасск, Агентство "Наутилус", 1998, с.374-403).

Индукторные двигатели имеют простую и надежную конструкцию, так как на роторе отсутствуют активные элементы, а обмотка статора, совмещающая функции якоря и возбуждения, состоит из простых полюсных катушек и питается импульсами напряжения прямоугольной формы от полумостового инвертора напряжения.

Недостатком этих двигателей является низкий коэффициент мощности (0,4÷0,6) из-за намагничивающего тока, потребляемого из сети и приводящего к повышенной установленной мощности полупроводниковых ключей инвертора напряжения и увеличению его габаритов. Кроме этого, индукторный двигатель, в сравнении с асинхронным, имеет вдвое большее количество проводников (выводов), соединяющих двигатель с инвертором, так как каждая его фаза подключается к соответствующей диагонали полумоста фазы инвертора двумя проводниками. Так, например, трехфазный индукторный двигатель имеет шесть выводных проводников, а шестифазный двигатель имеет двенадцать выводных проводников, что требует больших размеров коробки выводов двигателя, увеличения массы проводников (кабеля) и их стоимости. При этом значительно возрастает стоимость погружных электродвигателей, для которых расстояние от дна скважины до преобразователя, расположенного на поверхности земли, а значит, и длина кабеля составляет несколько километров.

Задачей настоящего изобретения является увеличение коэффициента мощности индукторного двигателя, уменьшение габаритов и стоимости преобразователя для питания двигателя и уменьшение количества его выводных проводников.

Указанная задача решается тем, что в известном индукторном двигателе, состоящем из явнополюсного ротора и явнополюсного статора с сосредоточенными на его полюсах фазными обмотками, подсоединенными к сети постоянного тока через инвертор, содержащий в каждой фазе по два управляемых полупроводниковых ключа, число фаз двигателя четное, фазные обмотки в двигателе попарно соединены в параллельные цепи, в каждой ветви которых включены диоды согласно по отношению к току цепи, а параллельные цепи обмоток соединены звездой или треугольником и подключены к диагоналям моста инвертора.

Индукторный двигатель также может состоять из нескольких роторов и статоров, фазные обмотки которых, соединенные в параллельные цепи, связаны с разными статорами, а полюса роторов (статоров) смещены друг относительно друга на угол t_z/n, где t_z - угловое полюсное деление ротора (статора); n - количество роторов (статоров).

Двигатель может быть выполнен линейным в виде плоского или цилиндрического явнополюсного статора с фазными обмотками и явнополюсного ротора, установленного с зазором относительно статора.

Положительный эффект состоит в том, что в предлагаемом индукторном двигателе за счет соединения фазных обмоток попарно в параллельные цепи энергия, запасенная индуктивностью отработавшей фазы, передается другой фазе цепи, в которой ток увеличивается и потребление намагничивающего тока из сети снижается. При этом коэффициент мощности двигателя при прямоугольной форме питающего напряжения повышается до 0,8-0,9. За счет соединения фазных обмоток в параллельные цепи также уменьшается в два раза количество управляемых полупроводниковых ключей инвертора и в четыре раза уменьшается количество соединительных (выводных) проводников между двигателем и инвертором. Например, в шестифазном двигателе соединенные попарно фазные обмотки подключаются к мостовому инвертору, состоящему из шести управляемых ключей, в отличие от шестифазного прототипа, инвертор которого содержит двенадцать управляемых ключей. Таким образом, примерно в два раза снижаются габариты и стоимость преобразователя для питания двигателя. Положительный эффект подтверждается испытаниями изготовленного образца шестифазного индукторного двигателя мощностью 3 кВт.

На фиг.1 представлено схематичное изображение предложенного шестифазного индукторного двигателя и схема подключения его к инвертору напряжения.

На фиг.2 представлено схематичное изображение шестифазного индукторного двигателя, состоящего из двух роторов и двух статоров.

На фиг.3 приведены осциллограммы тока I и напряжения U на выходе инвертора предложенного двигателя мощностью 3 кВт.

На фиг.4 приведены зависимости тока I и напряжения U известного двигателя мощностью 3 кВт от углового положения ротора.

Предложенный индукторный двигатель 1 (фиг.1) содержит шесть фазных обмоток 3...8 на полюсах статора, которые попарно соединены в три параллельные цепи, в каждую из которых последовательно с фазными обмотками включены диоды 9...14 согласно по отношению к току, протекающему внутри каждой цепи обмоток. Диоды 9...14 у двигателей малой мощности устанавливаются непосредственно на выводах катушек обмоток 3...8 при их монтаже на двигателе, а у двигателей большой мощности диоды устанавливаются в коробке выводов на корпусе двигателя. Параллельные цепи обмоток двигателя в данном примере соединены в "треугольник" (при соединении в "звезду" изменится только соотношение величин тока и напряжения в двигателе), вершины которого проводниками 15, 16 и 17 подсоединены к диагоналям полупроводникового моста преобразователя (инвертора) 2 для питания от сети постоянного тока. Мост инвертора 2 состоит из шести полупроводниковых ключей 18...23, управляемых по сигналам датчиков положения ротора.

В многостаторном исполнении (фиг.2), применяющемся с целью снижения пульсации вращающего момента, вибрации и шумов, двигатель содержит два ротора на одном валу и два статора, на первом из которых находятся фазные обмотки 24, 25, 26, а на втором - обмотки 27, 28, 29. При этом обмотки 24 и 27, 25 и 28, 26 и 29, находящиеся на разных статорах, попарно соединены в параллельные цепи, а полюса роторов по окружности смещены друг относительно друга на угол t_z/2, где t_z - угловое полюсное деление ротора.

В линейном исполнении двигателя (не показано) явнополюсный статор с фазными обмотками и явнополюсный ротор (подвижная часть двигателя) выполнены плоскими или цилиндрическими с линейным перемещением ротора относительно статора с воздушным зазором между ними. Схема соединений обмоток линейного двигателя такая же, как на фиг.1 и 2.

При работе двигателя (фиг.1, фиг.2 аналогично), например, на фазную обмотку 3 от сети постоянного тока открытием ключей 18 и 22 инвертора по проводникам 15 и 16 через диод 9 подается напряжение U (фиг.3) и по обмотке течет ток I. В магнитопроводе двигателя образуется рабочий магнитный поток, который вызывает притяжение полюса ротора к полюсу статора и создает вращающий момент на валу двигателя. Затем по сигналу датчика положения ротора ключи 18 и 22 закрываются, а ключи 19 и 21 открываются и напряжение U обратного знака подается через диод 10 на фазную обмотку 4, в которой также возникает ток. Ток обмотки 3 после закрытия ключей 18 и 22 под действием индуктивности не сразу спадает до нуля и, замыкаясь по цепи обмоток 3 и 4 через согласно включенные диоды 9 и 10, подпитывает обмотку 4. По следующему сигналу датчика положения ротора закрываются ключи 19 и 21, а ключи 20 и 22 открываются и напряжение питания по проводникам 16 и 17 подается через диод 11 на обмотку 5, в которой возникает ток. Обмотка 5 также подпитывается от обмотки 4 через диоды 13 и 11. Далее цикл коммутации ключей и подачи напряжения на фазные обмотки других цепей двигателя повторяется аналогично вышеописанному циклу.

Осциллограмма тока в проводниках 15, 16, и 17 на выходе инвертора, питающего предложенный индукторный двигатель, имеет форму, близкую к синусоидальной, в отличие от известного индукторного двигателя с "импульсной" формой тока.

Благодаря синусоидальной форме тока коэффициент мощности предложенного двигателя достигает 0,8-0,9 даже в условиях прямоугольной формы питающего напряжения. Из схемы фиг.1 видно, что для предложенного шестифазного индукторного двигателя использовано всего шесть управляемых ключей и три выводных (соединительных) проводника вместо двенадцати ключей и двенадцати соединительных проводников известного индукторного двигателя, что значительно уменьшает габариты и стоимость преобразователя для питания двигателя.

На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый нами индукторный двигатель отвечает критериям "Новизна", "Изобретательский уровень", "Промышленная применимость" и может быть защищен патентом Российской Федерации.

1. Индукторный двигатель, состоящий из явнополюсного ротора и явнополюсного статора с сосредоточенными на его полюсах фазными обмотками, подсоединенными к сети постоянного тока через инвертор, содержащий в каждой фазе по два управляемых полупроводниковых ключа, отличающийся тем, что число фаз двигателя четное, фазные обмотки в двигателе попарно соединены в параллельные цепи, в каждой ветви которых включены диоды согласно по отношению к току цепи, а выводы параллельных цепей обмоток подключены к диагоналям мостов, собранных из управляемых полупроводниковых ключей.

2. Индукторный двигатель, состоящий из нескольких явнополюсных роторов и явнополюсных статоров с сосредоточенными на их полюсах фазными обмотками, подсоединенными к сети постоянного тока через инвертор, содержащий в каждой фазе по два управляемых полупроводниковых ключа, отличающийся тем, что фазные обмотки в двигателе, связанные с разными статорами, попарно соединены в параллельные цепи, в каждой ветви которых включены диоды согласно по отношению к току цепи, выводы параллельных цепей обмоток подключены к диагоналям мостов, собранных из управляемых полупроводниковых ключей, а полюса роторов смещены относительно друг друга на угол t_z/n, где t_z - угловое полюсное деление ротора; n - количество роторов (статоров).