Линейный электродвигатель

 

Союз Соаетскнх

Социалистическими

Респубпнк

ОП HCAHHE

ИЗОБРЕТЕНИЯ

<>736286

К АВТОРСКОМУ. СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6() Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 071077 (21) 25 32207/24-07 с присоединением заявки М9 (23) Приоритет

Опубликовано 250580. Бюллетень Ио 1q

Дата опубликования описания 250580 (51)М. Кл.2

Н 02 К 41/02

Государственный комитет

СССР оо делам изооретений и открытий (53) УДК621. З1З.1З (088. 8) (72) Автор изобретения

E. Н. Баранов

Московское ордена Ленина а ордена Трудового Красного

Знамени высшее техническое училище им. Н. Э. Баумана (71) Заявитель (54) ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к электодвигателям с линейным перемещением, например, для транспортных устройств, Из вестен линейный электродвигатель,5 содержащий С-образный магнитопро. вод с размещенной на нем катушкой, подключенной к источнику питания через вентильный коммутатор, и вторичный элемент в виде металлической полосы (1), Известен н другой линейный электродвигатель, содержащий индуктор, включающий магнитопровод с обмоткой, секции которой подключены к источнику через вентильный коммутатор, и вторичный элемент, выполненный в виде направляющего полотна (2).

Такой электродвигатель является наиболее близким к предложенному по технической сущности.

Однако при таких габаритах электродвигателя трудно получать величину вертикального усилия, обеспечивающую полный подвес экипажа.

Целью изобретения является обеспечение усилий электромагнитного подвеса.

Это достигается тем, что направляющее полотно представляет собой ЗО металлический элемент П-образного сечения, например швеллер, в котором размещен шихтованный ферромагнитный пакет, отделенный от внутренней горизонтальной поверхности

П-образного элемента изолирующей прокладкой н опирающийся снизу на поперечные электропроводные перевал кн, соединенные с краями П-образно элемента механически и электрическ и расположенные вдоль направляющег полотна на расстоянии одна от другой, равном полюсному делению.

Для обеспечения возможности регулирования усилий подвеса по длине индуктора каждая секция обмотки разделена по длине на две одинаковые полусекции, . расстояние между началом н концом каждой из которых равно

7 (дт(2-1), где C — полюсное деление, m — число полюсных делений в пределах длины индуктора, причем

m — число четное, а расстояние между концом одной и началом второй полусекции составляет одно полюсное деление.

На фиг. 1 схематически изображен предложенный электродвигатель, поперечный разрез; на фиг. 2 — направ736286 ляющее полотно на фнг. 3 — магннтопровод индуктора и первичная обмотка1 на фиг. 4 — электродвигатель, продольный разрез н картина замыкания силовых линий магнитного поля, созданного токами первичной обмотки1 на Фнг. 5 — картина распределе5 ия силовых линий магнитного поля ндуктора в горизонтальной плоскости направляющего полотна и направление индуктироваиных в нем токов, а также направление возникающих электромагнитных тяговых усилий на фиг. б— основной элемент схемы вентильного коммутатора электродвигателя, один кз вариантов на фиг. 7,8,9 показаны элементы датчика линейного перемещения иа фиг. 10 показаны графики электромагнитных процессов в электродвигателе, как функции времени; на фиг,ll — первичная обмотка с полусекциямн, выполненными в виде пос- 20 ледовательиого .соединения сосредоточения обмоток (катушек), вариант; на фиг. 12 — электродвигатель, продольный разрез, а также картина распределения силовых линий магнитного 25 поля первичной обмотки выполненной согласно фиг.ll ° Актйвйая часть первичного элемента электродвигателя — индуктора пред. ставляет собой линейный магнито- 30 провод 1 с размещенной в его пазах первичной обмоткой 2. Вторичяый элемент — направляющее полотно — сс стоит из металлического элемента 3 П-образного сечения (швеллера), в котором размещен магнитопровод вторичного элемента — ферромагнитный пакет 4, набранный из полос металла, отделенный от внутренней горизонтальной поверхности П-образного элемента. изолирующей прокладкой 5 и опирающийся 40 снизу на поперечные электропроводные перемычки б шириной не более половины полюсного деления %; электродвигателя. Перемычки соединения с краямн П-.образного элемента механически и электрически, например, с помощью сварки н расположены на расстоянии С одна от другой. Линейный магнитопровод 1 индуктора расположен под направляющяМ полотном напротив ферромагнитного пакета 4. По условиям устойчивой работы систем подвеса желательно применять на экипаже два линейных электродвигателя, смонтированных на общей платформе 7 (фиг,l). Направляющее полотно на фнг. 2. показано в положении, обратном рабочему на фиг. l.

Элемент 3 и соединенные с ним переиачки 6 образуют электропроводные короткозамкяутые контуры как в горизонтальной, так н в вертикальных 60 плоскостях, пути замыкания то коз по которым показаны на фиг.2 пун1ктирнымя линиями. Для уменьшения влияния вихревых токов каждая перемычка 6

I может быть разделена несколькими продольными щелями, т. е. смонтирована из нескольких полос, соединенных сваркой с краями швеллера. Желательно, чтобы переьичкя б также отделялись от ферромагнятíîro пакета 4 слоем изолятора.

На фиг. 3 изображен магнитопровод

1 индуктора, в пазах которого показаны.одновнтковые секции первичной обмотки. Горизонтальные поверхности зубцовых выступов магнитопровода заштрихованы. В качестве примера показана четырехсекционная обмотка, выполненная с шагом равным полюсному делению электродвигателя. Длина магнитопровода яндуктора равна четному числу полюсных делений, в данном случае четырем. Каждая секция разделена по длине на две одинаковые полусекцяи, например 8 и 9, 10 и 11, 12 и 13, 14 и 15. Расстояние между концом одной полусекции (например 8) и началом другой полусекции (например 9) данной секции равно полюсному делению Г, а расстояние между началом и концом полусекции равно В(m/2-1), где m число полюсных делений в пределах длины магнитопровода индуктора. В данном случае m=4 следовательно каждая полусекция занимает ло длине одно полюсное деление. На фиг. 3 показаны стрелками направления токов в полусекциях (полусекцни 14 н 15 находятся в рассматриваемый момент времейи в режиме коммутации и поэ— тому разомкнуты), а также мгновенные направления созданных этими токами силовых линий магнитного поля индуктора (в кружках) . На фиг. 4 пунктиром показаны пути заьыкания этих силовых линий s вертикальной плоскости, по магнитопроводам индуктора и направляющего полотна при аналогичных направлениях токов в полусекциях обмотки. При этом магнитное поле индуктора является переменнополюсным. Сцепляясь с короткозамкнутыми контурамн направляющего полот- на, переменный магнитный поток ян-. духтора наводит в нях ЭДС и токи, замыкающиеся по контурам, показанным на ger.2. Направления этих токов в -пределах поперечных перемычек 6 показаны стрелками на фиг.5, где дана картина распределения силовых линий магнитного поля индуктора в горизонтальной плоскости направляющего полотна. Взаимодействие этих токов с магнитным потоком индуктора определяет появление продольных электромагнитных усилий F, действующих на поперечные перемычки.

На фиг. б приведен основной функциональный элемент одной из возможных схем коммутатора злектроднигателя с питанием от сети однофазного переменного тока ° Каждая полусекция первичной обмотки (например 8

736286 включена в диагональ мостовой схемы, образованной управляемыми. вентилями 16-23 (тиристорами) . Каждое плечо мостовой схемю образовано парой встречно-параллельных вентилей.

На фиг. 7,8,9 представлен один из возможных вариантов кон струкции датчика линейного перемещения, функI ции которого аналогичны функциям датчика углового положения ротора в Нентильных электрических машинах с вращающимся ротором. В качестве перничных элементов датчика применены трансформаторы 24 с Ш -образными сердечниками, на которых размещены подключенная к источнику однофазного переменного тока первичная обмотка

25 и выходная обмотка 26. B целом каждый первичный элемент датчика представляет собой схему дифференциального трансформатора. На фиг ° 8,9 показаны также мгновенные напранления токов и первичных обмотках 25 и пунктиром — мгновенные направления силовых линий магнитного поля, создаваемого первичной обмоткой. Число указанных дифференциальных трансформаторов равно числу секций .церничной обмотки индуктора, личейное расстояние между ними соответствует расстоянию между началами двух соседних полусекций, например 8 и 10, на фиг. 3.

В качестве нторичного элемента датчика линейного перемещения используются последовательно расположенные полосы 27, 28 Ферромагнитного металла, каждая длиной (,, причем соседние полосы смещены н поперечном направлении таким образом, что средний стержень магнитопроводов дифференциальных трансформаторов постоянно находится напротив среднего ферромагнитного участка вторичного элемента датчика, а из двух крайних стержней и пределах каждого полюсного деления напротив ферромагнитной ленты расположен только один, (фиг.8,9).

На фиr. 10 представлены графики электромагнитных процессов электродвигателя как функции нремени„ где

29 — напряжение источника питания, 30 — ЭДС выходной обмотки 26 одного из дифференциальных трансформаторов датчика линейного перемещения, соответствующего, например, перной секции обмотки индуктора, состоящей из полусекций 8 и 9, 31 — управляющее напряжение, формируемое по сигналам датчика линейного перемещения, 32, 33 — последователbHости импульсон управления тири сторами коммутатора, синхронизиронанные с напряжением источника питания и сдвинутые по времени на полови ну периода. Последонательност ь импульсов 32 подает ся, например,. на управляющие электроды тиристоров 1f:, 19, 21,??, и ><:леловательность 33 — на управляющие электроды тири сторон 17 „18, 20, 2 3, Ан ало ги чно управляются вентили остальных полусекций, 34 — последовательность импульсов тока в двух полусекциях, например 8 и 9, обмотки нндуктора.

На фнг. 11, 12 показана первичная обмотка 2 индуктора, где полусекции (например 12 и 13 на фиг.11) каждой секции первичной обмотки выполнены в виде последовательного соединения сосредоточенных обмоток (катушек), обхватывающих поперечное сечение магнитопровода индуктора.. Верхние проводники катушек помещены в пазы магнитопровода индуктора 1 (на фиг,11 пазы не показаны) . Катушки, расположенные на расстоянии t одна от другой, соединенЫ между собой встречно и при обтекании их током создают н каждый момент времени систему полюсов чередующейся полярности, аналогичную той, которая создается обычной распределенной обмоткой, представленной на фиг. 3. Соответственно и распределение силовых линий магнитного поля, созданного этой обмоткой и показанное на фиг.12 в виде пунктирных линий, а также и принцип возникновения электродинамических тяговых усйлий, не отличают ся от пр едст авлен ных н а фи r. 4 .

Электродвигатель работает следующим образом., дый дифференциальный трансФорматор датчика линейного перемещения н процессе движения обеспечивает циклическое опрокидывание фаны ЭДС (ЗО) выходной обмотки, как это показана на фиг. 10 (момент времени

t<) . Действительно, средние стержни магнитопровода 24, датчика н процессе движения постоянно находят ся против ферромагнитных участков полос 27 или 28, а боковые стержни н пределах каждого полюсного деления попеременно оказываются либо напротив ферромагнитных элементов, либо между ними. Поэтому условия замыкания магнитных потоков по стержням магнитопровода различны. Например, если поток, проходящий по левому стержню магнитопронода (фиг. 8), заьыкается на значительном участке по воздуху, поток правого стержня по ферромагнитной полосе 27. После прохождения дифференциальным тран сформатором границы полюсного деления условия замыкания указанных магнитных потоков изменяются на обратные (фиг.9), что приводит к опрокидЫванию фазы ЭДС (30) выходной обмотки датчика один раз в:пределах каждого полюсного деления зле ктродви гателя.

Выходная ЭДС датчика используется в качестве входного сигнала фазочувстнительного выпрямителя, обеспечивающего формирование управ736286 ляющего напряжения 31, полярность которого изменяется в моменты опрокидывания фазы выходной ЭДС датчика.

Схема УпРавлениЯ фоРмиРУет также две последовательности импульсов

32 и 33, сдвинутых один относительно другого на половину периода. УгоЛ сдвига с импульсов относительно начала соотнетствующих полупериодон напряжения питания может регулироваться, но одновременно для обеих последовательностей.

Напряжение 31 управляет логической схемой, которая, в зависимости

От полярности этого напряжения, осуществляет переключение последователь ностей импульсон 32, 33 с одной группы тиристоров на другую. Напримерр В Один из пОлупериОдОВ после донательность 32 подается на.. управляющие электроды тиристоров 16,19, 21,22. Если в этот полупериод потенциал верхней клемм источника выше, ток замыкается по цепи: тиристор 16 полусекция 8, тиристор 22, Во второй полупериод последовательность 33 подается на тиристоры 17,18,20,23, и ток замыкается по цепи: тиристор

23, полусекция 8, тиристор 17. В .полусекции 8 протекает переменный ток, действующее значение которого может н широких пределах регулироваться выбором значений угла включения тиристоров М . Если переключать последовательности импульсов 32, 33 с одной указанной группы тиристоров на другую, происходит опрокидывание фазы тока 34 в полусекции 8 на

180 эл. град. (момент t на фиг. 10), в чем и состоит сущность коммутации токов н секциях обмотки индуктора.

Подобная коммутация токов в секциях осуществляется один раз в пределах каждого полюсного деления электродн-,гателя, причем в двух полусекциях, составляющих данную секцию oe— мотки индуктора, например н олусекциях 8 и 9, осуществляется одновременно, поскольку этот процесс управляется одной к той же логической схемой по сигналам одного и того же дифференциального трансформатора датчика. Для различных же секций коммутация осуществляется со сдвигом во времени, так как проц есс коммутации управляется по сигналам с выходных обмоток различных дифференциальных трансформаторов, смонтированных на поднижном экипаже с пространственным сдвигом.

Выбор момента коммутации в пределах каждого полюсного деления для любой секции первичной обмотки зависит От двух факторов: от взаимного расположения вторичного элемента датчика линейного перемещения — ферромагнитных полос 27, 28 — относительно поперечных перемычек 6 направляющего полотна и от взаимного расположения систеьжи дифференциальных трансформаторон 24 относительно магии. топровода индуктора 1. Картины распределения магнитного поля индуктора относительно поперечных перемычек направляющего полотна, показанные на фиг. 4, 5, 12, соответстнуют выбору момент а коммут ации, обе спечи вающе го максимальное значение усилия F, действующего HB эти перемычки (скорость движения V экипажа относительно направляющего полотна имеет противоположное направление). Выбором момента коммутации можно регулировать величину этого усилия от нуля до максимума.

Показанные на фиг. 3 или 11 конструкции первичной обмотки и коммутация токов н ее секциях обеспечивают н процессе движения образование н каждый момент времени н пределах любых соседних полюсных делений магнитных полей разных направлений (фиг.3,4,5, 12), силовые линии которых замыкаются в вертикальных плоскостях. Взаимная пространственная ориентация магнитных потоков, созданных сонместным действием всех секций первичной обмотки индуктора, и потоков, созданных токами, индуктированными в короткозамкнутых контурах направляющего полотна,, остается н процессе движения прак-.ически неизменной, причем обмотка индуктора создает линейно перемещающееся магнитное поле, одновременно пульсирующее с частотой сети.

Работа электродвигателя характеризуется следующей особенностью.

Если магнитопровод индуктора перемещается относительно направляющего полс» на, например, слева направо, магнитное поле, соэданное токами первичной обмотки, перемещается относительно магнитопронода индуктора с той же скоростью справа налево и поэтому неподвижно относительно короткозамкнутых контуров с токами, индуктиронанныж н направляют(ем полотне. Исключение составляют крайние контуры, н связи с чем предпочтительна конструкция в многополюсном выполнении, Поэтому B первом приближении можно считать, .что н контурах направляющего полотна индуктируется только трансформаторная

ЭДС,а ЗДС перемещения наводится

TOJTbKO B ПЕРНИЧНой O6MOT „ с чем ее можно назвать обмоткой якоря. Б процессе перемещения с ны""oêîé скоростью вторичному элементу электромагнитным путем передается сравнительно н е большая а ст ь потре бляемой энергии, Взаимодействие магнитных потоков, созданных первичной обмоткой, с токами в короткоэамкнутых контурах направляющего полотна на участках поперечных перемычек вызывает воз—

736286

55 никновение продольного движущего усилия, по своей природе близкого к репульсионному. Электромагнитная сила притяжения полюсов индуктора к магнитопроводу направляющего полотна используется для создания системы электромагнитного подвеса экипажа, работа которой характеризуется в этом случае двумя существенными особенно ст ями .

Во-первых корот коз амкнутые кон т уры.направляющею полотна по отношению к обмотке индуктора представляют собой си стему вторичных обмоток трансформатора, токи в которых создают собственные магнитные потоки, являющиеся по отношению к потоку )5 первичной обмотки преимущественно ! раэмагничивающими, как и в обычном трансформаторе. Укаэанный фактор является в определенной степени стабилизирующим, всякое увеличение маг- 20 нитного потока первичной обмотки, чем бы оно ни было вызвано (например уменьшением воздушного зазора) сопровождается и увеличением размагничиВающих пОТОкОВ ВтООичных ОбмО g5 ток — короткозамкнутых контуров.

Во-вторых, осуществляющее подвес магнитное поле индуктора в процессе движения экипажа оказывается неподвижным по отношению к направляющему полотну (если пренебречь краевыми эффектами).

Таким образом, тяговое усилие и силы подвеса создаются с помощью одних и тех же конструктивных элементов, а работа системы подвеса не связана с потреблением дополнительной энергии от сети.

Особенность работы линейного электродвигателя, совмещенного с системой подвеса, заключается в том, что 40 вертикальные усилия подвеса должны существенно превосходить по величине тяговые усилия. Таким образом, суммарный магнитный поток электродвигателя должен быть достаточно боль- 45 шим. Конструкция первичной обмотки, показанная на фиг. 11, 12, по сравнению с распределительной обмоткой (фиг, 3) отличает ся повышенной собственной индуктивностью. Эта особен- . ность в специфических условиях использованияя электродвигателя является преимуществом перед обычными распределительными обмоткамю.

Регулирование режимов движения и работы системы подвеса с минимальным взаимным влиянием построено следующим образом; Поскольку все полусекции первичной обмотки включены в отдельные мостовые схемы коммутатора, подобные изображенной на фиг,6, 60 величина тока в полусекциях может регулироваться независимо изменением угла включения тиристоров. например, токи В полусекциях 8 и 9, составляющих одну секцию обмотки, 65 могут быть различны, хотя коммутация токов (т, е. опрокидывание их по фазе) происходит в обеих полусекциях одновременно. Для автоматического регулирования величины воздуш-— ного зазора между индуктором и направляющим полотном необходимо по краям индуктора установить два дат= чика, регистрирующих величину зазора (индуктивных, емкостных или каких-либо других) . Один из датчиков регулирует угол включения тиристоров полусекций 8, 10, 12, 14, т.е. в конечном счете величину магнитных потоков и сил притяжения в пределах половины длины индуктора, второй- датчик— угол включения тиристоров полусекций 9, 11, 13, 15. Подобная система позволяет поддерживать одинаковую величину зазора по всей длине индуктора при различном характере распределеия весовой нагрузки. Применение же вух линейных электродвигателей (фиг.1) позволяет избежать также и перекосов относительно продольной оси экипажа.

В процессе движения мгновенные значения токов в секциях могут изменяться при регулировании в достаточно широких пределах, однако в среднем их действующие значения остаются постоянными, поскольку приблизительно постоянными остаются весовая нагрузка и требуемая величина, эаэора. Поскольку закон изменения угла открытия тиристоров определяется режимом работы системы подвеса, этот способ управления не может: одновременно принимать для регулирования величины тягового усилия, а следовательно, и скорости движения экипажа.

Таким образом, двигатель должен допускать применения второго способа регулирования, не связанного с изменением величины токов в секциях перВичной обмотки. С этой целью используется способ, заключающийся в механическом перемещении системы дифференциальных трансформаторов относительно магнитопровода индуктора, т.е. способ регулирования положения линии коммутации в пределах площади короткозамкнутых контуров направляющего полотна, позволяющий Осуществлять регулирование скорости в широких пределах, а также торможение и реверс без существенного влияния на режим работы системы подвеса.

Это влияние сводится к двум факторам: изменению действующего значения токов в секциях первичной обмотки при изменении скорости движения экипажа вследствие зависимости ЭДС перемещения от скорости, а также в изменении коэффициента магнитной связи между первичной обмоткой и короткозамкнутыми контурами направляющего полотна В процессе регулирования.

Поскольку процессы разгона и тормо736286 жения экипажа достаточно инерционны, эти влияния на работу системы подвеса мо гут быть скомпен сиро ваны регулированием угла включения тиристоров.

Боковая стабилизация экипажа обеспечивается автоматически, поскольку и любом смещении экипажа относительно направляющего полотна возникают реактивные усилия, связанные с деформацией силовых линий магнитного поля электродвигателя и препятствующие подобному смещению. В случае необходимости система стабилизации может быть дополнена электромагнитами, вторичным элементом для которых может .служить боковая поверхность швеллера направляющего полотна.

Темнико-экономической целесообразностью применения предложенного

Электродвигателя является совмещение систем электромагнитного подвеса экипажа с собственно тяговым линейным электродвигателем, что улучшает энергетические и весо-габаритные показатели транспортной системы, уменьшает габариты и вес электросилового оборудования, устанавливаемого на подвижном экипаже, а также упрощает конструкцию и уменьшает стоимость направляющего полотна электродвигателя за счет применения стандартных изделий массового производстваа.

Формула изобретения

1. Линейный электродвигатель, содержащий.индуктор, включающий магнитопровад с обмоткой, секции которой подключены к источнику через вентильный кОммутатор, и вторичный элемент, выполненный в виде направляющего полотна,от ли чаю щийсятем, что, с целью обеспечения усилий электромагнитного подвеса, при возможности их независимого регулирования, направляющее полотно представля ет собой металлический элемент П-образного сечения, например швеллер, в котором размещен шихтованный ферромагнитный пакет, отделенный от внутренней горизонтальной поверхности

П-образного элемента изолирующей прокладкой и опирающийся снизу на поперечные электропроводные перемычки, соединенные с краями П-образного элемента механически и электрически и расположенные вдоль направляющего полотна на расстоянии одна от другой, равном полюсному делению.

2, Электродвигатель по п.1, о тличающийся тем,что,с целью обеспечения возможности регулирования усилий подвеса по длине индуктора, каждая секция обмотки разделена по длине на две одинаковые полусекции, расстояние между началом и концом каждой из которых равно

Ф(т/2-1), где С вЂ” полюсное деление, m — число полюсных делений в пределах длины индуктора, причем

m — число четное, а расстояние между концом одной и началом второй полусекции составляет одно полюсное деление.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент ФРГ 9 2029462, кл, 21 d 23, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке У 2338856/24-7, кл, Н 02 К 41/02, 1976.

736286

Фиа f2

Составитель 3. Горник

Техред И.Асталош Корректор E. Папп

Редакто.э Е. Кравцова

Заказ 2440/44

Тираж 78 3 Подпи сное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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