Вентильный электродвигатель-маховик с электромагнитным подвесом ротора

 

Союз Советских

Соцкалкстмческкх

Ресттубпкк

О me ema

ЙЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<и 905950 (6l ) Дополнительное к авт. свкд-sy (22) Заявлено .07.05.80(2l ) 2920445/24-07 с присоединением заявки 34— (23) Приоритет

Опубликовано 15.02.82. Бюллетень М 6

Дата опубликования описания «5 02 82 (5I)%. Кл.

Н 02 K 29/02

Гееударстеенньй квинтет

СССР еа делам изобретений и открытий.(53) УДК 621.313. .1 3.01 4.2:621. .382 (088.8) (72) Автор изобретения

Е. Н. Баранов

Московское ордена Пенииа и ордена Трудового асного Знамени высшее техническое училище им.;-Э".-Баумана-- -— (7I) Заявитель (54) !ЗЕНТИЛЬНЫЙ М1ЕКТРОДВИГАТЕПЬ-МАХОВИК

С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОДБЕСОМ РОТОРА

Изобрегение относится к электронике, в частности к электрическим машинам и электромеханическим устройствам с бесконтактной коммутацией.

Известен вентильный электродвигатель с бесконтактной коммутацией, в кон- струкции которого функции двигателя сов= мешены с функциями системы электрома нитного подвеса ротора . Система подвеса выполнена с использованием сил отталкивания постоянных магнитов, расположен 0 ных на статоре и роторе и обращенных друг к другу одноименными полюсами j«1.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению являетт5 ся вентильный электродвигатель с электромагнитным подвесом ротора, содержащий ротор с переменно-полюсной системой возбуждения, статор с размещенными на нем обмотками, подключенными к цепи

20 питания через вентильный коммутатор, управляющие цепи ключей которого соединены с датчиком углового положения рс тора. Система подвеса ротора использует силы взаимодействия электромагнита с постоянным магнитом, которые в зависимости от направления и силы тока в обмотке электромагнита могут быть как силами отталкивания, так и силами притяжения. Двигатель обладает достаточно большим крутящим моментом(2

Недостаток этой конструкции заключается в том, что не обеспечивается устойчивый подвес ротора без вспомогательной системы, компенсирующей силы выталкивания ротора, возникающие при его осевых смешениях от положения равновесия. Наличие такой вспомогательной системы существенно усложняет конструкцию электродвигателя и его схемы управления.

Белью изобретения является улучшение качества электромагнитного подвеса рото ра и упрощение конструкции электродви гателя.

Указанная пель достигается тем, что ротор электродвигателя-маховика выполнен в виде тороида и представляет собой индуктор с переменно-полюсной системотт, 3 90595 возбуждения, образованной радиально намагниченными кольцевыми постоянными магнитами, схватывающими тороидальный магнитопровод ротора из ферромагнитного материала, а секции обмотки статора выполнены в виде катушек, охватывающих снаружи тороидальный ротор и равномерно распределенных вдоль окружности ротора.

Такое электромеханическое устроиство функционально объединяет в себе электродвигател маховик с вентильной коммутацией и систему электромагнитного подвеса ротора. Электродвигатель подобной конструкции принципиально не может иметь выходного вала, поэтому полезньrM эффектом его применения является не наличие крутящего момента, а эффект накопления кинетической энергии вращающегося ротора, для разгона которого и используется электромагнитный крутящий момент.

Ъ

На фиг. 1 представлен электродвигатель, частичный поперечный разрез

A-.Ë на фиг. 2, на фиг. 2 - продольный разрез Б-Б на фиг. 1, на фиг. 3 — конструкция секции обмотки статор.-., на фиг, 4 — магнитная система электродвигателя.

Ротор электродвигателя-маховика выполнен в виде тороида и состоит из внутреннего магнитопровода 1 (фиг. 1, 2, 4), выполненного из ферромагнитного материала, и охватывающих его радиально намагниченных кольцевых постоянных магнитов, HarIpHMep, 2 и 3, образующих индуктор с- переменно-полюсной системой

35 возбуждения, с величиной полюсного деления, равной 7. На фиг. 1, 3 и 4 показана восьмиполюсная конструкция ротора.

Каждый кольцевой магнит может состоять, 40 например, из двух предварительно намах ниченных полуколец, соединяемых и за.— крепляемых на магиитопрснзоде 1. Снаружи ротор охвачен тонкостенным немагнитным каркасом 4 (фиг. 1 и 2), кото45 рый собирается из двух полутороидов и служит опорой для обмоток статора. Обмотки статора выполнены в виде кату— шек 5 (фиг. 1, 2 и 4), охватывающих снаружи тороидальный ротор и равномерно распределенных вдоль окружности ротора, Обмотки статора (якоря) объединены в секции, например в секцию 6, как это псказано HB фиг. 3. Секция представляет собой последовательное соединение катушек 5, отстоящих друг от друга на расстояние, равное полюсному делению с .

На фиг. 3 изображена только одна секция, остальные выполнены совершенно аналогич0 4 но. Общее число обмоток 5 равно произведению числа полюсов ротора на число секций обмотки статора. На фиг. 1 представлена четырехсекционная обмотка статора.

Секции заключены в схему вентильного коммутатора, управляемого датчиком углового положения ротора.

B данной конструкции затруднено применение трансформаторного датчика положения ротора, поскольку практически невозможно избежать взаимных магнитных связей обмоток датчика и обмоток статора.

Одним из возможных вариантов является применение емкостного датчика, чувствительные элементы которого — тонкие проводящие пластины - закрепляются в зазоре на внешней стороне ротора и внутренней стороне каркаса 4 (не показаны ) .

При этом каркас необходимо выполнить из изоляционного материала, например, пластмассы, что одновременно избавляет от возникновения в нем вихревых токов при вращении ротора и связанного с ними тормозного момента.

На фиг. 4 внутри кружка изображены направления токов в секциях обмотки статора в фиксированный момент времени, а пунктиром — направления силовых линий магнитных полей, создаваемых магнитами ротора и обмотками статора. Обмотки одной из секций, находящиеся в данный момент на линиях коммутации, например на линии коммутации 7, отключены комму« татором от источника питания.

Электродвигателъмаховик работаег ;ъ следующим образом.

При вращении ротора происходит последовательная во времени коммутация токов

B секциях статора (обмотки якоря), осуществляемая вецтильным коммутатором по сигналам датчика углового положения ротора, В результате магнитное поле, созданное токами .секций обмотки статора, вращается в пространстве со скоростью ротора, причем взаимное пространственное положение магнитного поля обмотки статора и поля, созданного переменно-полюоной системой возбуждения ротора, остает ся неизменным в процессе вращения ротора как это показано на фиг. 4, При совпадении в пространстве осей одноименных магнитных полюсов ротора и статора (угол с на фиг. 4 равен нулю) возникают силы отталкивания между ротором и обмоткой статора, центрирующие ротор и осуществляющие его подвес, Система электромагнитного подвеса ротора устойчива по отношению к его возможным радиальным или осевым смешениям, а так905950 же при перекосах ротора, когда ось вращения ротора составляет некоторый угол с аксиальной осью симметрии статора, Таким образом, по отношению к этим возможным перемещениям ротор находится 5 в положении устойчивого равновесия.

При отсутствии коммутации токов в секциях обмо-ки статора единственным возможным перемещением, приводящим к потере устойчивости системы подвеса является только вращение ротора вокруг своей аксиальной оси. Действительно, при любом повороте ротора, когда угол* не равен нулю, появляется крутящий электромагнитный момент, действующий в 15 направлении поворота, причем с увеличением угла d момент увеличивается, но центрируюшие ротор усилия уменьшаются и в дальнейшем сменяются силами притяжения ротора к статору. 20

Но при наличии коммутатора, управляемого датчиком углового положения ротора, величина угла <, может удерживаться практически постоянной, Наибольшие циклические колебания величинь| с 25 связаны с конечным числом секций обмотки статора, в связи с чем осуществляется шаговое перемещение в пространстве магнитного поля обмотки статора при непрерывном вращении поля ротора. Таким 30 образом, при каждой коммутации токов в секциях обмотки статора положение устойчивого .подвеса ротора восстанавливается. Нормальным режимом работы устройства является режим малых углов

, . При этом обеспечиваются наилучшие условия работы системы подвеса, а крутящий момент является вполне достаточным для разгона ротора, поскольку элект родвигательмаховик используется в режи-4Q ме холостого хода, близкого к идеальному.

Таким образом, устройство объединяет в себе электродвигатель с вентильной коммутацией и систему подвеса ротора с использованием электромагнитных сил оттал-45 кива ния, Так KBK. индуктор и обмотки статора необходимы для работы как собственно электродвигателя, так и системы электромагнитного подвеса ротора, можно счи- 5р тать, что электромагнитные системы электродвигателя и подвеса конструктивно и функционально полностью совмещены.

Вентильный коммутатор и датчик углового положения ротора также можно считать устройствами, в равной мере принадлежащими как собственно электродвигателю (для создания постоянного действующего крутящего момента), так и системе подвеса ротора (для восстановления положения устойчивого равновесия ротора @pe его угловых смещениях вокруг осы вращения). Это позволяет существенно упростить конструкцию устройства и схему управления. Следует отметить, что система электромагнитного подвеса ротора способна работать без применения внешних регуляторов зазора между рото ром и статором.

Улучшение качества электромагнитного подвеса при одновременном увеличении крутящего момента постигается также тем, что обмотки статора не имсют пассивных частей - контуры тока по всей их длине участвуют в создании электромагнитных сип, центрирукл цж ротор и одновременно создающих крутящий момент

Рассмотренный принцип действия элект родвигателя может быть реализован и ряде конструктивных вариантов. Например, поперечное сечение тороидального ротора не обязательно должно быть круглым, для упрощения технологии изготовления можно применять, например, ротор прямоугольного сечения. Линейную развертку такого электродвигателя можно рассматривать в качес1 ве линейного электродвигателя, причем в этом случае в принципе возможен и обращенный вариант с обмот;» ками якоря на подвижном элементе и постоянными магнитами индуктора на статоре

Особенности конструкции состоят в отсутствии опорных подшипников и черезвычайно малом моменте трения, который может быть уменьшен еше .за счет герметизации объема внутри статора с обеспечением вакуума. Она может применяться в точных системах регулирования и управления, для создания высокооборотных электромеханических устройств.

Формула изобретения

Вентильный электродвигательмаховик с электромагнитным подвесом ротора, содержащий ротор с переменно-полюсной системой возбуждения и статор с размещенными на нем обмотками, подключенными к источнику питания через вентильный коммутатор, управляющие цепи ключей которого соединены с датчиком углового положения ротора, о т л и ч а ю ш и йс я тем, что, с целью улучшения качества электромагнитного подвеса ротора и упро

90БМО щения конструкции, ротор выполнен в виде тороида, переменно-полюсная система возбуждения образована радиально намаз ниченными кольцевыми постоянными маг нитами» охватывающими тороилальный маг 5 иитопровод ротора из ферромагнитного материала, а секции обмотки статора выполнены в виде катушек, охватывающих сна8 ружи TopoHI! HbN ротор и равномерно распрелеленных вцоль окружности ротора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 748702, кл. Н 02 К 29/02, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР № 762100, кл. Н 02 К 29/00, 1978.

90595(Составитедь A. Сантадов

Текреп — . аригончнк Корректор Н. Швыакая

Репактор Т. Веседова

Фидиад ППП Патент", г. Ужгороп., уд, Проектная, 4

Заказ 393/71 Тираж 71 8 Попписное

ИПИИПИ Госупарственного комитета СССР ио дедам изобретений и открытий

1 1 3 035, М осква, Ж-3 5, Раушская на 6., a . .4/5