Двигатель с переменным магнитным сопротивлением

 

О П И С А Н И Е „ 670251

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К ПАТЕНТУ фф;ч

"A ы...,,ф

2 (51) М. Кл.

Н 02 К 19/06 (6)) Лополннтельный к патенту(22) Заявлено 250576 (21) 2361806/24-07 (23) ПриоритЕт — (32) 17р675 (З1) 7518841 (3З) Франция

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) ЙК 621. 313.

323 (088 8) Опубликовано 250679. Бюллетень ЛЪ23

Дата опубликования описания 250679 (72) Автор изобретения

Иностранец

Клод Робер Маедер (Франция) Иностранная фирма Понт-а-Муссон С.А. (Франция) (71) Заявитель (54) ДВИГАТЕЛЬ С ПЕРЕМЕННЫМ МАГНИТНЫМ COIIPOTHBJIEHHEM

Изобретение относится к двигателям с переменным магнитным сопротивлением, питаемым многофазным током.

Известны двигатели, в которых предусмотрены подвижный и неподвижный элементы, один из которых имеет несколько обмоток, установленных на зубчатых полюсах, а другой представляет собой зубчатое тело из магнитного материала, при этом число зубцрв 1() первого элемента отличается от числа зубцов второго элемента,в результате чего эти зубцы могут образовывать магнитные цепи с переменным магнитным сопротивлением, что приводит к возникновению относительного движения ,двух элементов при возбуждении обмоток в определенной последовательности 111.

Известен также двигатель с переменным магнитным сопротивлением, содержащий статор, снабженный обмотка- ми, установленными на зубчатых полюсах по одной на полюс, каждая из ко- 25 торых сдвинута по фазе на 120 эл.град, o1носительно обмоток, непосредственно к ней примыкающих с обеих сторон, и безобмоточный зубчатый ротор иэ магнитного материала, причем число зубцов статора не равно числу зубцов ротора (2).

Однако такой двигатель требует введения т ыпрямительных диодов, включаемых последовательно с обмотками возбуждения, и может работать только от источника трехфазного тока., Цель изобретения — упрощение и расширение области применения устройства, создание двигателя с переменным магнитным сопротивлением, который, обладая всеми преимуществами упомянутого двигателя, в частности исключительно высоким КПД, может подключаться к источнику переменного тока без введения какого-либо электронного компонента. Кроме того, будучи основанным на том же принципе, этот двигатель может быть изготовлен для рабОты под напряжением с любым числом фаэ.

Это достигается тем, что числа зубцов двух статора и ротора удовлетворяют следующему соотношению:

1в 7, j а ЯК

rs котором Š— число зубцов первого элемента, включая фиктивные зубцы, которые мысленно могут быть

670251 помещены между упомянутыми полюсами;

Å4 — число зубцов второго элемента;

S — число полюсов на одну

Фазу источника питания;

К вЂ” сомножитель числа фаз упомянутого источника, не превышающий трети от этого числа фаз.

На фиг. 1 схематически изображен двигатель с переменным магнитным сопротивлением; на Фиг. 2 — то же, частичный поперечный разрез; на фиг. 3

9 — образование вращающихся магнитных полей в двигателе; на фиг. 10-12 — l5 три способа подключения двигателя; на фиг. 13-15 — предложенный двигатель, три варианта выполнения.

На фиг. 1, иллюстрирующей принцип работы двигателя с переменным сопро- 20 тивлением, изображены два последовательных полюса 1 и 2 того элемента двигателя, который в данном случае будет считаться неподвижным элемен- . том или статором,3. Полюсы, выполненные из магнитного материала, окруже" ны обмотками.4, которые могут возбуждаться в определенной последовательности при помощи коммутирующего устройства. Каждый полюс имеет некоторое число зубцов 5, перед которыми могут перемещаться зубцы дру-" гого элемента, который считается подвижным элементом или ротором и вы полнен из магнитного материала, но который не имеет заранее выполненных 35 магнитных полюсов. Между статорными и роторными зубцами б имеется воздушный зазор.

Работа такого двигателя основана на том, что между статорными зубцами 5 двух последовательных полюсов существует некоторый сдвиг d,ïðè этом шаг Зубцов обозначен через Р.

Таким образом, если возбудить только обмотку 4 полюса 1 (см. Фиг. 1), то ничего не произойдет, поскольку зубцы находятся точно друг против друга и магнитное сопротивление рассматриваемой магнитной цепи минимально. 50

Но если теперь возбудить обмотки 4 двух полюсов 1 и 2, то ротор будет стремиться к такому положению,в котором минимальным будет магнитное сопротьвление обеих магнитных цепей.В реэу-55 льтате этого возникает движение ротора.

Если затем возбудить только обмотку полюса 2,то произойдет новое перемещение ротора, направленное на точное совмещение,его зубцов с зубцами полюса 2.

Работа двигателя обеспечивается при соблюдении двух условий, а именно

d< Е и возбуждения обмоток 4 во вполне определенной посяедовательностй.

Придав элементам двигателя Форму окружности, получают двигатель с вращательным движением.

До настоящего времени переключение обмоток осуществлялось при помощи электронных коммутирующих устройств или при изменении переменного тока, за счет чего в двигателе, например, при помощи трехфазного напряжения создавалось одно или несколько вращающихся магнитных полей. Однако при использовании этой последней системы питания обмоток до сих пор не представлялось возможным исключить такие электронные элементы как диоды.

Таким образом, данное изобретение обеспечивает сдвиг d зубцов подвижного элемента относительно зубцов неподвижного элемента за счет установления определенного соотношения между числом зубцов неподвижного элемента и числом зубцов подвижного элемента и системой питания на переменном токе, которую хотят испольэовать для двигателя, причем эта зависимость позволяет конструировать двигатели, которые могут работать на многофазнсм переменном напряжении во всем их ассортименте без необходимости введения какого-либо электронного коммутирующего элемента, такого как диод, тиристор и т.д.

Предположим, что

Å1 — число зубцов первого элемента, включая так называемые фиктивные зубцы, которые могли бы находиться между последовательными полюсами этого элемента, если бы зубчатая нарезка была непрерывной;

Е4 — число зубцов второго элемента;

8 — число полюсов первого элемента на одну фазу напряжения питания, (Е, -Е4j= ЯК, где, К - сомножитель числа Фаз и питания двигателя, не превышающий и/3 из тех соображений, что для создания в двигателе вращающегося поля, обеспечивающего переключение магнитных потоков в полюсах двигателя, не-. обходимо располагать числом Фаэ, как минимум равным трем. Таким обраэоМ, приведенное соотношение непосредст" венно связывает число Фаз напряжения с разницей между числами подвижных и неподвижных зубцов двигателя.

Поскольку величина Я определяет число вращающихся полей в двигател, т.е. число образуемых пар полюсов можно вычислить, исходя из выбранного числа полюсов на одну Фазу и вида напряжения питания, общее число полюсов двигателя P=Sn.

Скорость вращения. такого двигателя вычисляется при помощи соотношения

670251 в котором Я вЂ” скорость вращения, об/мин; частота напряжения питания;

Z - число зубцов подвижного элемента.

Двигатель, изображенный на фиг. 2 5 (предпочтительный вариант), содержит статор 3 кру свого сечения, выполненный из магнитного материала в виде внешнего кольца 7, из которого по радиусу выступают внутрь равномерно 10 распределенные по окружности полюсы 1, 2, число которых в данном случае равно двенадцати. На каждом полюсе статора установлена обмотка 4.

На свободном торце каждого полюса 15 имеется несколько зубцов 5, число которых равно четырем. Однако при подсчете разности между числами ро-торных и статорных зубцов для каждого полюса 1, 2 учитывают один фиктив- 20 ный зубец 8, который фактически отсутствует, но может быть мысленно помещен рядом с зубцами данного полюса, как показано пунктиром на фиг, 2. В действительности этот зубец

Ж не может быть выполнен по технологическим соображениям, прежде всего из-за необходимости установки обмотки вокруг полюсов 1, 2. Каждый полюс

1, 2 имеет расширение на участке, где выполнены зубцы 5. Кроме того, на фиг, 2 показано, что все обмотки 4 статора наматываются в одну сторону вокруг соответствующих полюсов, в результате чего создаваемое обмоткой в своем полюсе магнитное поле может 35 замыкаться на два соседних полюса.

Двигатель содержит также ротор 9, выполненный в виде колеса из магнитного материала и имеющий на периферии зубцы 6, перемещающиеся перед 40 зубцами 5 статора, с которыми они образуют воздушный зазор, при этом статор и ротор являются соосными ° Сам по себе ротор не образует никакого магнитного полюса.

Поскольку в описываемом примере каждый полюс 1, 2 статора имеет четыре зубца 5, а число полюсов равно двенадцати, общее число зубцов статора равно 60 с учетом фиктивных зубцов 8.

Если при этом выбрать трехфазное напряжение питания, то число полюсов на одну фазу будет: Б = Р/и, т.е. 4, в результате чего двигатель будет иметь четыре пары магнитных полюсов.

В этом случае 2я составляет 60-4=56, К равен 1, но Ея может быть равным также 64, поскольку оба эти числа удовлетворяют условию, согласно которому сдвиг между роторными и статор- 60 ными зубцами двух последовательных .полюсов должен быть меньше половины шага зубцов, Поскольку обмотка каждого полюса

1р 2 запитывается синусоидальным напряжением, то ее поле будет иметь синусоидальную форму со сдвигом по Фазе относительно напряжения на угол, зависящий прежде всего от омического сопротивления обмотки. Поедполагается, что обмотки 4 подключены согласно схеме по фиг. 10. Если провести три кривые синусоидальных токов в двенадцати обмотках 4 (см. Фиг. 3), то можно указать знак и величину магнитных потоков в полюсах, соответственно при Фазовых углах 30,99,150,210, 270 и 330 периода тока. Когда поток в данном полюсе максимален, то в двух соседних полюсах пот к имеет противоположный знак и половинную величину.

Таким образом, двигатель согласно изобретению может быть подключен непосредственно к источнику без какойлибо дополнительной компоненты.

На фиг.4-9 для каждого момента, рассматриваемого на фиг. 3, указаны направление и величина магнитных потоков в двенадцатй полюсах двигателя. В двигателе создается вращающееся поле и это поле совершает полоборота за два полупериода тока. В течение этого времени ротор поворачи-1 вается на два зубца так, что при частоте источника питания 50 гц скорость этого двигателя будет составлять

Я = = 107 об./мин.

2х50х60

Статор 3 и ротор 9 могут быть выполнены из любого подходящего магнитного материала, причем предпочтительньы является материал, в котором не могут возникать сильные токи Фуко.

Можно использовать, например, мягкую сталь, пакеты пластин стали с кремнием, спеченный металл или также эпоксидную смолу с наполнителем из частиц магнитного металла, например железа.

На фиг. 10-12 показаны некоторые из возможных вариантов включения обмоток 4 двигателя, причем это включение может выполняться звездой ™ (см. Фиг. 10 и 11) или треуголь ником (cM. Фиг. 12). Обмотки могут включаться попарно последовательно, а затем параллельно или целиком параллельно или последовательно при любой выбранной конфигурации.

Можно также питать двигатель од- нофазным напряжением, преобразуемым в трехфазное напряжение при помощи фазосдвигающих конденсаторов.

На фиг . 13-15 представлено несколько возможных вариантов двигателя. Однако следует отметить, что эти варианты могут быть применены для всех двигателей согласно изобретению, удовлетворяющих укаэанному соотношению.

На фиг. 13 представлен вариант, в котором два подвижных элемента 10 и

11, имеющих в целом цилиндрическую форму, установлены соосно друг другу при этом внутренний элемент 10 имеет

670251

35 радиальные зубчатые полюсы с обмотками 4, направленные наружу, тогда как наружный элемент проедставляет собой кольцо с зубцами с внутренней стороны. В этом случае внутренний элемент 10 может быть неподвижным и образовывать статор,а внешнее коль- 5 цо может являться ротором, но возможно и обратное расположение.

На фиг. 14 представлен двигатель, в котором имеются два элемента 12 и

13, представляющие собой цилиндричес- у кие тела, установленные на одной оси.

На.обращенных друг к другу поверхностях этих двух элементов имеется соответственно ряд осевых полюсов 14 с зубцами и обмотками и кольцо из зубцов 15, выполненных на одном элементе напротив зубцов 16 полюсов другого элемента. В этом случае также тот и другой элементы могут являться либо статором, либо ротором.

На фиг. 15 представлен еще один вариант, в котором статорный элемент состоит из двух цилиндрических частей 17 и 18, установленных соосно, друг другу и роторному элементу 19.

Две части 17 и 18 выполнены так же, как элемент 12 (см. фиг. 14), при этом для упрощения полюсы не показаны. В этом случае роторный элемент

19 связан с валом 20, который проходит сквозь часть 18 статора и имеет 30 периферические зубцы 21 напротив той и другой частей статора. При этом соотношение согласно изобретению справедливо для каждого узла, включающего часть статора и группу зубцов ротора, расположенных на той его стороне, которая обращена к данной части статора.

Следовательно, предложенный двигатель можно запитывать непосредственно 40 от многофазного источника и такой двигатель может принимать самые различные .формы. В частности, исходя из определенной конструкции статора, можно сообщать двигателю различные скорости вращения, либо ис- 45 пользуя роторы с различным числом зубцов, либо подключая обмотки статора к различным многофазным источникам.

Выходные скорости двигателей сравнительно малы, что может оказаться весьма удобным в некоторых случаях для замены двигателей-редукторов общего применения или для моторизации некоторых приводов.

Формула изобретения

Двигатель с переменным магнитным сопротивлением, содержащий статор, снабженный обмотками, установленными на зубчатых полюсах по одной обмотке на полюс, каждая из которых сдвинута по фазе на 120 эл .град. относительно обмоток, непосредственно к ней примыкающих с обеих сторон, и безобмоточный зубчатый ротор из магнитного материала, причем число зубцов статора не равно числу зубцов ротора, отличающийся тем, что, с целью упрощения и расширения области применения, указанные обмотки содержат выводы для подсоединения к источнику многофазного тока и имеют одинаковое направление намотки на полюсах, а число зубцов статора и ротора удовлетворяет сле-. дующему соотношению: (Е -Z) = SKi в котором Š— число зубцов статора включая фиктивные зубцы, которые могут быть мысленно размещены между упомянутыми полюсами;

Š— число зубцов ротора;

S — число полюсов на одну фазу источника питания;

К вЂ” число, не превышающее одной трети от числа фаз.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент ФРГ 9 2254001, кл. Н 02 К 19/06, 1976.

2. Микроэлектродвигатели для систем автоматики. Под ред. Э.A. Лодочникова и Ф.М.Юферова. М., Энергия, с. 174-192.

á70251 фиг.8

Фиг.8

Составитель A.Êåöàðèñ

Редактор Т.Загребельная Техред Н. БабуркаКорректор Е, лицин „

Закаэ 352б/51 Тираж 856 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и откритий, 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.,д.4/5

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