Высокоскоростной вентильно-индукторный двигатель с концентрическими обмотками, управляемый двухфазным током синусоидальной формы

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в высокоскоростных реверсивных электроприводах различных механизмов и исполнительных устройствах автоматических систем. Технический результат: уменьшение числа выводов двигателя, уменьшение потерь в двигателе и инверторе. Высокоскоростной вентильно-индукторный двигатель с концентрическими обмотками статора содержит статор с восемью полюсами и ротор с двумя полюсами. Ротор оснащен четырьмя когтеобразными выступами. Статор оснащен двухфазной концентрической обмоткой. Обмотки каждой из двух фаз охватывают одновременно три полюса и один полюс статора, расположенный в середине трех полюсов. Управление двигателем производится двухфазным током синусоидальной формы. 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в высокоскоростных реверсивных электроприводах различных механизмов и исполнительных устройствах автоматических систем.

Известны многофазные вентильно-индукторные двигатели с прямыми полюсами ротора и статора и сосредоточенными обмотками, расположенными на полюсах статора [Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - М.: Издательство МЭИ, 2003, с. 62].

Основным недостатком этих вентильно-индукторных двигателей является то, что частота перемагничивания магнитопровода больше, чем частота вращения ротора. Это приводит к увеличению потерь в магнитопроводе двигателя и не дает возможности создать высокоскоростные вентильно-индукторные двигатели.

Вторым недостатком этих вентильно-индукторных двигателей является то, что при коммутации фаз токи фаз протекают только в одном направлении, поэтому для коммутации тока каждой фазы необходимо применение полумостовой схемы [Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - М.: Издательство МЭИ, 2003, с. 10, 15, 17]. Применение полумостовых схем для коммутации токов фаз увеличивает суммарную мощность полупроводниковых приборов инвертора примерно в два раза по сравнению с традиционными мостовыми схемами, широко используемыми для управления асинхронными и вентильными двигателями [Питание машин с регулируемой реактивностью. G. Glaize. Н. Foch. L′alimentation des machines a′reluctance variable. Machines a′Reluctance Variable, 30 septembre 1985, Франция].

Третьим недостатком этого технического решения является то, что силовые транзисторные модули, которые применяются для инверторов на полумостовых схемах, имеют более высокую цену по сравнению с силовыми транзисторными модулями, применяемыми в традиционных мостовых схемах инверторов, за счет большего на один числа выводов. Кроме того, для реализации инверторов на полумостовых схемах необходимы два типа модулей (модуль, в котором коллектор транзистора соединен с анодом диода, и модуль, в котором коллектор транзистора соединен с катодом диода), что увеличивает номенклатуру комплектующих изделий.

Четвертым недостатком этих вентильно-индукторных двигателей, по сравнению с асинхронными и вентильными двигателями, является большое число выводов (так у четырехфазного вентильно-индукторного двигателя число выводов восемь).

Пятым недостатком этого технического решения является то, что при монтаже инверторов на полумостовых схемах для вентильно-индукторных двигателей увеличиваются затраты на монтажные работы по сравнению с затратами на монтаж мостовых инверторов, применяемых для управления асинхронными и вентильными двигателями.

Шестым недостатком этого технического решения является то, что каждый полюс статора этих двигателей оснащен сосредоточенной обмоткой, занимающей половину паза. В результате чего полный ток каждого полюса статора определяется числом витков, допустимой плотностью тока, коэффициентом заполнения и площадью паза. В двигателях с концентрическими обмотками полный ток полюса определяется, в том числе и числом обмоток, охватывающих данный полюс, что позволяет уменьшить площадь пазов и габариты двигателя или увеличить сечение проводников обмоток, при том же полном токе полюсов статора, и уменьшить омические потери.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является высокоскоростной вентильно-индукторный двухфазный нереверсивный двигатель (патент РФ №2368053).

Недостатком этого технического решения является то, что этот двигатель является нереверсивным и поэтому имеет ограниченную область применения.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение числа выводов вентильно-индукторного двигателя, уменьшение массогабаритных показателей инвертора, увеличение коэффициента полезного действия вентильно-индукторного двигателя и инвертора, увеличение частоты вращения при той же частоте коммутации полного тока полюсов статора, применение для управления двигателем мостового инвертора и расширение области применения за счет возможности использования реверса.

Поставленная цель достигается тем, что в известных вентильно-индукторных двигателях, содержащих явнополюсные симметричные статор и ротор, со статором, имеющим 8 сосредоточенных полюсов с обмотками, ротор содержит 2 полюса без обмоток, каждый полюс которого оснащен двумя когтеобразными выступами, угловая ширина полюсов статора и угловая ширина межполюсного расстояния статора равна 22,5 градусам, угловая ширина полюсов ротора и когтеобразных выступов полюсов ротора равна 45 градусов, причем обмотки одной фазы охватывают одновременно три полюса и один полюс статора, расположенный в середине трех полюсов, охваченных одной обмоткой. Суммарный полный ток этих двух обмоток в относительных единицах равен 1,4, за счет того, что число витков обмоток, охватывающих три полюса, относится к числу витков обмоток, охватывающих один полюс, как 1/0,4. Полюса статора охвачены обмотками разных фаз, токи в которых сдвинуты на 90 электрических градусов за счет сдвига токов фаз на 90 электрических градусов и за счет чередующегося изменения начала и конца обмоток, дающего дополнительный сдвиг фаз 180 электрических градусов. При этом полный ток нечетных полюсов становится равным IAB_max=IA_maxsinθ°-IB_maxsin(θ+90°)=1,41Iф_max, где IAB_max - максимальное значение полных токов нечетных полюсов; IA_max - максимальное значение тока фазы А; IB_max - максимальное значение тока фазы В; Iф_max - максимальное значение фазных токов. То есть максимальные полные токи обмоток четных и нечетных полюсов равны, токи сдвинуты по фазе на 90 электрических градусов. При вращении ротора индуктивность каждого полюса не изменяется при изменении положения ротора на 22,5 градусов при максимальном значении индуктивности полюса и на 22,5 градусов при минимальном значении индуктивности, в этих случаях производная индуктивности по углу поворота ротора равна нулю. Поэтому $$M=\frac{i^2}{2}\frac{dL}{d\theta }=0$$ , где М - момент, развиваемый полным током полюсов статора; i² - квадрат текущих значений полных токов полюсов статора; $$\frac{dL}{d\theta }$$ - производная индуктивности полюсов статора по углу поворота ротора в электрических градусах. В других случаях момент каждого полюса может принимать отрицательные и положительные значения. Однако если максимальные и минимальные значения полных токов полюсов приходятся на максимальные значения производной индуктивности полюсов по углу поворота ротора, то средний вращающий момент двигателя превышает средний тормозной момент в $$\frac{\mathrm{1,976}}{\mathrm{0,076}}=26раз.$$

По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемое устройство имеет следующие новые признаки:

1. Явнополюсные симметричные статор и ротор со статором, имеющим 8 сосредоточенных полюсов с обмотками и ротором, имеющим 2 полюса без обмоток с четырьмя когтеобразными выступами, угловая ширина полюсов статора и угловая ширина межполюсного расстояния статора равна 22,5 градусам, угловая ширина полюсов ротора и когтеобразных выступов полюсов ротора равна 45 градусов.

2. Обмотки каждой из двух фаз охватывают одновременно три полюса и один полюс статора, расположенный в середине трех полюсов, причем число витков обмоток, охватывающих три полюса статора, относится к числу витков охватывающих один полюс статора примерно, как 1/0,41.

3. Фазы двигателя питаются двухфазным током, имеющим сдвиг фаз 90 электрических градусов, который формируется при помощи мостового инвертора.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствует требованию «новизна».

При реализации предлагаемого изобретения уменьшается число выводов двигателя, упрощается монтаж силового инвертора, уменьшается число и цена полупроводниковых приборов инвертора, увеличивается коэффициент полезного действия двигателя и инвертора и увеличивается частота вращения при той же частоте токов фаз.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».

По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, электропривода и электродвигателей.

Вентильно-индукторных двигателей, содержащих 8 сосредоточенных полюсов с обмотками и ротором, имеющим 2 полюса без обмоток с четырьмя когтеобразными выступами, угловая ширина полюсов статора и угловая ширина межполюсного расстояния статора равна 22,5 градусам, угловая ширина полюсов ротора и когтеобразных выступов полюсов ротора равна 45 градусов, с обмотками каждой из двух фаз, охватывающими одновременно три полюса, и один полюс статора, расположенный в середине трех полюсов, с числом витков обмоток, охватывающих три полюса статора, относящимся к числу витков, охватывающих один полюс статора примерно, как 1/0,4, с фазами двигателя, питающимися двухфазным током, имеющим сдвиг фаз 90 электрических градусов, не обнаружено.

Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявленному техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 приведен высокоскоростной четырехфазный вентильно-индукторный двигатель с концентрическими обмотками, управляемый двухфазным током синусоидальной формы. На фиг. 1 обозначено: 1-8 - полюса статора; 1, 2 - полюса ротора; iA, iB - токи соответствующих фаз.

На фиг. 2 приведены схемы обмоток соответствующих фаз четырехфазного высокоскоростного вентильно-индукторного двигателя с концентрическими обмотками, управляемого двухфазным током синусоидальной формы. На фиг. 2 обозначено: 1-8 - номера полюсов статора; нА, нВ, - начала обмоток соответствующих фаз; кА, кВ - концы обмоток соответствующих фаз.

На фиг. 3 приведены развертки поверхностей полюсов статора и ротора высокоскоростного вентильно-индукторного двигателя с концентрическими обмотками, управляемого двухфазным током синусоидальной формы. На фиг. 3 обозначено: 1-8 - номера полюсов статора, на которых размещены обмотки в соответствии с фиг. 2; 1-2 номера полюсов ротора; 22,5° - угловая ширина полюсов статора и межполюсного расстояния статора; 45° - угловая ширина полюсов ротора и когтеобразных выступов полюсов ротора.

На фиг. 4 приведены диаграммы работы высокоскоростного четырехфазного вентильно-индукторного двигателя с концентрическими обмотками, управляемого двухфазным током синусоидальной формы. На фиг. 4,а приведены диаграммы двухфазного тока. На фиг. 4,а обозначено: iA, iB - токи соответствующих фаз; -iA, -iB - токи соответствующих фаз, сдвинутые на 180 электрических градусов; I_max - амплитудные значения токов; θ=0…360 - угол в электрических градусах. На фиг. 4,б приведены диаграммы токов iA-iB, iA+iB, iB-iA, -iA-iB. На фиг 4,в приведены диаграммы квадратов полных токов полюсов статора. На фиг. 4,г приведены диаграммы производной индуктивности по углу поворота ротора в электрических градусах и момент полюсов 1 и 5. На фиг. 4,г обозначено: $$\frac{dL\mathrm{1,5}}{d\theta }$$ - диаграммы производной индуктивности по углу поворота ротора в электрических градусах полюсов статора 1 и 5; M1,5 - моменты полюсов 1 и 5. На фиг. 4,д приведены диаграммы тормозных и двигательных моментов всех полюсов. На фиг. 4,д обозначено: M1.5-М4,8 - моменты соответствующих полюсов; Мторм - тормозные моменты полюсов. На фиг. 4,е приведены диаграммы суммарного момента и тормозных моментов. На фиг. 4,д обозначено: $${\displaystyle \sum M}$$ - суммарный двигательный момент.

Таким образом, использование в электроприводах различных механизмов и исполнительных устройствах автоматических систем четырехфазных высокоскоростных вентильно-индукторных двигателей с концентрическими обмотками, управляемых двухфазным током синусоидальной формы, со статором, имеющим 8 сосредоточенных полюсов с обмотками, с ротором, содержащим 2 полюса без обмоток с четырьмя когтеобразными выступами, угловая ширина полюсов статора и угловая ширина межполюсного расстояния статора которых равна 22,5 градусам, угловая ширина межполюсного расстояния статора равна 22,5 градусам, угловая ширина полюсов ротора и когтеобразных выступов полюсов ротора равна 45, с обмотками каждой из двух фаз, охватывающими одновременно три полюса, и один полюс статора, расположенный в середине трех полюсов, с числом витков обмоток, охватывающих три полюса статора, относящимся к числу витков, охватывающих один полюс статора примерно, как 1/0,4, с фазами двигателя, питающимися двухфазным током, имеющим сдвиг фаз 90 электрических градусов, отличается тем, что с целью увеличения частоты вращения, увеличения коэффициента полезного действия и применения для управления стандартного мостового инвертора статор двигателя оснащен концентрическими обмотками, а ротор двумя полюсами с четырьмя когтеобразными выступами, а управление двигателем производится двухфазным током синусоидальной формы.

Использование предлагаемого технического решения в электроприводах различных механизмов и исполнительных устройствах обеспечит повышение эффективности и качества работы этих устройств.

Высокоскоростной вентильно-индукторный двигатель с концентрическими обмотками статора, управляемый двухфазным током синусоидальной формы, содержащий статор с восемью полюсами и ротор с двумя полюсами, отличающийся тем, что ротор оснащен четырьмя когтеобразными выступами, статор оснащен двухфазной концентрической обмоткой, обмотки каждой из двух фаз охватывают одновременно три полюса и один полюс статора, расположенный в середине трех полюсов, а управление двигателем производится двухфазным током синусоидальной формы.