Электродвигатель

ЮН);18.Я "-ф Р"ЦНЦАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ма 8)етельство СССРК 29/02, 1978.етельство СССРК 29/02, 1981. ха- шиз 1 вг 5 в гг г зг звгвввгв ггг ггФиг ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ИЗОБРЕТЕЪИЯМ И ОТКРЫТИЯМ И ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС(57) Изобретение относится к электронике, в частности к электрическим м нам с бесконтактной коммутацией. Цель изобретения - повышение надежности и улучшение энергетических характеристик, Устройство содержит собственно электродвигатель. систему электромагнитного подвеса ротора на электромагнитах и систему силовой разгрузки ротора с использованием высококоэрцитивных постоянных магнитов. Система силовой разгрузки позволяет компенсировать действующие на ротор силы веса и инерции при любом пространственном положении оси вращения ротора. Она состоит из аксиально подвижного относительно корпуса устройства цилиндра 30 и1658284 Составитель А.КузьминТехред М,Моргентал Корректор С.Шев отыль еда кто роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10 Заказ 1718 Тираж 345 Подписное ВНИИПИ Государственною комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/51858284 10 20 30 35 40 иэ подвижных элементов 35, несущих на себе постоянные магниты и свободно перемещающихся относительно цилиндра и корпуса путем обкатки. Указанные подвижные элементы выполнены в вйде цилиндрических секторов со сквозными пазами, в которых помещены постоянные магниты 36 и 31, На роторе закреплены кольцевые радиально намагниченные постоянные магниты 2 и 3, причем постоянные магниты цилиндрических секторов обращены к ним своими одноименными полюсами. Предусмотрены Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам с бесконтактной коммутацией,Целью изобретения является повышение надежности и улучшение энергетических характеристик.На фиг,1 представлен электродвигатель, продольное сечение; на фиг.2 - сечение А - А на фиг,1; на фиг.3, 4 - схема образования радиальных составляющих электромагнитных сил отталкивания соответственно при осевом и радиальном нэ. правлениях действия силы веса; на фиг.5, б - схема управления пространственным положением подвижных секторов с помощью двух распределенных обмоток, помещенных в пазах кольцевых магнитопроводов и имеющих радиальную ориентацию магнитных осей; на фиг.7 - схема образования осевых составляющих электромагнитных сил отталкивания при осевом направлении действия силы веса; на фиг.8 - схема образования дополнительной осевой электромагнитной силы, действующей на узел подвижного цилиндра; на фиг.9 - блок-схема устройства автома гического регулирования величины токоз в обмотках, управляющих пространственным положением подвижных секторов и подвижного цилиндра; на фиг.10 - графики осевых составляющих электромагнитных сил и силы веса, как функции торцового зазора между аксиально подвижным цилиндром и корпусом устройства.Ротор 1 электродвигателя (фиг. 1-8) выполнен в виде цилиндрического тела, например. из ферромагнитного материала, на внешней поверхности котороо помещены кольцевые радиально намагниченные постоянные магниты, составленные, например, из равномерно распределенных по окружности ротора и помещенных в пазах постоянных магнитов 2 и 3 (фиг.1 2, 7, 8). Все магниты 2 обращены наружу своими дополнительные закрепленные на корпусе кольцевые магнитопроводы 23 и 24 с обмотками, токи в которых регулируются по сит налам датчиков зазора между ротором и статором, Силовое взаимодействие этих токов с магнитными полями постоянных магнитов подвижных элементов позволяет устанавливать их в пространственном положении, при котором обеспечивается наибольшая точность компенсации радиальных и осевых составляющих действующ чх на ротор сил веса и инерции, 10 ил. одноименными полюсами. Аналогично, но другими полюсами, обращены наружу все магниты 3,На внутренней поверхности ротора в пазах помещены набранные из кольцевых пластин магнитопроводы; мэгнитопровод 4 ротора собственно эсинхронного электродвигателя с омедненной внутренней поверхностью и магнитопроводы 5, 6 системы электромагнитного подвесэ ротора, В торцовых пазах ротора закреплены витые кольцевые магнитопроьоды 7 и 8, принадлежащие также к системе электромагнитного подвеса ротора и предназначенные для регулировэния торцового ээзорэ,Нэ фиг,1,2 представлена кочстоукция электродвигателя с внешним ротором и внутренним стэтором, нэиболее характерная для грименения устройс 1 вэ в качестве двигателя-маховика. ГЛэгнитопровод 9 стэтора собственно электродвигэтел 1 с гв-фэзными обмотками 10 помещен на неподвижной оси 11 (фиг, 1, 2), тэм же поме. щены магнитопроводы 12 и 13 с обмотками 14 и 15, составляющие совместно с кольцевыми мэгнитопроьодэми 5 и б ротора электрсмэгниты системы подеесэ, регу. лирующей радиальные зазоры между ротором и статором.На оси 11 помещены также боковые фланцы 1 б и 17 с закрепленными на них витыми магнитопроводэми 18 и 19 с обмотками 20 и 21, принадлежащими также к системе подвеса ротора и составляющими совместно с магнитопроводами 7 и 8 ротора электромагниты системы подвеса, регулирующей торцовые зазоры между ротором и стяга ром.Фланцы 16 и 17 жестко соединены с внешним цилиндрическим корпусом 22. С внутренней стороны к нему крепятся два кольцевых магнитопроводэ 23 и 24. замкнутых цилиндрическим ферромагнитным кольцом 25. В пазах кольцевых магнитоноо 1658284510 водов помещены две распределенные об мотки 26 и 27, магнитные оси которых ори ентированы в радиальном направлении и сдвинуты в пространстве на 90, а также в специальных кольцевых пазах две кольцевые обмотки 28 и 29. Последние соединены последовательно, а взаимные направления токов в них показаны на фиг.8.Между магнитопроводами 23. 24 и ротором 1 расположен узел аксиально подвижного цилиндра, состоящего иэ тонкостенного немагнитного цилиндра 30, скрепленного с двумя боковыми фланцами 31, 32, способными скользить по внутренней поверхности корпуса 22. Осевым смещением узла подвижного цилиндра относительно корпуса устройства противодействуют упругие элементы, например пружины сжатия 33, равномерно расположенные по окружности фланцев 16, 17, Лх индивидуальная регулировка осуществляется в простейшем случае нажимными винтами 34.По внутренней цилиндрической поверхности фланцев 31, 32 свободно обкатываются подвижные элементы 35, представляющие собой размещенные с зазорами относительно друг друга отдельные цилиндрические секторы со сквозными пазами, в которых размещены два ряда постоянных магнитов 36, 37, составляющие в целом два радиально намагниченных постоянных магнита, обращенные к постоянным магнитам 2 и 3 ротора одноименными полосами. Обкатка осуществляется, например, с помощью подшипников 38 качения малого диаметра, Подшипники размещены в специальных углублениях фланцев 31, 32. что исключает осевые перемещения подвижных элементов 35 относительно цилиндра 30, Осевые перемещения одновременно всех секторов относительно корпуса 22 возможны только вместе с узлогл подвижного цилиндра.Электродвигатель работает следующим образом.В данном случае применен асинхронный электродвигатель с внутренним статором 9 и определенным внешним магнитопроводом 4 ротора. обеспечивающий крутящий момент ротора, Он отвечает требованиям к электродвигателю, как составной части рассматриваемой системы, которые сводятся к тому, что он должен быть бесконтактным, по возможности не иметь обмоток на роторе и не создавать значительных сил одностороннего притяжения между ротором и статором, мешающих работе системы подвеса ротора. С этой целью используется известное техническое реше 15 20 30 35 40 45 50 55 ние, предусматривающе включение конденсаторов в цепь фазных обмоток статора, что позволяет совместить собственно электродвигатель с системой резонансноо подвеса, Такая система не в состоянии самостоятельно справиться с задачей подвеса и точного центрирования массивноо ротора, но, во всяком случае, сила одностороннео притяжения при этом не возникает,Если есть необходимость в регулировании скорости в широких пределах, в качестве варианта можно применить вентильный электродвигатель с бесконтактной коммутацией, причем наиболее приемлемой является конструкция двигателя с увеличенным немагнитным зазором между ротором и статором и с возбуждением от достаточно высококоэрцитивных постоянных магнитов, помещенных на роторе, Благодаря этому удается существенно снизить силу односто. роннего притяжения, поскольку максималь. но возможные в конструкции радиальные отклонения ротора от центрированного положения оказываются много меньше величины указанного зазора.Система электромагнитного подвеса ротора функционально разделяется на систему регулирования радиальных зазоров и систему регулирования торцовых зазоров между ротором и статором. Первая включает в себя электромагниты с обмотками 14, 15 на статоре, вторая - торцовые электромагниты с обмотками 20, 21, Обе системы используют в работе силы электромагнитного притяжения. Они могут быть выполнены как системы резонансного или активного подвеса. Во втором случае необходимо предусмотреть датчики зазораСистема силовой разгрузки ротора функционально также разделяется на систему компенсации радиальных составляющих силы веса и сил инерции, действующих на ротор, и систему компенсации осевых составляющих этих сил. Система компенсации радиальных составляющих сил веса и инерции включает в себя ротор 1, подвижные элементы 35, кольцевые магнитопроводы 23, 24 с обмотками 26, 27.Если сила веса ротора направлена по оси вращения (вертикальное положение оси), то и силы веса, действующие на подвижные элементы - секторы 35. имеют то же направление и уравновешиваются реакцией опоры. Поскольку между элементами 35 действуют силы бокового отталкивания закрепленных в них постоянных магнитов 36, 37, секторы располагаются симметрично с одинаковыми угловыми расстояниями между ними а 1 =а 2 =аз (фиг,З). Равнодействую 1658281щая радиальных электромагнитных сил Р 1, Т 2, Гз отталкивания ротора 1 от подвижных элементов 35, приведенная к центру масс ротора, при равномерном зазоре между ротором и элементами 35 равна нулю,Если происходит отклонение оси вращения ротора от вертикали (вплоть до горизонтального ее положения), возникает радиальная составляющая Р силы веса ротора и одновременно составляющие сил веса подвижных элементов 35. действующие в плоскости, перпендикулярной оси вращения, которые заставляют их э результате обкатки по поверхности фланцев 31, 32 принять асимметричное положение, при котором, например а 1 ) а 2 = с (фиг,4), Кроме этих составляющих, на подвижные элементы действуют также электромагнитные силы взаимодействия закрепленных в них постоянных магнитов с токами в обмотках 26, 27. Такое взаимодействие с одной из двух распределенных обмоток (с обмоткой 27) иллюстрируется на фиг.5, 6.Пусть, например, ось ротора занимает вертикальное положение, а подвижные элементы располагаются симметрично, но по отношению к обмотке 27 ориентированы произвольным образом (фиг,Б), Включение обмотки при указанном направлении токов к ней приводит к возникновению обозначенных стрелками электромагнитных сил, действующих на подвижные элементы 35 и заставляющих их в конечном итоге принять положение, показанное на фиг,6. При этом равнодействующая электромагнитная сила Г отталкивания ротора от элементов 35 имеет направление, совпадающее с магнитной осью обмотки, Это направление меняется на обратное при изменении направления тока в обмотке. Величина силы Е зависит от величины тока в обмотке. Действительно, при увеличении тока в обмотке 27 элемент, ось симметрии которого совпадает с магнитной осью обмотки. остается неподвижным, а два других элемента сближаются с ним, преодолевая силу бокового отталкивания постоянных магнитов, вследствие чего сила Р увеличивается. Включение второй обмотки 26 при выключенной обмотке 27 поивело бы к ориентации вектора силы Р в направлении магнитной оси обмотки 26, т,е, в направлении, перпендикулярном изображенному на фиг.б. При включении обеих обмоток, в зависимости от соотношения величины и направления токов в них, вектор силы Г может быть ориентирован в любом направлении по отношению к ротору.10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Управление токами э обмотках 26, 27производится по сигналам датчиков зазора между ротором и статором, измеряющих за зары з двух взаимно перпендикулярных направлениях, причем пространственно положение каждого да 1 чика согласовано с пространственным положением магнитной оси той обмотки, которая этим датчиком уп.равляется, При этом используются те же датчики, по сигналам которых происходи 1 управление токами в обмотках 14, .5 электромагнитов системы регул,ровэния радиальных зазоров между ротором и статоромВ любом произвольном положениикогда ось ротора не вертикальна, на подвижные элементы 35 при их обкатке одновременно действуют кэк электромагнитные силы взаимодействия с обмотками 26, 27, так и составляющие силы их веса, так что система силовой разгрузки ротора является сочетанием системы регулирования разомкнутого гига (по возмущению) и системы регулирования замкнуто о -ипа (по отклонению ротора от центрироеэнного положения). При отключении последней устройство остается работоспособным и в состоянии осугцсствлять по крайней мере частичную компенсацию радиальных составляющих сил вэс;. и инерции действующих на оотор,Здесь равнодействующая сил отталкивания ротора от элементов 35 Г;+ Г 2+ Гз меньше силы веса ротора Р, осуществляется лишь частичная компенсация силы в.са, дополнительная подъемная сила обеспечивается электромагнитами системы подвеса, что неизбежно связано с некоторым отклонением ротора от центрировэнного положения, Но в этом случае не равны нулю сигналы с выхода датчикоз зазора, при включении обмоток 26, 27 было бы обеспечено дополнительное смещение подвижных элементов на угол ЬР. (фиг,4), тэк что равнодействующая сил отталкивания Е=1 +Р."+Гз практически рэьная и претивополо о о направленная по отношению к силе веса Р ротора. В нормальном режи;ле оба канала системы разгрузки работают г дновременно,Работа системы силовой разгрузки ротора от эксиальных (осевых) составляющих сил веса и инерции объясняется с помощью фиг.7, 8, где представлены только определяющие ее работу элементы, Кода ось вращения ротора вертикальна. то сила веса ротора Р направлена вдоль этой оси, Но осевая сила веса Р действует и на узел устройства, включающий в себя аксиально подвижный цилиндр 30 с фланцами 31, 32 и опирающиеся на них радиально подвижные элементы 35, Кроме того. при возникновении любогоаксиального смещения ротора относительно его центрированного положения на подвижные элементы 35, а следовательно, и на весь укаэанный узел, дейстеуют осевые электромагнитные силы взаимодействия закрепленных в элементах 35 постоянных магнитов с кольцевыми обмотками 28, 29, расположенными е кольцевых пазах магнитопроводов 23, 24 и включенными последовательно таким образом, что направление токов в них противоположно (фиг,8), Пути замыкания силовых линий магнитных полей постоянных магнитов ротора и радиально подвижных элементов показаны пунктиром, При наличии тока в кольцевых обмотках между ними и магнигами 36, 37 возникает силовое взаимодействие, приводящее к возникновению осевой электромагнитной силы Гв, действующей на радиально подвижные элементы 35 и через них на узел подвижного цилиндра, Величина и направление силы Гв определяется величиной и направлением токов в обмотках 28, 29.На фиг.9 приведена структурная. схема системы регулирования тока в обмотках 28, . 29, Датчики зазора ДЗ, Д 32, измеряющие торцовые зазоры между ротором и магнитопроводами 18, 19, применяются те же, что и в системе подвеса ротора при регулирова.нии токов е обмотках 20, 21 торцовых электромагнитое. Их выходные сигналы пропорциональны величине зазоров, Устройство сравнения УС формирует сигнал, пропорциональный разности торцовых зазоров. Если применен резонансный подеес, гдеотсутствуют специальные датчики зазора, устройство сравнения формирует сигнал, пропорциональный разности токов 1.12 в обмотках электромагнитов 20, 21, что также дает информацию о разнос и зазо,ров. Реверсивный усилитель мощности У 1 Л соединен непосредственно с кольцевыми обмотками КО (обмотки 28, 29), Аналогичную структуру имеют и системы гзгулирования токов в распределенных обмотках 26, 27, относящихся к ранее описанному устройству компенсации радиальных составляющих сил веса и инерции.При любом отклоне ии оси вращения ротора от горизонтального положения, т,е. при возникновении осевой составляющей силы веса ротора происходит некоторое осевое смещение ротора относительно центрированного положения, т.е, возникает некоторая разность торцовых зазоров между ротором и статором. Аксиальный канал системы электромагнитного подвеса, включающий в себя кольцевые магнитопроводы 7, 8 на роторе и 18, 19 на статоре с обмотками 20, 21 противодействуют этому смещению,так что оно относительно с атора невелико Одновременно под действием осезои составляющей силы веса Р и электромагнитной силы Гв узел подвижного цилиндра 5 проскальзывает по внутренней поверхности корпуса 22, в связи с чем между магнитными осями постоянных магнитов 2 и 3 ротора и магнитов 36, 37 на подвижных элементах появляется аксиальный сдвиг, они 10 не расположены точно один против другого,При этом появляются силы бокового выталкивания, равнодействующая Г 4 которых направлена вдоль оси вращения ротора и способна полностью или частично скомпен сировать силу веса ротора (или осевую составляющую силы веса, а также осевые составляющие сил инерции). Но е этом случае со стороны ротора на узел цилиндра действует равная по величине Г противопо ложная по направлению осевая сила Г,стремящаяся увеличить аксиальныи сдвиг магнитов, а при увеличении этого сдвига одновременно растут и силы Гл, Г, Поэтому для нормальной работы устройства необхо димо, чтобы на узел подвижного цилиндрасо стороны корпуса действовала бы осевая центрирующая сила Г 6, превосходящая по величине силу Г и противоположная ей по направлению, которую и создают упругие 30 элементы -пружины 33 сжатия. Сила Г 6является разностью сил отталкивания узла подвижного цилиндра от корпуса верхними и нижними пружинами при неравенстве торцовых зазоров д и д 2 между фланцами 35 подвижного цилиндра и корпусом,На фиг,10 представлены графики сил,действующих на узел подвижного цилиндра, как функции одного из двух торцовых зазоровдь Его максимальная величина рав на д 1 +д 2. Она выбирается такой, чтобыпри максимальном осевом смещении магнитов 36, 37 относительно магнитов ротора 2, 3 радиальные составляющие их сил взаимодействия оставались бы силами отталки вания. Сила Г 7 является разностью силотталкивания Г 6 пружин 33, действующих на узел подвижного цилиндра со стороны корпуса устройства, и силы Гь, действующей на него же со стороны ротора. Кроме Г 7 к 50 узлу подвижного цилиндра приложена осевая составляющая силы его веса Р 1 и электромагнитная сила Гв, а при наличии ускорений - силы инерции. Установившееся значение зазора соответствует равенству 55 противоположно направленных сил Гт и(Р 1+Гв). Это значение зазора меньше его среднего значения (д 1 + д 2 ) /2, что и обеспечивает возникновение электромагнитной силы Г 4, направленной противоположно си 125 10 15 20 25 30 35 45 50 55 ле веса ротора Р. При отсутствии осевых составляющих сил веса Р и Рузел подвиж ного цилиндра возвращается в положение равновесия ( д 1 = д 2 ), при этом Е = О,Система силовой разгрузки ротора отаксиальных составляющих сил веса и инерции остается работоспособной, хотя и менее точной, при отключении обмоток 28, 29, т,е. при условии Ев = О. В этом случае установившимся значением зазора будет ду, Пусть при этом силы Е 4 меньше Р, тогда разность Р-Е компенсируется системой подвеса, что увеличивает потребляемую ею мощность. Предположим также, что для точной компенсации силы веса Р ротора необходимо увеличить Е 4, а следовательно, и равную ей по модулю силы Е на величину ЛЕ 4 = Л Е (фиг,10). Для этого следует уменьшить установившийся зазор до величины д 1 у - Л. Дополнительное смещение Лможет быть обеспечено за счет силы Гэ при включении обмоток 28, 29. Новое положение равновесия достигается при соотношении Е 7-(Р 1+ Гв)= О, что приводит одновременно к росту сил Г 4=Еьна величину ЛЕБ. Для создания дополнительной выталкивающей ротор силы ЛГ= Г необходимо обеспечить создание гораздо меньшеи по величине силы Ев=Л Е 7. Поэтому, хотя кольцевые обмотки 28, 29 и потребляют энергию при своей работе, в целом обеспечивается ее заметная экономия, хотя и ценой нексторого усложнения конструкции,Улучшение энергетических характеристик устройства достигается, за счет белее точной компенсации сил веса и инерции, действующих на ротор, за счет работы дополнительных замкнутых систем автоматического регулирования, которые потребляют меньше электрической энергии, чем дополнительно потребовалось бы системе электромагнитного подвеса при их отсутствии.Улучшение качества системы электромагнитного подвеса ротора достигается по двум основным причинам. Чем более точной является силовая разгрузка ротора, тем меньшей может быть крутизна силовой характеристики электромагнитного подвеса т,е, меньше коэффициент пропорциональности между развиваемой подвесом электромагнитной силой и отклонением ротора от центрированного положения). Уменьшение этого коэффициента облегчает задачу обеспечения устойчивости подвеса и качества переходных процессов. Однако для обычной системы активного или резонансного подвеса это уменьшение автоматически снижает жесткость подвеса, что чаще всего неприемлемо. В данном же случае уменьш ние указанного коэффициента пропорциональности не сопровождается снижением жесткости и может быть значительным,Кроме того, поскольку электромагниты систел ы подвеса в данной конструкции не должны развивать больших усилий. габариты их обмоток и магнитопроводов могут быть существенно уменьшены. Зто позволяет уменьшить постоянные времени обмоток, что также способствует улучшению динамических качеств системы подвеса,Технико-экономическая целесообразность применения конструкции определяется ее специфическими особенностями, состоящими в отсутствии контактных опор ротора и малом моменте трения. Она может применяться в точных гистемах регулирования и для создания высокооборотных электромеханических устройств. Формула изобретения Электродвигатель, содержащий цилиндрический корпус с торцовыми стенками, статор, внешний ротор, систему электромагнитного подвеса ротора, включающую кольцовь;е магнитопроводы на роторе и радиальные и торцовые электромагниты на статоре, обмотки которых подключены к выходам усилителей мощности. соединенных соо ветственно с диаметрально расположенными датчиками радиального зазора между ротором и статором и с датчиками торцовых зазоров, и систему силовой разгрузки ротора, содержащую кольцевые радиально намагниченные постоянные магниты на роторе и цилиндрические секторы с закрепленными в пазах постоянными магнитами, обращенными к магнитам ротора одноименными полюсами, выполненные с возможностью обкатки по цилиндрической поверхности с помощью подшипников качения. о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности электромагнитного подвеса и улучшения энергетических характеристик, он снабжен тонкостенным немагнитным цилиндром с фланцами на концах, размещенным между цилиндрическими секторами и ротором с воэможностью аксиального перемещения относительно корпуса, упругими элементами. установленными между фланцами цилиндра и торцовыми стенками корпуса, и двумя кольцевыми магнитопроводами, закрепленными на цилиндрическом корпусе напротив постоянных магнитов цилиндрических секторов, при этом на кольцевых магнитопроводах установлены две распределенные обмотки. магнитные оси которых ориентированы в радиальном на 13155828414правлении и взаимно перпендикулярны, и две кольцевые обмотки, магнитные оси которых совпадают с осью вращения ротора, распределенные обмотки подключены к усилителям мощности датчиков радиального зазора, кольцевые обмотки - к усилителям мощности датчиков торцовых зазоров, а цилинлрические секторы размещены на тонкостенном цилиндре и пазы их выполне.5 ны сквозными,