Линейный электродвигатель

 

Ь, (11165503 8

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. саид-ву— (22) Заявлено 26.03.76 (21) 2338856 24-07 с присоединени "I заявки %в (23) Приоритет— (43) Опубликовано 30.03.79. Бюллетень М 12 (45) Дата опубликования описания 30.03.79 (51) М. Кл. -

Н 02 К 41,/02

Государственный комитет (53) УДК 621.313.13 (088.8) по левам изобретений открьгтий (72) Автор изобретения

E. Н. Баранов (71) Заявитель Московское ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени высшее техническое училище им. Н. Э. Баумана (54) ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к электродвигателям с линейным перемещением, например, для транспортных устройств.

Известны линейные электродвигатели, содержащие в качестве вторичного элемента полосу металла, токи в которой индуктируются бегущим магнитным полем, созданным первичной обмоткой (1).

В таких электродвигателях передача энергии на вторичный элемент осуществляется с частотой сколь кения, что энергетически невыгодно при наличии большого нсмагнитного зазора в магнитной цепи линейного электродвигателя.

Известен и другой линейный электродвигатель, содержащий С-образный магнитопривод с размсгцснной на нем катушкой, подключенной к источнику питания через вентильный коммутатор, и вторичный элемент в видс металлической полосы (2).

Даннос устройство является наиболее близким к описываемому изобретению.

В этом электродвигателе первичная обмотка подключена r,сточнику однофазного переменного ток; рез встречно-параллельно управляемые вентили. Вторичный элемент представляет собой последовательность металлических пластин, разделенных непроводящими промежутками, ширина которых равна ширине самих пластин. При прохождении этих пластин между полюсами электромагнита возникает репульсионное усилие, изменяющееся по величине и направлению. Для использования репульсионного усилия в качестве движущего предложено циклически выключать íà определенное время первичную обмотку и обеспечить, таким образом, усилие только

10 одного направления. Чтобы избежать провала до нуля величины движущего усилия, можно применить например, два электромагнита, у которых интервалы выключения обмоток не совпадают по времени.

15 Констр1.кции подобного линейного электродвигателя свойственны существенные недостатки, а именно: необходимость циклического выключснпя рабочих обмоток является причиной плохого использования активных материалов электродвигателя; в интервале времени, когда обмотка включена, нс может быть длительно использовано максимальное значение репульсионного усилия, так как в процессе движения оно меняется по величине в весьма широких пределах, уменьшаясь по мере выталкивания пластин из-под полюсов электромагнита, что неизбежно ведет к снижению энергетических показателей электродвигателя, Цель изобретения — улучшение энергетических показателей линейного электродвигателя репульсионного типа.

Указанная цель достигается тем, что электродвигатель снабжен .дополнительными несущими катушками С-образными магнитопроводами, при этом катушки, размещенные на расположенных через полюсное деление магнитопроводах, соединены между собой последовательно, а вторичный элемент выполнен с отверстиями прямоугольной формы, ширина которых и расстояние между которыми равно половине полюсного деления.

Кроме того, электродвигатель имеет дополнительные катушки, расположенные на магнитопроводах соосно первым катушкам и соединенные между собой аналогично им.

Магнитопроводы электродвигателя в вертикальном направлении охватывают часть вторичного элемента, расположенную выше нижнего края отверстий.

На фиг. 1 представлен электродвигатель, общий вид; на фиг. 2 — поперечный разрез

А — А на фиг. 1; на фиг. 3 — схема соединения катушек, расположенных на С-образных магнитопроводах первичного элемента, а также показана картина распределения силовых линий магнитного поля, создаваемого этими катушками, и направления токов вторичного элемента; на фиг. 4 показан конструктивный вариант электродвигателя с дополнительными катушками, помещенными на магнитопроводах первичного элемента; на фиг. 5 — схема коммутатора электродвигателя с питанием от сети однофазного переменного тока; на фиг. б— графики электромагнитных процессов электродвигателя как функции времени, в случае применения коммутатора по фиг. 5; на фиг. 7 — вариант коммутатора с питанием от сети постоянного тока; на фпг. 8 — графики электромагнитных процессов электродвигателя как функции времени, в случае применения коммутатора по фпг. 7.

Линейный электродвигатель состоит из первичного элемента, выполненного в виде ряда С-образных магнптопроводов 1, на коTopbIx размещены катушки 2, и вторичного элемента (направляющего полотна 3, расположенного в зазорах С-образных магнитопроводов. Вторичный элемент 3 представляет собой плоскую металлическую полосу с прямоугольными отверстиями (окнами) 4, отстоящими одно от другого на расстояние, равное половине полюсногоделения электродвигателя, и шириной

2 также —. Таким образом, суммарная ширина окна и металлической перемычки составляет полюсное деление т. Вторичный элемент может быть собран, например, из отдельных частей. Линии их стыковки по5

I0

:казаны на фиг. 1 пунктиром, причем ооеспечение электрического контакта между

:соседними частями необязательно. Катушки, размещенные на расположенных через полюсное деление т магнитопроводах, соединены между собой последоватсльно и составляют секции первичной обмотки.

На фиг. 3 представлена в качестве примера четырехполюсная конструкция электродвигателя с четырьмя секциями 5, 6, 7 и 8 первичной обмотки. Общее число катушек в сскцпп равно числу полюсов электродвигателя. Соседние катушки данной секции, непосредственно соединенные между собой, включены встречно. При обтекании током они создают магнитные поля разных направлений, силовые линии которых замыкаются в плоскостях, перпендикулярных к плоскости вторичного элемента.

Таким образом, число С-образных магнитопроводов в пределах полюсного деления равно выбранному числу секций первичной обмотки. Общее число магнитопроводов равно произведению числа секций на число полюсов, в данном случае шестнадцать магнитопроводов.

На фиг. 4 представлен конструктивный вариант электродвигателя, у которого на

С-образных магнитопроводах помещены дополнительные катушки, соосные с первыми, соединенные между собой аналогично им, выполненные проводом того же сечения и с тем же числом витков и образующие дополнительные секции, например 9. Одноименные зажимы секций отмечены точками.

На фиг. 5 приведена одна из возможных схем коммутатора электродвигателя с питанием от сети однофазного переменного тока, рассчитанная на совместную работу с электродвигателем с двумя катушками на каждом магнитопроводе. Секция 8 включена в диагональ мостовой схемы, образованной управляемыми вентилями (тиристорами) 10 — 13. Дополнительная секция 9 включена в диагональ аналогичной мостовой схемы, образованной тиристорами 12—

15, причем тиристоры 12, 13 являются обгцими для двух мостовых схем. Аналогично включены остальные секции и дополнительные секции первичной обмотки.

На фиг. 6 представлены графики электромагнитных процессов электродвигателя как функции времени. Здесь 16 — напряжение источника питания; 17, 18 — последовательности импульсов управления тиристорами коммутатора, синхронизированные с напряжением источника питания и сдвинутые по времени на половину периода.

Последовательность 17 импульсов поступает, например, на управляющие электроды тиристоров 10, 11 (фиг. 5), последовательность 18 — на управляющие электроды тиристоров 14, 15. На управляющие электро655038,ць1 тиристороп 12, 13 подаются импульсы обеих после,ловатсльностсй (т. е. в каждый полупериод напряжения питания). Аналогично управлгпотся вентили остальных секций.

Управляющее напряжение 19, формируемое по сигналам датчика линейного перемещения, управляет логической схемой, осушествляющей переключение последовательностси 17, 18 импульсов с одной пары тиристоров секции обмотки на другую. Позицией 20 на фиг. 6 обозначена последовательность импульсов тока, например, в секции 8, позицией 21 — последовательность импульсов тока в дополнительной секции 9.

На фиг. 7 представлен вариант схемы коммутатора с питанием от сети постоянного тока. Вентили (тиристоры) 22 — 25 образуют мостовую схему инвертора, в диагональ которой включена коммутирующая емкость 26.

Секция 8 и дополнительная секция 9 включены в два плеча этой мостовой схемы я объединены в общей точке своими разно1именнымй зажимами. Электромагнитные процессы электродвигателя иллюстрируютza в этом случае графиками, изображенными на фиг. 8, где 27 — последовательность импульсов задающего генератора, регулируемого по частоте; 28, 29 — последовательности импульсов управления тиристорами коммутатора, аналогичные последовательностям 17, 18 на фиг. 5, но, в отличие от них, полученные в результате деления частоты задающего генератора на два. В фиксированный момент времени последовательность 28 импульсов подается, например, на управляющие электроды тиристоров 22, 25, а последовательность 29— на управляющие электроды тиристоров 23, 24, благодаря чему образуемый суммарным действием двух секций 8, 9 магнитный поток будет переменным, изменяющимся с частотой, вдвое меньшей частоты следования импульсов задающего генератора. управляющее напряжение 30 формируется по сигналам датчика линейного перемещения, оно аналогично напряжению 19 на фиг. 6. Позицией 31 на фиг. 8 обозначена последовательность импульсов тока, например, в секции 8, а позицией 32 — последовательность импульсов тока в секции 9.

Электродвигатель работает следующим обр азам.

Коммутатор (фиг. 5) обеспечивает по сигналам датчика линейного перемещения коммутацию токов в секциях первичной обмотки, которая осуществляется следующим образом. При подаче последовательности

17 импульсов управления (фиг. 6) на тиристоры 10 — 13 в один из полупериодов напряжения питания ток замыкается, например, по цепи: тиристор 10, секция 8, тиристор 13. В следующий полупериод полярность напряжения питания 113 клеммах изг

65 мснястся и прп подаче последовательности

18 импульсов управления на тиристоры

12 — 15 ток течет по цепи: тирпстор 15, дополнительная секция 9, тиристор 12. Поэтому последовательности 20, 21 импульсов тока в секциях 8, 9 имеют различнос направление (если считать относительно одноименных зажимов обмоток). Магнитный поток, созданный суммарным действием токов в секциях 8, 9, является переменным, пульсирующим с частотой питания. Если осу цествить переключение последовательности 17 импу;IbcoB у|-равлсния с тпрпсторов 10, 11 на тнристоры 14, 15, а последовательности 18 — с тиристоров 14, 15 на тиристоры 10, 11, произойдст опрокидывание фазы суммарного магнитного потока секций 8 и 9 на 180 эл. град. (момент 1 на фиг. 6) .

Аналогичный эффект опрокидывания фазы магнитного потока секций 8 и 9 обеспечивается и в коммутаторе, представленном на фиг. 7, если последовательность 28 импульсов у правления переключить в момент

t> с тиристоров 22, 25 на тирпсторы 23,24, а последовательность 29 — с тиристоров 23, 24 на тиристоры 22, 25.

Подобная коммутация токов в секциях первичной обмотки в процессе движения первичного элемента относительно направляющего полотна осуществляется следующим образом.

Каждый раз, когда магнитопроводы с помещенными на них катушками какой-либо секции оказываются на боковой границе прямоугольного отверстия (окна) направляющего полотна при набегании магнитопроводов со стороны окна на металлическую перемычку между двумя соседними окнами, схема регулирования по сигналам датчика линейного перемещения (функции которого аналогичны функциям датчика углового положения в электрических машинах с врагцающимся ротором) пзмсняетполярность управ.пяющего напряжения 19 или

30. Это приводит и указанному псреключению последовательностей 17, 18 (или

28, 29) импульсов с одной пары тирпсторов данной секции на другую. При этом датчик линейного перемещения, например трансформаторный, должен иметь число выходных обмоток, равное числу секций первичной обмотки электродвигателя, и обеспечивать формирование системой регулирования соответствующего числа управля1огцих напряжений.

Указанньш способ соединения катушек в секциях и циклическая коммутация токов в них обеспечивают в процессе движения образование в каждый момент времени в пределах любых соседних полюсных делений магнитных полей разных направлений, силовые линии которых замыкаются в плоскостях, перпендикулярных и направляющему полат. Вз;шмная пространствс11ная

opIIcIiTация м >1 Гпптных п01 Окоп, созда ни ь! х со В м се т и ы м де!! с т в!!с. >(в с с х с е к ц111! I t c p 131! 1ной обмотки, и потоков, образусмы. ; токами, индуктированными в кор<>ткозамкнутых контурах направляющего полотна, остается В I!poilcccc дв1!?Кения практичсски нсизменной (как это показано на фиг. 3). Первичная обмотка создает лине!!по перемещающееся магнитное поле, одновременно пульсирующее с частотой включения тиристоров (прп питании от источника нерсменного тока — с частотой сети).

Работа электродвигателя характеризуется следующей особенностью. Если С-образные магнитопроводы перемещаются относительно вторичного элемента --- направлявшего полотна, например, слева направо,то магнитное поле, созданное токами первичной обмотки, перемещается относительно первичного элемента с той >кс скорость!О справа налево и поэтому неподвижно относительно короткозамкнутых контуров с токами, индуктируемыми в направляющем полотне. (Исключение составляют крайние контуры, в связи с чем предпочтительна конструкция электродвигатсля в многополюсном нсполненш!). Таким образом, в первом приближении можно с tttòàòt., ITD в контурах направляющего: олотна индуктируется только трансформаторная ЭДС, а

ЭДС перемещения наводится в основном только в первичной обмотке, в связи с чем ее можно назвать обмоткой якоря. В процессе перемещения с высокой скоростью на вторичный элемент электромагнитным путем передается сравнительно небольшая часть потребляемой мощности. Для линейного электродвигателя это существенное преимущество, если учитывать неизбе>кно большой нсмагнитный зазор в его магнитной цепи.

Взаимодействие магнитных потоков, созданных первичной обмоткой (обмоткой якоря), с токами в короткозамкнутыхконтурах направляющего полотна пр водит к возникновению движущего усилия, по своей природе близкого к репульсионному. Наличие большого нсмагнитного зазора существенно уменьшает индуктивность секций обмотки якоря, что дает возможность использовать сравнительно высокую частоту питания. Это, в свою очередь, позволяет создать высокоскоростной электродвигатель, улучшить условия передачи электромагнитной энергии на вторичный элемент и весогабаритные показатели.

Магнитопроводы охватыва !от по вертикали направляющее полотно от его верхнего края до нижнего края прямоугольных отверстий, Таким Образом, в зоне действия магнитных потоков С-образных магнитопроводов находятся также верхнис (горизонтальные) перемычки над окнами, причем взаимодействие указанных магнитных потоков с токами на этих участках привод! I к вози i!11л1>нОЙ составлякпцсй усlt.! ïi!, действуя>щего на первичный элемент снизу вверх. Эта составляющая обеспечив-! тся как в процессе дви>ке5 ни!!, I а к i! 11р >il c Iр <1 иной пулю, и может быть использована как для разгрузки направляя?п1их рельсов, так, в принципе, и для создания системы электродинамичсского подвеся. В этом случае такая cII10 стема по существу оказывастся конструктивно совмещенной с собственно линейным электродвигателем, а сс работа нс требует потребления дополнительной энергии от источника питания.

15 1 сверс и регулирование скорости могут происходить за cчст сдвига первичного элемента дат !!1ка линейного перемещения

îIItocIITcльно перви шого элемента электродвигателя. Регулирование скорости при пп20 танин коммутатора от сети псременноготок-!»O?1

25 при питании от источи!!ка постоянного тока — — !.змепcíiicit частоты следования управляюнгпх импульсов (частотное регулиpoaatIItc). Возможно так>не и комбинированное регулирование скорости.

30 Представленные на фиг. 5, 7 схемы коммутаторов Оосспсчпва!от хорошее использование силовых вснтилей и исключают возможность возникновения режимов короткого замыкания источника питания.

35 Данная конструкция предусматривает как перемещение первичного элемента относительно неподвижного направляющего полотна, так и обратное перемещение.

В последнем случае реализуется возмож1О ность создания электродвигателя с вращающимся, например, дисковым ротором с отверстиями, шириной в половину полюсного деления, охваченными снаружи С-образными магннтонроводами с помещенной на ннх обмоткой якоря, а также возможность создания электрического транспортера или электри !еского гусеничного движителя.

Технико-экопомнчсская целесообразность применения предлагаемой конструкции состоит в повышении энергетических и весогабаритных показателей линейного электродвигателя рспульсионного типа, а так>кс в улу !шепни использования его актив,It>»: М,TCPttaЛОВ.

5а

Формула изобретения

1. Линейный электродвигатель, содср>кащий С-образный магнитопровод с размещенной на нем катушкой, подключенной к

50 источнику питания через вентильный коммутатор, и вторичный элемент в виде металлической полосы, отличающийся тем, что, с целью улучшения энергетичеet

655ОЗЗ

+u. .1

А — Л

-1 магнитопроводами, при этом катушки, размещенные на расположенных через полюсное деление магнитопроводах, соединены между собой последовательно, а вторичньш элемент выполнен с отверстиями прямоугольной формы, ширина которых и расстояние между которыми равно половине полюсного деления.

2. Элсктродвигатсль Ilo п. 1, о т л и I а юшийся тем, что он снабжен дополнитель..ыми катушками, расположенными на магнитоироводах соосно первым катушкам и соединенными между собой аналогично им.

3. Электродвигатель по пп. 1 — 2, отл и в ю шийся тем, что магнитопроводы в вертикальном направлении охватывают

5 часть вторичного элсмснта, расположенную выше нижнего края отверстий.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

10 № 195540, кл. Н 02 К 41/02, 1963.

2. Патент ФРГ № 2029462, кл. 21 d 23, опублик. 1973. с. .с гг

Фпз о

Редактор И. Грузова

Заказ 185/5 Изд. № 216 Тираж 865 Подписное

НПО Государственного комитета по делам изобретений и открытий

113035, Москва, )K-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2

Составитсль Ф. Подольская

Техред Н. Строганова Корректор Е. Хмелева