Репульсионный вентильный электродвигатель

 

0 fl N C A H 4„%„ и 466619

C0o$ С044тских

Сецмалиетммасммх

Р4ЕЛУбЛИК

И ЗОБРЕТЕЙ ЙЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДВТВЛЬСТВУ (61) Д полннтельное к авт. свиа ву (22) Заявлено 25,02.77 (21) 2457802/24-.07 с присоединением заявки Хе (23) Приоритет

Опубликовано05.06.79, Бюллетень М 21

Дата опубликования списания 08.06.79 (5l} i4. Кл.

Н 02 1 29/04.

Государственный «емнтет

СССР

IN денем иэееретеннй

« OTKPblTHN! (53) УДК 621.3l3. .37.621 33 3. . 392 (088.8 ) (72) Автор изобретения

Е, Н. Баранов

Московское ордена Ленина и ордена Трудового Красного

Знамени высшее техническое училише им. H. З. Баумана (71) Заявитель (54 } РЕПУЛЬСИОННЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРСЯВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к области электрических машин, а именно к электродви- гателям переменного тока с бесконтактной коммутацией.

Известны вентильные электродвигатели репульсионного типа, первичная обмот» ка которых расположена на роторе и питается оТ источника однсфазного переменного тока через кольца и шетки, а вторичная обмотка (обмотка якоря} помешена в пазах статсра. Токи в обмотке якоря коммутируются с помошью управляемых вентилей (1) Я .

Недостатком таких двигателей является наличие контактных устройств в токо подводе к первичной обмотке.

Известен также репульсионный вентильный двигатель, содержащий ротор с несимметричной короткозамкнутой обмоткой, статор с обмоткой якоря, .секции которой соединены с выходом вентильного преобразователя P„ . Зтот двигатель не содер жит контактов и по решаемой задаче и технической сушности наиболее близок к изобретению.

Однако известным конструкциям свой ственны и определенные недостатки. Ианный репульсионный двигатель, обеспечивая возбуждение короткозамкнутой обмоь ки ротора пульсируюшим магнитным полем статора, не позволяет тем самым (в от личие, например, от синхронного двигателя или двигателя постоянного тока) использовать пространственный сдвиг между магнитными осями обмоток статора и ро тора, равный половине полюсного деления, при котором обеспечивается, при прочих равных условиях, максчмальное значение

IS электромагнитного моме а:.т-. чтс piKUil ет его энергетические и васо;барятные ноказатели. Механическая характеристика репульсионного электродвигателя имеет гиперболический характер, тогда как длп исполнительного двигателя в системе ав томатизированнот î электропривода аше требузтся, чтобы она была достаточно жесткой. Реверс репульсионного влектрс 666619 дусов фазы гоков в секциях обмотки якоря Ilo отношению к токам в соответствующих секциях обмотки независимого возбужс- дения, или наоборот. Йиапаэон регулировао- 5 ния скорости возрастает за счет воэмож»ности управления величиной гоков в секти циях обмотки возбуждения в дополнение дей к управлению токами в секциях обмотки якоря, причем такое управление может

10 быть осуществлено с использованием экономичного способа широтно-импульсной гмодуляции. Малый момент инерции ротора позволяет создать электродвигатель с выУсоким быстродействием. двигателя известных конструкций .обеспе чивается только эа счет просгрансгвенн го сдвига.оси магнитного поля статора относительно ротора, что существенно у ложняет конструкцию датчика углового п ложения ротора и систему управления. К недостаткам известных образцов этого па следует отнести также малое быстро ствие электродвигателей с массивным ферромагнитным ротором.

Целью настоящего изобретения являе ся устранение укаэанных недостатков, а именно улучшение энергетических и per .лировочных характеристик репульсионного

15 электродвигателя, Указанная цель достигается тем, что двигатель снабжен дополнительно вторым статором с обмоткой, секции которой расположены со сдвигом на половину полюс.«

20 ного деления относительно секций обмотки первого статора и соединены с выходом преобразователя частоты, а ротор расположен в воздушном зазоре между статорами и выполнен тонкостенным с равномерно расположенными отверстиями, число которых равно числу полюсов обмоток статора.

Ширина отверстий для обеспечения высоких значений вращающего момента долж-, на быть равна половине полюсного деления, а промежутки между отверстиями могут быть снабжены прорезями в направлении, перпендикулярном тангенциальному к направлению вращения.

Таким образом, предлагаемый электродвигатель по принципу действия близок к репульсионному, но отличается ог него тем, что возбуждение ротора осуществляется не магнитным полем обмотки якоря, 40 а полем дополнительной обмотки, играющей роль независимой обмотки возбуждения. В результате использования такой конструкции удается получить достаточно жесткие механические характеристики элек45 тродвигателя и улучшить.его энергетичес.кие и весогабаритные показатели. Последнее достигается, во-первых, за счет использования режима уаботы, при кото

;ром оси магнитных полей внешнего ста1

$0 тора и ротора сдвинуты на угол, равный половине полюсного деления электродвигателя; во - вторых, за счет того, что магнитоцроводы, проводящие магнитные потоки, созданные обмотками якоря, возбуждения и токами B короткоэамкнутых контурах ротора, конструктивно совмещены. При этом для реверса достаточно

Опрокидывания на 180 электрических гра

Предлагаемый венгильный электродвигатель для случая выполнения его с радиальным воздушным зазором изображен на чертежах.

На фиг. 1 представлен продольный разрез двигателя Б-Б на фиг. 2; на фиг, 2 показан поперечный разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 изображена обмотка якоря с указанием направления намотки и соединений секций обмотки якоря с ключами преобразователя; на фиг. 4 представлена карти» на распределения магнитных полей, создаваемых обмотками якоря и возбуждения в магнитопроводах внешнего и внутреннего статора а также в зазоре между ними; на фиг, 5 изображена развертка цилиндри» ческой рабочей поверхности ротора на плоскость с указанием направлений силовых линий магнитного поля обмотки возбуждения и токов, наведенных этим полем в короткозамкнутых контурах ротора; на фиг. 6 изображена развертка цилиндрической рабочей поверхности ротора на плоскость с указанием направлений силовых линий магнитного поля обмотки якоря и токов в роторе.

Активная часть стагора электродвигателя состоит из цилиндрических пакетов внешнего сгатора 1 с уложенной в его пазах обмоткой якоря ", и внутреннего статора 3 с обмоткой независимого возбуж- дения 4 (фиг. 1, 2), Ротор 5 электродвигателя (фиг. 1, 2) выполнен в виде закрепленного на валу тонкостенного элек« гропроводного стакана, цилиндрическая рабочая поверхность которого помещена. в зазоре между внешним и внутренним статором. На цилиндрической поверхности ро» тора имеются сквозные отверстия прямоугольной формы шириной по окружности ротора в половину полюсного деления /2, с расстоянием между отверстиями, равным также половине полюсного деления (фиг.

1. 2, 4, 5, 6). Ширина отверстия в осе666619 вом направлении равна ширине магнитопровода внутреннего статора.

Каждая секция обмотки якоря выполне« на с шагом, равным полюсному делению

, намотана двойным проводом и состоит, таким образом, из двух одинаковых полусекций, активные проводники которых, например, 6 и 7 (фиг. 3) помещены в одних и тех же пазах внешнего статора. Полусекции обмотки якоря соединены между собой по изве гной схеме волновой обмот ки и включены в схему венгильного коммутатора, например, на тиристорах (фиг. 3) с питанием от источника однофазного переменного гока. На фиг. 3 представлена в качестве примера четы рехсекционная обмотка якоря с числом пар полюсов, равным двум, и шагом, равным полюсному делению. В один полупериод напряжения питания включаются, например, тиристоры

8 и 9, в другой полупериод — гирисгоры

10 и 11, обеспечивая таким образом протекание в каждом полупериоде гоков в двух полусекциях одной секции в одинако?5 вых направлениях, если считать относительно одноименных зажимов полуосей, причем каждая секция создает переменный магнитный поток, пульсирующий с частотой питания.

На фиг. 3 показаны мгновенные направза ления токов в активных проводниках обмотки якоря при включении тиристоров 8, 9. Если в следующий момент времени вместо тиристоров 8, 9, 10, 11 включить в такой же последовательности тиристоры

12, 13, 14, 15, произойдет опрокидывание фазы токов в активных проводниках одной секции якоря при неизменной фазе в остальных трех секциях, что приведет к прост4О ранственному сдвигу оси пульсирующего магнитного поля обмотки якоря. Если же вмесго тиристоров 8, 9, 10, 11 включить в . первый полупериод тиристоры 16, 17, а во второй - 18, 19, произойдет опроки

45 дывание фазы токов в активных проводниках всех секций одновременно, iro необходимо, например, для обеспечения реверса двигателя, В аналогичный коммутатор включены

50 секции обмотки независимого возбуждения, соединенные между собой также по схеме волновой обмотки, причем их число выбирается равным числу секций обмотки якоря, Оба коммутатора синхронно управляются

55 общим для них датчиком углового положения ротора (на фиг. 1 не показан .

Схема управления обеспечивает включение тиристоров двух коммутаторов в такой последовательности, что оси магнитных полей, созданных обмотками якоря и возбуждения, сдвинуты в пространстве на половину полюсного деления. На фиг. 4 силовые линии магнитного поля, созданчого обмоткой возбуждения, показаны сплсшны ми линиями, а силовые линии магнитного поля обмотки якоря - цункгпром.

На фиг. 5 и 6 условно показана развертка цилиндрической рабочей поверхности ротора на пл.,скость. Йля уменьшения влияния гоков, наводимых в роторе переменным магнитным погоком обмотки якоря, в поверхности ротора могут быть предусмотрены продольные прорези 20 (фиг. 5„: на фиг. 6 не показаны). На фиг. 5 и.

6 пунктиром показаны направления гоков, индуктированных в корогкозамкнугых контурах ротора потоком обмотки возбуждения. Кроме того, на фиг. 5 условно показаны направления силовых линий магнитного поля, созданного обмоткой возбуждения (внутри отверстий), а на фиг. 6направления силовых линий магнитного поля, созданного обмоткой якоря.

Йвигагель работает следующим образом, циклическое переключение тиристоров, коммугируюших токи в секциях обмоток якоря и возбуждения осуществляемое схемой управления по сигналам датчика углового положения ротора в указанной выше последовательности, приводит к созданию двух пульсирующих с частотой питания магнитных полей, оси которых вращаются синхронно с ротором (поскольку коммутация токов в обмотках происходит с частотой вращения), но сдвинуты в пространстве на половину полюсного деления. В каждый момент времени полусекции обмотки якоря (и аналогично обмотки возбуждения) образуют замкнутую кольцевую схему,которая по отношению к точкам соединения с клеммами источника разделяется на дзе параллельные ветви (фиг. 3). Таким образом, в процессе врашения пульсирующие магнитные поля, созданные обмотками якоря и возбуждения, неподвижны по отношению к ротору, а следовательно, л "-.ç огношению друг к другу. Вследствие пространственного сдвига их магнитных осей на половину полюсного деления {фиг. 4), непосредственная магнитная связь между обмотками якоря и возбуждения огсутствуег, что является необходимым условием нормальной работы электродвигателя при совмещении магнигопроводов систем якоря и возбуждения.

666619

Оси магнитного поля, создаваемого токами в обмотке возбуждения, в процессе вращения совпадают с центрами прямоугольных отверстий ротора (фиг. 5). Это пупьсируюшее магнитное ноле индуктирует в короткозамкнутых контурах ротора переменные ЭДС и токи, мгновенное направление которых при возрастании магнитной индукции показано на фиг; 5 и 6 пунктиром со стрепками. Оси магнитного 10 поля, создаваемого токами в обмотке якоря, в процессе вращения совпадают с центрами перемычек между окнами (фиг. 6).

Взаимодействие магнитных потоков обмот=ки якоря с токами в короткоэамкнутых контурах ротора, изменяющихся во времени с одинаковой частотой и практически синфазно, определяет возникновение вращающего эпектромагнитного момента двигатепя. 20

При работе электродвигателя ЭДСвращения наводятся в обмотке статора (якоря), а в короткоэамкнутых контурах ротора они отсутствуют, так что в процессе вращения на ротор для его возбуждения передается сравнительно небольшая часть мощности, потребпяемой двигателем от сети. Это особенно важно в связи с тем, что немагнитный зазор в конструкциях с полым ротором попучается достаточно больЗО шим. С другой стороны, наличие увеличенного немагнитного зазора существенно уменьшает индуктивность секций обмотки якоря, что увепичивает надежность коммутации, особенно при повышенной частоте питания. (Надежность коммутации токов в секциях обмотки возбуждения повышает ся за счет размагничивающего действия токов в короткозамкнутых контурах ротора).

$0

Возможность регулирования величины .токов в секциях якоря практически неза висима or вепичины токов в секциях обмотки возбуждения, и наоборот. Это поэ45 вопяет увеличить диапазон регупирования скорости и реализовать разпичные механические характеристики. Рассмотренная конструкция двигатепя с независимым воз» буждением дает возможность попучить жесткую механическую характеристику.

Еспи жз вкпючить секции обмотки якоря и секции обмотки возбуждения в общую схему вентипьного коммутатора, причем соединить поспедоватепьно попусекции каждой секции якоря с соответствуюшими по пусекциями обмотки возбуждения, прост ранстввнно сдвинутыми относительно попусекций якоря на половину полюсного депе8 ния, ro двигатель будет обладать мягкой (гипербопической) механической характеристикой.

Рассмотренный принцип действия эпектродвигатепя может быть реализован в ряде конструктивных вариантов. Возможен, например, аналогичный электродвигатель

, дисковым ротором с отверстиями и обмотками якоря и возбуждения, распопожен ными на тороидальных магнитопроводах статора и создающими аксиапьные пупь сирующие магнитные потоки. Фиг. 5 и 6 иппюстрируют также возможность реапиэации пинейного вентипьного эпектродвигатепя подобного типа, у которого направпяюшее полотно представпяет собой попо су металла с отверстиями, центры которых сдвинуты на величину полюсного депения.

Ф ормула изобретения

1. Репупьсионный вентипьный электродвигатель, содержащий ротор с несимметричной короткозамкнутой обмоткой, статор с обмоткой якоря, секции которой соедииены с выходом вентипьного преобразоватепя, о т п и ч а ю ш и и с я тем, что, с цепью повышения энергетических показателей и упучшения регулировочных характеристик, он снабжен допопнитепьно вторым статором с обмоткой, секции которой расположены со сдвигом на полови ну попюсного деления относительно секций . обмотки первого статора и соединены с выходом преобразователя частоты, а ротор расположен в воздушном зазоре между статорами и выполнен тонкостенным с равномерно расположенными отверстиями, чиспо которых. равно числу полюсов обмо ток статора, 2. Йвигатепь по п. 1, o r л и ч а юш и и с я тем, что ширина отверстий равна поповине попюсного депения.

3. Йвигатепь по и. 1, о т и и ч а юш и и с я тем, что промежутки между отверстиями снабжены прорезями в надрав» ленки, перпендикулярном тангзнциапьному

K направлению врашюнияе

Источники информации, принятыв во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетепьство СССР

Ns 206703, кп. Н 02 К 29/04, 1965, 2. Авторское свидетельство СССР

34 421094, кп. Н 02 К 29/04, 1961.

3. Патент ФРГ И 1257956, кп. 21 Ы 39, 1968.

666619

Составитель А. Санталов

Редактор й. Мепуришвили Техред М. Келемвш Корректор И, Муска

Заказ 3204/43 Тираж 856 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж35, Раушская наб., д, 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4