Линейный электродвигатель

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в приводах линейного перемещения. Технический результат состоит в повышении энергетического коэффициента за счет увеличения суммарного вторичного тока и снижения потерь в первичной и вторичной частях, а также в снижении габаритных размеров и массы. Электродвигатель содержит установленную в корпусе первичную часть, состоящую из набора расположенных вдоль ее продольной оси кольцевых сердечников. На каждом из сердечников размещены катушки многофазной обмотки. Количество сердечников первичной части равно числу фаз. Электродвигатель содержит вторичную часть, размещенную соосно внутри первичной. Вторичная часть выполнена в виде последовательно расположенных концентрических сфер, связанных между собой посредством соединителя, проходящего через сферы вдоль продольной оси вторичной части. Каждая сфера состоит из двух оболочек - внешней и внутренней. Внешняя оболочка состоит из чередующихся между собой слоев электрического проводника и диэлектрика. Внутренняя оболочка выполнена из магнитного материала и представляет собой магнитопровод вторичной части. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в приводах линейного перемещения.

Известен линейный электродвигатель (патент РФ №1683472), содержащий первичную часть, состоящую из набора расположенных вдоль оси кольцевых сердечников с зубцами, на каждом из которых размещены катушки многофазной обмотки, и вторичную часть, размещенную соосно внутри первичной. Вторичная часть выполнена в виде последовательно расположенных концентрических сфер, сердечники индуктора смещены относительно друг друга на половину зубцового шага, число сердечников равно числу фаз. Выполнение в известном линейном электродвигателе вторичной части в виде последовательно расположенных концентрических сфер позволяет ей плавно входить в зону бегущего магнитного поля, что приводит к избавлению от продольного краевого эффекта (выноса магнитного поля за пределы индуктора), а также позволяет избавить от усилий в режиме синхронной скорости и дополнительных потерь в реактивной шине.

Недостатком известного электродвигателя является низкий энергетический коэффициент, равный Cosϕ×к.п.д., где Cosϕ - коэффициент мощности, к.п.д. - коэффициент полезного действия («Высокоскоростной наземный транспорт с линейным приводом и магнитным подвесом», М.: изд. «Транспорт», 1985 г., стр.11, 123). Энергетический коэффициент характеризует коэффициент полезной мощности. Чем ближе этот коэффициент к 1, тем большая часть мощности линейного электродвигателя является полезной. Повышение энергетического коэффициента позволяет повысить тяговое усилие линейного электродвигателя при тех же массогабаритных показателях.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - повышение энергетического коэффициента за счет увеличения суммарного вторичного тока и снижения потерь в первичной и вторичной частях.

Кроме того, задача, решаемая предлагаемым изобретением, - снижение габаритных размеров и массы импульсного линейного электродвигателя.

Поставленная задача решается тем, что в линейном электродвигателе, содержащем установленную в корпусе первичную часть, состоящую из набора расположенных вдоль ее продольной оси кольцевых сердечников, на каждом из сердечников размещены катушки многофазной обмотки, количество сердечников первичной части равно числу фаз; электродвигатель содержит вторичную часть, размещенную соосно внутри первичной, вторичная часть выполнена в виде последовательно расположенных концентрических сфер, связанных между собой посредством соединителя, проходящего через сферы вдоль продольной оси вторичной части, согласно изобретению каждая сфера состоит из двух оболочек - внешней и внутренней, внешняя оболочка состоит из чередующихся между собой слоев электрического проводника и диэлектрика, внутренняя оболочка выполнена из магнитного материала и представляет собой магнитопровод вторичной части.

В заявляемом электродвигателе внешняя оболочка может состоять из чередующихся между собой слоев металла и окиси металла.

В заявляемом электродвигателе катушки многофазной обмотки первичной части могут быть выполнены в виде токовых катушек и в виде катушек напряжения, на одном сердечнике размещены токовая катушка и катушка напряжения, при этом катушка напряжения размещена снаружи токовой катушки, токовые катушки и катушки напряжения соседних сердечников соответственно соединены последовательно между собой с образованием спиралевой перекрестной обмотки.

В заявляемом электродвигателе соединитель может быть выполнен из материала с N-образной вольтамперной характеристикой.

Первичная часть электродвигателя представляет собой индуктор. Индуктор предназначен для создания бегущего магнитного поля. Для этого индуктор представляет собой пространственную периодическую структуру проводников, по которым пропускается многофазный ток.

Вторичная часть электродвигателя выполнена в виде концентрических сфер, расположенных последовательно.

Каждая сфера содержит внешнюю и внутреннюю оболочки.

Внешняя оболочка сферы представляет собой реактивную шину.

Внутренняя оболочка каждой сферы вторичной части выполнена из магнитного материала и представляет собой обратный магнитопровод. Следовательно, магнитное поле, формируемое магнитопроводом (сердечниками) первичной части, будет замыкаться через обратный магнитопровод вторичной части.

При работе электродвигателя индуктор возбуждает в зазоре между первичной и вторичной частями бегущее магнитное поле, образуемое токами многофазных обмоток его катушек. При взаимодействии бегущего магнитного поля со вторичным полем токов вторичной части образуется механическая сила (тяговое усилие), обеспечивающая относительное перемещение индуктора и реактивной шины.

Реактивные свойства реактивной шины в заявляемом электродвигателе имеют емкостной характер. Емкостной характер реактивной шины сформирован тем, что внешняя оболочка каждой сферы состоит из чередующихся между собой слоев электрического проводника и диэлектрика. Т.е. после сферичного слоя проводника следует сферичный слой диэлектрика и т.п. до необходимой толщины внешней оболочки. Толщина внешней оболочки определяется величиной электрической емкости, которую необходимо обеспечить для получения определенного значения суммарного вторичного тока. Таким образом, внешняя оболочка каждой сферы представляет собой шаровый конденсатор.

Реактивная шина в общем случае (в прототипе и в иных конструкциях линейных электроприводов) предназначена для компенсации индуктивной составляющей вторичного тока. Индуктивная составляющая вызывает уменьшение тока намагничивания, т.е. для получения определенного вторичного тока необходима будет большая величина первичного тока в обмотке индуктора, что вызовет излишний расход электроэнергии, т.е. снизится энергетический коэффициент. Для компенсации индуктивной составляющей вторичного тока емкость реактивной шины выбрана из условия обеспечения такой компенсации. Т.е. общий характер вторичного тока у прототипа - активный.

Однако помимо компенсации индуктивной составляющей вторичного тока посредством реактивной шины можно обеспечить рост активной (полезной) составляющей вторичного тока за счет роста суммарного вторичного тока. Обеспечить рост суммарного вторичного тока можно за счет роста реактивной емкостной составляющей вторичного тока. Обеспечив величину емкости реактивной шины, превышающей значение ее емкости, необходимой для компенсации индуктивной составляющей вторичного тока, мы тем самым изменим фазу вторичного тока по отношению ко вторичной э.д.с. (электродвижущая сила) на опережающую (вторичный ток опережает вторичную э.д.с.).

Рост реактивной емкостной составляющей вторичного тока достигнут за счет того, что реактивная шина представляет, как указывалось выше, сферический конденсатор. При работе электродвигателя под воздействием вторичной электродвижущей силы (э.д.с.) происходит заряд данного сферического конденсатора, одновременно возникает дополнительный емкостной ток, опережающий по фазе вторичную э.д.с. Дополнительный емкостной ток суммируется с током, наводимым во вторичной части индуктором, таким образом, суммарный вторичный ток в заявляемом электродвигателе будет превышать значение вторичного тока по сравнению с прототипом за счет увеличения емкостной составляющей. При этом указанный рост вторичного тока достигнут при сохранении массогабаритных показателей электродвигателя. Рост значения суммарного вторичного тока обусловливает повышение мощности электродвигателя при сохранении его массогабаритных показателей. Или же при сохранении мощности электродвигателя можно снизить его массогабаритные показатели вследствие вышеуказанных факторов.

Таким образом, емкостный характер реактивной шины позволяет изменить фазу вторичного тока относительно вторичной э.д.с. на опережающую и обеспечить появление эффекта подмагничивания реактивной составляющей вторичного тока.

Дополнительное подмагничивание реактивной составляющей вторичного тока вызывает увеличение тягового усилия как за счет роста суммарного вторичного тока, так и за счет сохранения (в точке максимума тягового усилия) индукции воздушного зазора на уровне ее значения в режиме холостого хода.

Увеличение тягового усилия характеризует увеличение мощности линейного электродвигателя при сохранении массогабаритных показателей электродвигателя, т.е. в заявляемом электродвигателе по сравнению с прототипом обеспечивается рост энергетического коэффициента (коэффициента полезной мощности двигателя).

Первичная часть электродвигателя, как указывалось выше, представляет собой индуктор и содержит набор расположенных вдоль продольной оси электродвигателя кольцевых сердечников, на каждом из которых размещены катушки многофазной обмотки. Указанные катушки соединены в перекрестную спиралевую обмотку, подключенную к многофазной (трехфазной) системе токов по схеме, создающей бегущее электромагнитное поле. При этом линейная плотность тока в каждой катушке является постоянной, а от одной катушки к другой - меняется скачкообразно. Это вносит искажение в пространственное распределение поля по сравнению с идеальным распределением в виде высших пространственных гармоник. Наличие такого искажения поля приводит к снижению к.п.д. электродвигателя за счет возникающих потерь, т.к. в результате пространственного сдвига соответствующих катушек соседних сердечников в области между сердечниками возникает рассеивание электромагнитного поля (первичной э.д.с.), что обусловливает рост индуктивной составляющей первичного тока. Компенсацию указанной индуктивной составляющей вторичного тока можно осуществлять также реактивной шиной, увеличив соответственно ее емкость, однако такой способ компенсации индуктивной составляющей первичного тока обусловит рост габаритов двигателя за счет увеличения размеров вторичной части (сфер) с целью увеличения емкости реактивной шины.

Компенсировать индуктивную составляющую первичного тока, обусловленную пространственным разнесением катушек соседних сердечников, без увеличения габаритов можно следующим образом. На каждом сердечнике первичной части размещают две катушки - одну токовую, а другую - напряжения. Катушка напряжения размещена снаружи токовой катушки. Соответствующие катушки соседних сердечников соединяют между собой последовательно с образованием перекрестной спиралевой обмотки (токовые катушки соединяют с токовыми, катушки напряжения соединяют с катушками напряжения). Между токовой катушкой и катушкой напряжения одного сердечника обеспечен сдвиг фаз таким образом, что ток, протекающий в токовой катушке опережает по фазе ток, протекающий в катушке напряжения. Указанный сдвиг фаз выбирают из условия как минимум обеспечения компенсации индуктивной составляющей первичного тока. Принимая во внимание, что в катушке напряжения величина тока не меняется, вышеуказанным способом обеспечивается снижение индуктивной составляющей тока в токовой катушке. Снижение индуктивной составляющей первичного тока обусловит снижение потерь первичной э.д.с., что также позволит повысить энергетический коэффициент заявляемого электродвигателя, т.е. повысить коэффициент полезной мощности.

Такой способ компенсации индуктивной составляющей первичного тока широко известен в конструкциях электрических счетчиков потребления электроэнергии.

Сферы вторичной части электродвигателя связаны между собой соединителем, выполненным из полупроводникового материала с N-образной вольтамперной характеристикой, т.е. соединитель в заявляемом электродвигателе представляет собой Ганна-диод (Советский энциклопедический словарь, М.: изд. «Советская энциклопедия», 1988 г., стр.275). Ганна-диод обеспечивает усиление и генерирование СВЧ-колебаний. Работа Ганна-диода основана на Ганна-эффекте (Советский энциклопедический словарь, М.: изд. «Советская энциклопедия», 1988 г., стр.275) - генерации высокочастотных колебаний электрического тока в полупроводнике с N-образной вольтамперной характеристикой. Ганна-эффект связан с периодическим появлением в кристалле и перемещением по нему области сильного электрического поля, которая называется доменом Ганна. Примером материала с N-образной вольтамперной характеристикой является GaAs (Советский энциклопедический словарь, М.: изд. «Советская энциклопедия», 1988 г., стр.275).

Использование в заявляемом электродвигателе соединителя (элемента вторичной части) из материала с N-образной вольтамперной характеристикой обеспечивает усиление и стабильность колебаний вторичного электромагнитного поля. Соединитель в этом случае играет роль электромагнитного коммутатора. Указанные свойства вторичного электромагнитного поля обеспечивают расширение диапазона частот электродвигателя, т.е. расширение диапазон скоростей. Кроме того, за счет стабильности генерации (частоты колебаний) вторичной части, обеспечивается стабильность скоростей электродвигателя.

Таким образом, за счет снижения потерь в первичной и вторичной частях (снижения индуктивной составляющей первичного и вторичного токов), за счет роста суммарного вторичного тока обеспечивается повышение энергетического коэффициента заявляемого линейного электродвигателя по сравнению с прототипом. Повышение энергетического коэффициента характеризует количество полезной мощности заявляемого двигателя относительно номинальной (максимально возможной - 100%). Поскольку мощность - это характеристика, прямо пропорциональная току, следовательно, обеспечив рост суммарного вторичного тока, мы обеспечиваем рост мощности электродвигателя. Указанный рост мощности в заявляемом линейном электродвигателе достигнут при сохранении его массогабаритных показателей по сравнению с прототипом. Наоборот, при сохранении мощности электродвигателя мы имеем возможность снизить его массогабаритные показатели.

Заявляемое изобретение может быть применено при создании манипуляторов в робототехнике, при добыче нефти из глубоководных скважин, для преобразования энергии излучения в электрическую.

Заявляемый электродвигатель поясняется чертежами.

На фиг.1 приведен разрез общего вида линейного электродвигателя.

На фиг.2 изображен общий вид первичной и вторичной частей заявляемого линейного электродвигателя.

На фиг.3 изображена вторичная часть заявляемого электродвигателя.

На фиг.4 изображена сфера вторичной части в разрезе.

Заявляемый линейный электродвигатель представляет собой импульсный электродвигатель и содержит первичную и вторичную части.

Первичная часть (индуктор) содержит внешний корпус 1. Внутри корпуса 1 установлен магнитопровод, выполненный в виде набора отдельных кольцевых сердечников 2, установленных вдоль продольной оси электродвигателя. Количество сердечников равно числу фаз двигателя. Каждый сердечник 2 состоит из отдельных элементов, представляющих собой часть кольцевого шихтованного магнитопровода с осевым зубцом. Сердечники 2 сдвинуты относительно друг друга на половину зубцового шага. На одном сердечнике 2 установлены две катушки обмотки, одна из которых - токовая (3), а другая - катушка 4 напряжения. Каждая катушка многофазной обмотки сердечника 3 соединена последовательно с соответствующей катушкой соседнего сердечника (токовая катушка 3 одного сердечника соединена с токовой катушкой другого сердечника и т.п., а катушка напряжения 4 одного сердечника соединена с катушкой напряжения другого сердечника и т.п.), образуя перекрестную спиралевую обмотку, Соосно корпусу 1 внутри него установлен внутренний корпус 5, выполненный из немагнитного материала. Вторичная часть выполнена в виде концентрических сфер 6, расположенных последовательно и установленных соосно внутри корпуса 5. Корпус 5 выполнен из немагнитного материала для того, чтобы исключить его влияние на электромагнитное поле вторичной части. Каждая сфера 6 содержит внешнюю сферическую оболочку 7 и внутреннюю сферическую оболочку 8. Оболочка 7 образует реактивную шину заявляемого электродвигателя; оболочка 8 образует обратный магнитопровод заявляемого электродвигателя. Реактивная шина (оболочка 7) образована из чередующихся между собой слоев 9 алюминия (проводника) и слоев 10 (диэлектрика) окиси алюминия. Алюминий - известный электропроводный материала, окись алюминия (как и все окиси металлов) - диэлектрик.

Оболочка 8 выполнена из магнитного материала с высокой магнитной проводимостью и представляет собой обратный магнитопровод. Электродвигатель содержит соединитель 11, предназначенный для соединения между собой сфер 6. Соединитель 11 выполнен из материала с N-образной вольтамперной характеристикой - GaAs. Соединитель 11 проходит через отверстия, выполненные в каждой сфере 6 соосно продольной оси вторичной части, т.е. сферы 6 собраны на соединителе 11 подобно детской пирамиде.

Заявляемый линейный электродвигатель работает следующим образом.

Линейный электродвигатель питается от частотного преобразователя (не показан). При подаче питания на обмотки индуктора, он создает вокруг себя импульсное бегущее электромагнитное поле в виде синусоид. В сердечниках 2 и в многофазной обмотке индуктора ЭДС гармоник складываются и создают ток, циркулирующий внутри обмоток катушек 3 и 4. Магнитный поток проникает через немагнитный внутренний корпус 5 в виде перекрестных магнитных потоков во вторичной части и замыкается на внутренней оболочке 8 для придания вторичной части поступательного движения в направлении перемещения магнитного поля.

Максимальный энергетический коэффициент, достигаемый в линейном электродвигателе, реализуемом согласно прототипу, составляет - около 0,45.

Энергетический коэффициент заявляемого линейного электродвигателя составляет 0,78.

Ниже приведены значения характеристик заявляемого линейного электродвигателя:

- Мощность, кВт	1860
- Ток фазный, А	1176
- Напряжение фазное, В	380
- Частота, Гц	200
- Тяговое усилие, кН	28,39
- Скорость, км/час	400
- К.п.д.	0,88
- Коэффициент мощности (Cosϕ)	0,89
Индуктор	ЦЛАД
Длина, м	2,276
Ширина, м	0,149
Число полюсов	12
Тип обмотки	Сосредоточенная
	спиралевая
Масса активных материалов, кг	905,8
Полная масса кг	1735,3
Энергетический коэффициент	0,78

1. Линейный электродвигатель, содержащий установленную в корпусе первичную часть, состоящую из набора расположенных вдоль ее продольной оси кольцевых сердечников, на каждом из сердечников размещены катушки многофазной обмотки, количество сердечников первичной части равно числу фаз; электродвигатель содержит вторичную часть, размещенную соосно внутри первичной, вторичная часть выполнена в виде последовательно расположенных концентрических сфер, связанных между собой посредством соединителя, проходящего через сферы вдоль продольной оси вторичной части, отличающийся тем, что каждая сфера состоит из двух оболочек - внешней и внутренней, внешняя оболочка состоит из чередующихся между собой слоев электрического проводника и диэлектрика, внутренняя оболочка выполнена из магнитного материала и представляет собой магнитопровод вторичной части.

2. Линейный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что внешняя оболочка состоит из чередующихся между собой слоев металла и окиси металла.

3. Линейный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что катушки многофазной обмотки первичной части выполнены в виде токовых катушек и в виде катушек напряжения, на одном сердечнике размещены токовая катушка и катушка напряжения, при этом катушка напряжения размещена снаружи токовой катушки, токовые катушки и катушки напряжения соседних сердечников соответственно соединены последовательно между собой с образованием спиралевой перекрестной обмотки.

4. Линейный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что соединитель выполнен из материала с N-образной вольтамперной характеристикой.