Вентильный электродвигатель

 

Союз Советскмх

Соцмапнсткческмх

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (i«765946 (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Зая влено 04.05.77 (21) 2481219/24-07 с присоединением заявки М (5l }M. Кл.

Н 02 К 2 /04

Гюсудврственный номнтет

СССР оо делам нзобретеннй н открытой (23) Приоритет

Опубликовано 23.09.80. Бюллетень Рй 35

Дата опубликования описания 23.09.80 (53) УДК 621.313. .13.014.2:621. .382 (088.8) (72) Автор изобретения

Е. Н. Баранов

Московское ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени высшее техническое училище нм. Н.Э. Баумана (71) Заявитель (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к области электротехники, к электродвигателям с бесконтактной коммутацией.

Известны вентильные электродвигатели репульсионного типа, первичная обмотка которых расположена на роторе и питается от источника однофазного переменного тока через кольца и щетки, а вторичная обмотка (обмотка якоря) помещена в пазах статора. Токи в обмотке яко1 ря коммутируются с помощью управляемых вентилей (11.

Их недостаток — низкие энергетические показатели и большой момент инерции.

Известны также конструкции, в которых первичной обмоткой, подключенной к однофазному е5 источнику питания, является обмотка якоря, а вторичная короткозамкнутая обмотка распо.ложена на роторе. В частном случае статор такого двигателя может содержать внешний и внутренний магнитопроводы, а короткозамкнутыйротор может быть выполнен в виде помещенного между ними тонкостенного электроприводного цилиндра с отверстиями, например, прямоугольной формы, вокрут которых замыкаются наведенные полем статора переменные токи. Такая конструкция позволяет обеспечить малый момент инерции ротора и высокое быстродеиствие (2) .

Однако репульсионный электродвигатель, обеспечивая возбуждение короткозамкнутой обмотки ротора пульсирующим магнитным полем статора, не позволяет (в отличие, например, от двигателя постоянного тока) использовать пространственный сдвиг между магнитными осями обмоток статора и ротора, равный половине полюсного деления, при котором обеспечивается, при прочих равных условиях, максимальное значение электромагнитного момента, что ухудшает его энергетические и несо-габаритные показатели. Механическая характеристика репульсионного электродвигателя имеет гиперболический характер, тогда как для исполнительных двигателей в системе автоматизированного электропривода чаще .ребуется, чтобы она была достаточно жесткой. Реверс репульсионного электродвигателя известных конструкций обеспечивается только за счет пространственного сдвига оси магнитного поля статора относительно оси

3 7659 магнитного поля ротора, что существенно усложняет конструкцию да чика углового положения ротора и систему управления.

Пелью изобретения является улучшение энергетических и регулировочных характеристик электродвигателя репульсионного типа.

Это достигается тем, что цилиндрическая рабочая поверхность ротора, выполненного в виде тонкостенного стакана, разделена продольными щелями с расстоянием между ними, равным двум полюсным делениям электродвигателя. а между указаннымИ щелями в поверх-, ности ротора имеются отверстия Т-образной формы, с расстоянием между осями симметрии этих отверстий, равным двум полюсным делениям, и с расстоянием между осью симметрии отверстия и ближайшими к нему продольными щелями, равными полюсному делению. На статоре,, кроме внешнего и внутреннего магнитопроводов с обмоткой якоря, закреплены аксиальные магнитопроводы с обмоткой возбуждения

50 охватывающие ротор со стороны широкой части

Т-образных отверстий, например, в виде внешнего и внутреннего по отношению к ротору ферромагнитных пакетов, замкнутых П-образными магнитопроводами с помещенными на них катушечными обмотками возбуждения,соединенными между собой последовательно и согласно и подключенными к источнику однофазного переменного тока.

Таким образом, предлагаемый электродвига гель по принципу действия близок к репульсионному, но отличается от него тем, что возбуждение ротора осуществляется не магнитным потоком обмотки якоря, а аксиальным потоком, создаваемым независимой обмоткой возбуждения. В результате использования такой конструкции удается получить достаточно кесткие механические характеристики электродвигателя и улучшить его энергегические показатели. Последнее достигается за счет использования режима работы, при котором.оси магнитных полей, созданных обмоткой якоря и токами в короткозамкнутых контурах ротора, сдвинуты на угол, равный половине полюсного деления электродвигателя. При этом для реверса доста точно опрокидывания на 180 эл.град фазы то. ков в секциях обмотки якоря или опрокидывания фазы тока в обмотке возбуждения. Диапазон регулирования скорости возрастает эа счет возможности управления величиной тока в обмотке возбуждения в дополнение к управлению токами в секциях обмоткой якоря, Малый момент инерции ротора позволяет создать электродвигатель с высоким быстродействием.

На фиг. 1 представлен предлагаемый электродвигатель, продольный разрез; на фиг. 2— разрез А-А на фиг, 1; на фиг. 3 — развертка цилиндрической рабочей поверхности ротора

ЗО

46 4 на плоскость с указанием направлений силовых линий магнитных полей обмотки возбуждения и обмотки якоря, а также направлений токов, наведенных магнитным полем обмотки возбуждения в короткоэамкнутых контурах ротора; на фиг. 4 — схема коммутатора электродвигателя с питанием от сети постоянного тока; на фиг. 5 — графики электромагнитных процессов электродвигателя как функции времени в случае применения схемы коммутатора на фиг. 4; на фиг. 6 — вариант схемы коммутатора с питанием от сети однофазного перем:нного тока.

Активная часть статора электродвигателя состоит из нилиндрических магнитопроводов внешнего статора 1 с уложенной в его пазы обмоткой якоря 2 и внутреннего статора З.На статоре закреплены также ферромагнитные цилиндрические пакеты 4 и 5, замкнутые П-образными магнитопроводами 6 с помещенными на них катушечными обмотками возбуждения 7, соединенными между собой последовательно и согласно и подключенными к источнику однофазного переменного тока. Внугренний и внешний цилиндрические пакеты 4 и 5 должны иметь хотя бы один поперечный разрез с тем, чтобы кольцевые пластины этих пакетов не могли представлять собой короткозамкнутых контуров, сцепляющихся с аксиальными магнитными потоками II-образных магнитопроводов 6. Пилиндрические пакеты 4-и 5 (см. фиг. 2} имеют по два поперечных разреза и выполнены таким образом в виде двух нолуколец. С этой же целью магнитопроводы 4, 5 и 6 крепятся на статоре с помощью втулок 8 и 9, изготовленных из какого-либо изоляционного материала, например пластмассы, Внутренняя втулка 9, а также пакет внутреннего статора 3 крепятся на цилиндрическом выступе подшипникового щита.

Ротор 10 электродвигателя выполнен в виде тонкостенного электропроводного стакана с цилиндрической рабочей поверхностью, закрепленного на валу, свободно вращающемся внутри цилиндрического выступа.

Более подробно конструкция ротора 10представлена на фиг. 3, где его цилиндрическая рабочая поверхность изображена в развертке на плоскость. Эта поверхность разделена продольными щелями 11 с расстоянием между ними, равным 2г, где т — полюсное деление обмотки якоря электродвигателя. Между щелями в поверхности ротора выполнены Т-образные отверстия 12, причем расстояние между осями симметрии этих отверстий равно двум полюсным делениям, а расстояние между осью симметрии

T-образного отверстия и ближайшими к нему продольными щелями равно полюсному делению.

Со стороны широкой части Т-образных отверстий поверхность ротора охватывается снаружи

5 765946 6 и изнутри магнитопроводами 4 и 5 и нронизы- В схеме коммутатора электродвигателя с вается аксиальным магнитным потоком, создан- питанием от сети однофазного переменного тоным катушечными обмотками возбуждения 7, ка (см. фнг. 6) полусекция 13 включена в помещенными на П-образных магнитопроводах 6. диагональ мостовой схемы, образованной упНа фиг. 3 показано мгновенное направление > равляемыми вентилями (тирнсторами) 24, 25, силовых линий этого потока внутри широкой 26 и 27. Полусекш я 14 включена в диагональ части Т-образных отверстий. Аксиальный пере- аналогичной мостовой схемы, образованной менный поток индуктирует в короткозамкну- тиристорами 26, 27, 28 и 29. причем тиристотых контурах ротора ЭДС и токи, мгновенное ры 26 и 27 являются обшими для двух мостонаправление которых показано на фиг. 3 пун- tg вых схем. Аналогично включены полусекции ктиром со стрелками. Остальная часть рабочей .остальных секций обмотки якоря. Такая схема поверхности ротора находится в зоне действия коммутатора исключает возникновение режимов радиального магнитного потока, созданного об- короткого замыкания источника питания. ! моткой якоря и замыкающегося по магнито- Электродвигатель работает следующим обпроводам внешнего t и внутреннего 3 статоров. разом.

Мгновенное направление силовых линий этого Созданный обмоткой возбуждения аксиальный потока показано на фиг. 3 внутри кружков. переменный магнитный поток наводит в коротВ схеме (см. фиг. 4) одного из возможных . козамкнутых контурах ротора переменные ЭДС вариантов коммутатора электродвигателя с пита- и токи, которые из-за наличия продольных щением от источника постоянного тока в качестве 1 лей 11 могут замыкаться только по контурам, управляемых вентилей применены транзисторы. указанным на фиг. 3, т.е. вокруг Т-образных

В случае применения этой схемы каждая секция отверстий 12. В зоне действия переменного магобмотки якоря должна быть намотана двойным. нитного потока обмотки якоря в пределах кажI проводом и должна состоять из двух одинако- дого полюсного деления т, ограниченного провых полусекций, например 13 и 14. Одноимен- дольной щелью и узкой частью Т-образного отные зажимы обмоток (например, начала) отме- верстня, направления индуктированных токов чены точками. Обмотки последовательно с в каждый момент вермени одинаковы, а в преними соединенными транзисторами (например, делах двух соседних полюсных делений — проти15 и 16) непосредственно подключены к клем- воположны. Таким образом, индуктированные мам источника питания, В обшей точке каждые токи в зоне действия потока обмотки якоря две полусекции соединены своими разноименны- образуют переменно-полюсную систему, причем ми зажимами- На фиг. 4 показана трехсекцион- число полюсных делений, на которые разбиваетная схема обмотки якоря. ся поверхность ротора в этой зоне, вдвое больВ фиксированный момент времени последова- ше числа Т-образных отверстий. На фиг. 3 предтельность импульсов 17 подается, например, на ставлена четырехполюсная конструкция электро35 базу транзистора 15, а последовательность 18 — двигателя с двумя Т.образными отверстиями. на базУ тРанзистоРа 16. AHanorwHo У РавлЯют- С кш Обмотки якоря в этомслу ае выло ены ся транзисторы остальных секций. Позицией 19 с шагом, равным четверти окружности. Протекаобозначены напряжение одной из выходных об- ющиепообмоткамякорятокисоздаютпеременмоток датчика углового положения ротора, на- 4 ные магнитные потоки, которые в каждый момент пример, трансформаторного типа. Число таких времениимеютодинаковое направлениевпредевыходных обмоток датчика равно числу секций лах каждого полюсного деления и противоположобмотки якоря. Управляющее напряжение 20 ные направления — впределахдвухсоседнихполюсформируется по сигналам датчика углового по- ных делений, что и обеспечивает создание крутяложения. Изменение полярности напряжения 20 щего момента электродвигателя. Возникающие

45 соответствует моменту т опрокцдывания фазы - здесь электродинамические силы по своей принапряжения 19 выходной обмотки датчика. По- роде близки к репулъсионным. Магнитные поля, эицией 21 обозначена последовательность импуль- созданные токами ротора и токами в секциях сов тока в одной из двух нолусекций (напри- обмотки якоря, пространственно смещены отномер, 13) секции якоря. Позицией 22 обоэначе- сительно друг друга на половину полюсного деSO .на последовательность импульсов тока во вто- пения. рой полусекции 14 данной секции якоря, а но- Для нормальной работы электродвигателя зицией 23 — переменный ток в обмотке воэ- необходимо, чтобы взаимная пространственная буждения, образованный последовательным со- . ориентация укаэанных магнитных полей в проецинением катушечных обмоток 7, синхронизи- цессе вращения ротора не менялась, что и обес55 рованный с частотой следования импульсов уп- печивается,коммутатором электродвигателя, управления 17 и 18, а следовательно, и с часто- равляемым датчиком углового положения рототой следования импульсов тока 21 и 22 в по- ра. Таким образом, переменное магнитное поле, . лусекциях обмотки якоря. создаваемое обмоткой возбуждения, является

76594 неподвижным в пространстве и пульсирующим с достаточно высокой частотой, но магнитное поле, созданное индуктированными в роторе переменными токами, вращается вместе с ротором и одновременно пульсирует с частотой питания обмотки возбуждения. Переменный магнитный поток, создаваемый этими токами в зоне широкой части T-образных отверстий 12, замыкается по кольцевым магнитопроводам 4 и 5 и далее по П-образным аксиальным элемсн- 1о там 6, сцепляясь с обмоткой возбуждения. По отношению к обмотке возбуждения он является размагничивающим, как в обычном трансформаторе. Псременко-полюсный магнитный поток, созданный токами ротора в зоне действия обмотки якоря, является радиальным и замыкаст1 ся по магнитопроводам внешнего 1и и внутреннего 3 статора, сцепляясь с обмоткой якоря 2.

По отношению к обмотке статора он является потоком возбуждения. В процессе вращения ро- щ тора магнитный поток наводит в обмотке MC вращения, что и позволяет считать обмотку 2 обмоткой якоря электродвигателя. В короткозамкнутых контурах ротора ЭДС вращения не наводится, так как магнитный поток обмотки якоря относительно ротора неподвижен, потому что вращается в пространстве со скоростью потора, пульсируя одновременно с частотой питания обмотки возбуждения (а, следовательно, и с частотой токов в роторе).

ЗО

Коммутация токов в секциях обмотки якоря с частотой вращения, осуществляемая по сигналам датчика углового положения ротора, состоит в данном случае в циклическом опрокидывании фазы магнитного потока каждой секции якоря на 180 эл.град. при пересечении активными проводниками секции линии геометрической нейтраяи, т.е. при переходе из зоны влияния одного полюса возбуждения в зону влияния соседнего полюса. 49

При использовании коммутатора, представленного на фиг. 4 этот процесс осуществляется следующим образом. Так как импульсы управления 17 и 18 подаются на базы транзисторов, например 15 и 16, со сдвигом во времени, по 4> обмоткам полусекций 13 и 14 протекают последовательности импульсов тока 21 и 22, также сдвинутые во времени. Суммарный магнитный поток двух полусекций является переменным и синхронизированным с переменным током 23 в обмотке возбуждения, фаза которого впроцессе работы двигателя неизменна. В момент времени (tq на фиг, 5), когда управляющее напряжение 20, формируемое по сигналам датчика углового положения ротора (например, с помощью фазочувствительного выпрямителя), меняет свою полярность, происходит переклю.чение последовательностей импульсов управления 17 и 18 с одного транзистора данной секции на другой, что приводит к опрокидыванию фазы суммарного магнитного по ока, создаваемого токами двух полусскций данной секции якоря. Аналогичные функции выполняет коммутатор на тиристорах с питанием от сети однофазного переменного тока (см. фиг. 6). В этом случае дожны быть сформированы две последовательности импульсов управления тиристорами, синхронизированные с переменным напряжением питания и сдвинутые одна относительно другой на половину периода. При подаче в один из полупериодов напряжения питания последовательности импульсов управления на тиристоры 24, 25, 26 и 27 ток замыкается по цепи: тиристор 24, полусекция 13, тиристор 27.

В следующий полупсриод полярность напряжения питания на клеммах изменится, и при подаче второй последовательности импульсов управления на тиристоры 26, 27, 28 и 29 ток течет по цепи: тиристор 29, полусекция 14, тиристор 26. Поэтому польсирующие токи в полусекциях 13 и 14 имеют различиос направление (если считать относительно одноименных зажимов обмоток, отмеченных точками). Магнитный поток, созданный суммарным действием токов в двух полусекциях, является переменным, пульсирующим с частотой питания. Если осуществить переключение последовательностей импульсов управления, т.е. в первый из указанных полупериодов подавать импульсы управления на тиристоры 26, 27, 28 и 29, а во второй — на тиристоры 24, 25, 26 и 27, произойдет опрокидывание фазы суммарного магнитного потока двух полусекций на 180 эл.град.

Управление скоростью вращения ротора электродвигателя осуществляется с помощью широтноимпульсного регулирования токов в секциях обмотки. якоря за счет изменения ширины импульсов управления 17 и 18, подаваемых на базу транзисторов, коммутатора по схеме, представленной на фиг. 4, или за счет сдвига во времени последовательностей импульсов управления тиристорами коммутатора по схеме — на фиг. 6 относительно переменного напряжения питания. Этот способ управления скоростью может быль дополнен регулированием напряжения, подаваемого на обмотку возбуждения. Сочетание двух способов позволяет существенно увеличить диапазон регулирования скорости.

Реверс электродвигателя осуществляется одновременным опрокидыванием фазы магнитных потоков всех секций обмотки якоря при неизменной фазе напряжения на обмотке возбуждения или, наоборот, опрокидыванием фазы напряжения на обмотке возбуждения.

Так как при работе электродвигателя ЭДС вращения наводятся только в обмотке якоря, а в короткозамкнутых контурах ротора они

765946

10 отсутствуют, в процессе вращения на ротор электромагнитным путем передается сравнительно небольшая часть мощности, потребляемой электродвигателем от сети. Это особенно важно в связи с тем, что немагнитный зазор в кон5 струкциях с полым ротором получается достаточно большим. С другой стороны наличие увеличенного немагнитного зазора существенно уменьшает индуктивность секций обмотки якоря, что увеличивает надежность коммутации и позволяет испольэовать повышенную частоту питания.

Воэможность независимого регулирования величины токов в секциях обмотки якоря и в обмотке возбуждения обеспечивает получение достаточно жестких механических характеристик электродвигателя, а также использование пространственного сдвига, равного половине полюсного деления, между магнитными осями

ОбмОтки Якоря и магнитными ОсЯми коротко- 20 замкнутых контуров ротора позволяет улучшить энергетические характеристики электродвигателя при сохранении высокого быстродействия.

Расемотренный принцип действия электродвигателя может быть реализован в ряде конструктивных вариантов. Обмотка якоря может быть помещена в пазах внутреннего статора или в пазах магнитопроводов внешнего и внутреннего статоров возможен, например, аналогичный элект-., родвигатель с дисковым ротором, имеющий отверстия Т-образной формы, обмотка якоря которого помещена в пазах тороидальных магнитопроводов. Возможен также основанный на этом принципе действия линейный электродвигатель.

В этом случае чертеж на фиг. 3 следует рассматривать как элемент направляющего полотна такого электродвигателя, которое охватывается с двух сторон системами магнитопроводов с обмоткой якоря и с обмоткой возбуждения.

Технико- экономическая целесообразность применения предложенной конструкиии состоит в существенном улучшении регулировочных харак1 теристик, а также улучшении энергетических покаэателей вентильного электродвигателя репульсионного типа при сохранении высокого быстродействия.

Формула изобретения

Вентильный электродвигатель, содержащий знутренний и внешний цилиндрические магнитопроводы статора с помещенной в пазах, по крайней мере, одного из них многофазной обмоткой якоря, соединенной с выходом коммутатора, и ротор, выполненный в виде тонкостенного электроприводного стакана с отверстиями и цилиндрической рабочей поверхностью, о тл и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью улучшения энергетических и регулировочных характеристик электродвигателя, двигатель снабжен закрепленными на статоре аксиальными магнитопроводами с обмоткой возбуждения, подключенной к источнику однофазного переменного тока, охватывающими ротор со стороны широкой части Т-образных отвестий, выполненными, например, в виде внешнего и внутреннего по отношению к ротору ферромагнитных пакетов, замкнутых П-образными магнитопров одами с помещенными на них катушечными обмотками возбуждения, соединенными между собой по. следовательно и согласно, на цилиндрической рабочей поверхности ротора выполнены продольные щели с расстоянием между ними, равным двум полюсным делениям элетродвигателя, а между указанными щелями в поверхности ротора выполнены отверстия Т-образной формы, расстояния между осями симметрии этих

Отверстий равны двум полюсным делениям, а расстояние между осью симметрии каждого отверстия и ближайшими к нему продольными щелями, равно полюсному делению электродвигателя. з

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР N 421094, кл. Н 02 К 29/04, 1961.

2. Патент ФРГ Р 1257952, кл. 21 d 41, 1968.

765946

I rS

Составитель А. Санталов

Техред М,Рейвес

Корректор В. Бутяга

Редактор В. Фельдман

Заказ 6523/50

Тираж 783

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

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