Электродвигатель с электромагнитным подвесом ротора

50 55 Изобретение относится к электрическим машинам, в частности к машинам с магнит- ными опорами.Цель изобретения заключается в упрощении конструкции, снижении веса и габаритов двигателя. На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство, разрез; на фиг. 2 - сечение А - А на фиг. 1; на фиг. 3 - подвижный элемент системы силовой разгрузки ротора - кольцо с конической рабочей поверхностью, вид изнутри; на фиг. 4 - вариант упругой связи конического кольца с корпусом устройства при помоши пружины эллиптической формы; на. фиг. 5 - положение электромагнита системы подвеса по отношению к ротору; на фиг. 6 - схема взаимного положения активных элементов системы силовой разгрузки ротора при радиальной силе веса; на фиг. 7 - то же, при осевом направлении действия силы веса; на фиг. 8 - графики силы веса ротора, а также электромагнитных и упругих сил, действуюших в системе силовой разгрузки ротора, как функции перемещения подвижных элементов этой системы.На валу 1 электродвигателя закреплен магнитопровод 2, который может быть набран из кольцевых пластин, причем средняя часть магнитопровода, являющаяся активным элементов ротора собственно двигателя, выполнена с цилиндрической рабочей поверхностью, а боковые части - с конической. В пазах цилиндрической части магнитопровода помешены радиально намагниченные постоянные магниты 3, образующие переменно-полюсную систему возбуждения собственно электродвигателя (на фиг. 2 отмечены полюса магнитов 3, обращенные к внутренней поверхности статора). Магнитопровод 4 с помещенной в его пазах обмоткой 5 образуют статор собственно электродвигателя и закреплены в корпусе 6. С корпусом упруго связаны также кольца 7 и 8 с конической поверхностью, обращенной к ротору. Упругая связь осуществляется с помощью пружин 9 эллиптической формы, находящихся в предварительно сжатом состоянии и в противоположных точках, прикрепленных к кольцам 7 и 8 и к корпусу 6. Один из вариантов такого закрепления представлен на фиг. 4. Регулировка сжатия пружин 9 может производиться с помощью нажимного винта 10, положение которого затем фиксируется стопорной гайкой 11. Количество пружин, связывающих каждое кольцо с корпусом, ограничено только конструктивными соображениями, Пружины должны, по .возможности, обладать одинаковыми характеристиками и располагаться равномерно по окружности кольца. Можно ограничиться четырьмя пружинами на кольце. Во внутренних пазах коль 5 10 15 20 25 30 35 40 45 ца располагаются распределенные равномерно по его окружности пары постоянных магнитов 12 и 13, намагниченные так, как это показано на фиг. 4. Между пазами с магнитами в кольцах выполнены отверстия 14, через которые пропущены магнитопроводы 15 с катушками 16, принадлежашие к системе электромагнитного подвеса ротора. С помощью переходной немагнитной детали 17 магнитопровод 15 крепится к корпусу 6. Раз меры отверстий 14 в кольцах 7 и 8 выбираются таким образом, чтобы в пределах рабочих перемещений колец не было касаний с ними магнитопроводов 15 и обмоток 16. Сами кольца лушче выполнять из немагнитных материалов во избежание появления силового взаимодействия между кольцами и электромагнитами.Электродвигатель с электромагнитным подвесом ротора работает следующим образом.Собственно электродвигатель обеспечивает создание крутящего момента и представляет собой вентильный электродвигатель с бесконтактной коммутацией токов в обмотках статора и системой возбуждения, использующей постоянные магниты 3 на ро. торе. В данной конструкции в системе возбуждения использованы высококоэрцитивные постоянные магниты, что позволяет существенно увеличить воздушный зазор между ротором и магнитопроводом 4, так что этот воздушный зазор много больше максимально возможного радиального отклонения ротора от его центрированного положения, поскольку это отклонение ограничено величиной зазора между магнитопроводом 2 ротора и магнитопроводами 15 системы подвеса. Указанная особенность конструкции обеспечивает условия, когда при незначительных радиальных смещениях ротора относительно его центрированного положения односторонние силы притяжения между ротором и статором собственно электродвигателя практически отсутствуют, В то же время магнитный поток возбуждения в основном замыкается по ротору и магнитопроводу 4, так что не возникает и нежелательного электромагнитнОго взаимодействия между магнитами системы возбуждения и магнитами колец. Система электромагнитного подвеса ротора, использующая в качестве силовых элементов электромагниты с магнитопроводами 15 и обмотками 16, работает как замкнутая система автоматического регулирования и строится по известным схемам резонансного или активного подвеса.Система силовой разгрузки ротора содержит упруго связанные с корпусом кольца 7 и 8 с постоянными магнитами 12 и 13, создающими электромагнитные силы притяжения между кольцами и коническими по10 15 20 25 30 35 45 50 верхностями магнитопровода ротора. Таким образом, магнитопроводы ротора системы электромагнитного подвеса и системы силовой разгрузки в этом устройстве полностью конструктивно совмещены.Основные принципы работы системы силовой разгрузки ротора иллюстрируются на фиг. 6 и 7, где схематически изображены только те элементы конструкции, которые имеют отношение к работе этой системы. Ротор изображен в центрированном положении (или, во всяком случае, при наличии только незначительных отклонений от этого положения). В рабочих системах электромагнитного подвеса удержание ротора в таком положении обеспечивается только за счет регулируемых сил притяжения, развиваемых силовыми электромагнитами системы подвесаЕсли сила веса ротора действует перпендикулярно к оси вращения (горизонтальное положение осей - фиг. 6), то аналогичное направление имеют и силы веса, действующие на кольца 7 и 8 и заставляющие их перемещаться на расстояние ьХ относительно их соосного с ротором положения, так что зазоры 8 между кольцами и ротором в верхней части кольца и 8 в нижней части не равны один другому. По мере такого смещения кольца возникают и растут силы одностороннего притяжения между кольцом и ротором, способные в конечном итоге полностью или частично компенсировать силу веса ротора. Указанному смещению колец под действием силы их веса и электромагнитных сил притяжения препятствуют также растущие по мере смещения колец упругие силы сопротивления со стороны пружин 9. В идеальном случае геометрические весовые и электромагнитные параметры элементов системы разгрузки могут быть так рассчитаны, что в установившемся положении вес ротора может быть полностью скомпенсирован. Механизм работы системы разгрузки аналогичен при вертикальном положении оси вращения ротора (фиг. 7) или при любом другом промежуточном положении. Примененные в конструкции эллиптические пружины позволяют создавать упругие силы сопротивления смещениям колец и в радиальном, и в осевом направлениях по отношению к ротору. Таким образом, система сило-, вой разгрузки с помощью одних и тех же простых элементов способна уравновешивать и радиальные, и осевые составляющие сил веса, что выгодно отличает ее от известного устройства. Это относится и к компенсации сил инерции, связанных с наличием механических ускорений, если только силы инерции не изменяются во времени по величине и направлению с достаточно высокой скоростью.Таким образом, система силовой разгрузки ротора работает как разомкнутая система автоматического регулирования, реагирующая на вариации возмущающих воздействий. - сил веса и инерции, и притом без потребления электроэнергии.Условие нормальной работы системы силовой разгрузки ротора, использующей электромагнитные силы притяжения между ротором и подвижными элементами системы разгрузки, заключается в том, что воздушные зазоры между ротором и магнитопроводами 15 должны быть существенно меньше, чем зазоры между кольцами 7 и 8 и ротором. В этом случае обеспечивается эффективность работы системы электромагнитного подвеса, и в то же время возможные малые отклонения ротора от центрированного положения не приводят к сколько-нибудь заметному изменению сил притяжения, действующих между кольцами и ротором. Применение же высококоэрцитивных постоянных магнитов позволяет получить большие значения электромагнитных сил даже при значительных зазорах. В таком случае силы одностороннего притяжения, действующие между кольцами и ротором при их несоосном положении, практически воспринимаются как постоянные или медленно меняющиеся составляющие сил, определяющих работу системы силовой разгрузки ротора.На фиг. 8 нулевому значению отклонения ЬХ колец 7 и 8 соответствует их центрированное положение относительно ротора. Значения электромагнитной силы Гэ, силы веса кольца Р и упругой силы пружин Г считаются положительными, если их направление совпадает с направлением отклонения Ь Х. Сила Гэ является силой притяжения кольца к ротору, сила Г - противоположная по направлению упругая сила сопротивления пружин, которая при любом отклонении 4 Х должна по абсолютной величине превышать Гз. Условие равновесия кольца Г +Г+Р =О. В этом соотношении слагаемые могут иметь различные знаки и представляют собой проекции соответствующих сил на направление перемещения. В таком случае установившееся значение перемещения Ь Х кольца соответствует точке а на фиг. 8 при значениях упругой силы Га и электромагнитной силы Г 1. Следовательно, обратная по направлению сила притяжения ротора к кольцу также равна Г Она и компенсирует частично силу веса ротора и может существенно превышать вес кольца Р. Последнее необходимо, так как кольца должны быть легче самого ротора. Суммарное воздействие двух колец на ротор может привести и к полному его уравновешиванию. Для того, чтобы электромагнитная сила, уравновешивающая ротор, была существенно больше веса кольца, требуется, чтобы при предельно допустимом отклонении кольца отнулевого положения значение силы Гэ, (а слс,овательно, и Г) существенно превышало вес кольца Р, но при этом алгебраическая сумма сил Гэ +Гп превышала бы вес Р незначительно. 5При совместном действии системы силовой разгрузки ротора и системы электромагнитного подвеса обеспечиваются оптимальные условия их работы. Система подвеса обеспечивает малые отклонения ротора от положения равновесия, а система силовой разгрузки, в свою очередь, существенно облегчает условия работы системы электромагнитного подвеса, позволяя снизить потребляемую мощность и увеличить перегрузочную способность, 15 Изобретения могут быть реализованы и в некоторых других конструктивных вариантах. Например, могут быть применены различные упругие элементы связи колец 7 и 8 с корпусом 6, от обычных витых пружин до прокладок из упругих материалов и надувных баллонов. Постоянные магниты могут располагаться на роторе: тогда кольца представляютсобой магнитопроводы, набранные из пластин. Если применен полый ротор большого диаметра; что характерно для конструкции двигателя-маховика, кольца могут располагаться внутри ротора и взаимодействовать с его внутренними поверхностями.Предлагаемая система силовой разгрузки ротора может применяться и в сочетании с опорами на подшипниках качения, облегчая условия их работы и снижая трение в опорах, особенно при наличии перегрузок, связанных со значительными ускорениями.В предлагаемом устройстве в отличие от известных используется один и тот же магнитопровод ротора в системе электромагнитного подвеса и в системе силовой разгрузки ротора. Система силовой разгрузки способна с помощью одних и тех же конструктивно достаточно простых элементов компенсировать как радиальные, так и осевые составляющие сил веса и инерции; при этом в ней не совершается сложных механических движений, связанных с обкаткой элементов и преодолением трения.Кроме того уменьшается необходимое количество дорогостоящих постоянных магнитов.Составитель В. Алфнмов Редактор А, Козориз Техред И. Верес Корректор В. Бутяга Заказ 4 П 1/53 Тираж 646 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий13035, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4