Линейный электродвигатель

) Заявлено 26.0 с присоединением заявки-Государственный комитет СССР по делам изобретений, Н, Баранов 1) Заявитель М овское ордена Ленина и орде высшее техническое учили(54) ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛ торых равна ширине самих пластин. При прохождении этих пластин между полюсами электромагнита возникает репульсионное усилие, изменяющееся по величине и 5 направлению. Для использования репульсионного усилия в качестве движущего предложено циклически выключать на определенное время первичную обмотку и обеспечить, таким образом, усилие только 10 одного направления. Чтобы избежать провала до нуля величины движущего усилия, можно применить например, два электромагнита, у которых интервалы выклочения обмоток не совпадают по времени.15 Констр кции подобного линейного электродвигателя свойственны существенные недостатки, а именно: необходимость циклического выключснпя рабочих обмоток является причиной плохого использования 20 активных материалов электродвигателя;в интервале времени, когда обмотка включена, нс может быть длительно использовано максимальное значение репульсионного усилия, так как в процессе движения оно меняется по величине в весьма широких пределах, уменьшаясь по мере выталкивания пластин пз-под полюсов электромагнита, что неизбежно ведет к снижению энергетических показателей электродвигателя,Изобретение относится к электродвигателям с линейным перемещением, например, для транспортных устройств.Известны линейные электродвигатели, содержащие в качестве вторичного элемента полосу металла, токи в которой индуктируются бегущим магнитным полем, созданным первичной обмоткой 11.В таких электродвигателях передача энергии на вторичный элемент осуществляется с частотой сколькения, что энергетически невыгодно прп наличии большого нсмагнитного зазора в магнитной цепи линейного электродвигателя.Известен и другой линейный электродвигатель, содержащий С-образный магнитопривод с размсптснной на нем катушкой, подключенной к источнику питания через вентильный коммутатор, п вторичный элемент в виде металлической полосы 21.Даннос устройство является наиболее близким к описываемому изобретению.В этом электродвигателе первичная обмотка подключена и ;сточнику однофазного переменного ток; .рез встречно-параллельно управляемые вентили. Вторичный элемент представляет собой последовательность металлических пластин, разделенных непроводящими промежутками, ширина корудового Красного Знаменим, Н. Э. БауманаЦель изобретения - улучшение энергетических показателей линейного электродвигателя репульсионного типа.Указанная цель достигается тем, что электродвигатель снабжен .дополнительными несущими катушками С-образнымимагнитопроводами, при этом катушки, размещенные на расположенных через полюсное деление магнитопроводах, соединены между собой последовательно, а вторичный элемент выполнен с отверстиями прямоугольной формы, ширина которых и расстояние между которыми равно половине полюсного деления.Кроме того, электродвигатель имеет дополнительные катушки, расположенные на магнитопроводах соосно первым катушкам и соединенные между собой аналогично им.Магнитопроводы электродвигателя в вертикальном направлении охватывают часть вторичного элемента, расположенную выше нижнего края отверстий.На фиг. 1 представлен электродвигатель, общий вид; на фиг. 2 - поперечный разрез А - А на фиг. 1; на фиг. 3 - схема соединения катушек, расположенных на С-образных магнитопроводах первичного элемента, а также показана картина распределения силовых линий магнитного поля, создаваемого этими катушками, и направления токов вторичного элемента; на фиг. 4 показан конструктивный вариант электродвигателя с дополнительными катушками, помещенными на магнитопроводах первичного элемента; на фиг. 5 - схема коммутатора электродвигателя с питанием от сети однофазного переменного тока; на фиг, б - графики электромагнитных процессов электродвигателя как функции времени, в случае применения коммутатора по фиг. 5; на фиг, 7 - вариант коммутатора с питанием от сети постоянного тока; на фпг. 8 - графики электромагнитных процессов электродвигателя как функции времени, в случае применения коммутатора по фпг. 7.Линейный электродвигатель состоит из первичного элемента, выполненного в виде ряда С-образных магнптопроводов 1, на которых размещены катушки 2, и вторичного элемента (направляющего полотна 3, расположенного в зазорах С-образных магнитопроводов, Вторичный элемент 3 представляет собой плоскую металлическую полосу с прямоугольными отверстиями (окнами) 4, отстоящими одно от другого на расстояние, равное половине полюсногоделения электродвигателя, и шириной2 также - , Таким образом, суммарная ширина окна и металлической перемычки составляет полюсное деление т. Вторичный элемент может быть собран, например, из отдельных частей. Линии их стыковки по 5 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 казаны на фиг. 1 пунктиром, причем обеспечение электрического контакта между :соседними частями необязательно.Катушки, размещенные на расположенных через полюсное деление т магнитопроводах, соединены между собой последоватсльно и составляют секции первичной обмотки,На фиг. 3 представлена в качестве примера четырехполюсная конструкция электродвигателя с четырьмя секциями 5, 6, 7 и 8 первичной обмотки, Общее число катушек в сскцпп равно числу полюсов электродвигателя, Соседние катушки данной секции, непосредственно соединенные между собой, включены встречно. При обтекании током они создают магнитные поля разных направлений, силовые линии которых замыкаются в плоскостях, перпендикулярных к плоскости вторичного элемента,Таким образом, число С-образных магнитопроводов в пределах полюсного деления равно выбранному числу секций первичной обмотки. Общее число магнитопроводов равно произведению числа секций на число полюсов, в данном случае шестнадцать магнитопроводов.На фиг. 4 представлен конструктивный вариант электродвигателя, у которого на С-образных магнитопроводах помещены дополнительные катушки, соосные с первыми, соединенные между собой аналогично им, выполненные проводом того же сечения и с тем же числом витков и образующие дополнительные секции, например 9. Одноименные зажимы секций отмечены точками.На фиг, 5 приведена одна из возможных схем коммутатора электродвигателя с питанием от сети однофазного переменного тока, рассчитанная на совместную работу с электродвигателем с двумя катушками на каждом магнитопроводе. Секция 8 включена в диагональ мостовой схемы, образованной управляемыми вентилями (тиристорами) 10 - 13. Дополнительная секция 9 включена в диагональ аналогичной мостовой схемы, образованной тиристорами 12 - 15, причем тиристоры 12, 13 являются обгцими для двух мостовых схем. Аналогично включены остальные секции и дополнительные секции первичной обмотки.На фиг. 6 представлены графики электромагнитных процессов электродвигателя как функции времени. Здесь 16 - напряжение источника питания; 17, 18 - последовательности импульсов управления тиристорами коммутатора, синхронизированные с напряжением источника питания и сдвинутые по времени на половину периода, Последовательность 17 импульсов поступает, например, на управляющие электроды тиристоров 10, 11 (фиг. 5), последовательность 18 - на управляющие электроды тиристоров 14, 15. На управляющие электро 655038,ць 1 тиристороп 12, 13 подаются импульсыобеих последовательностей (т, е. в каждыйполупериод напряжения питания). Аналогично управля 1 отся вентили остальных секций,Управляющее напряжение 19, формируемое по сигналам датчика линейного перемещения, управляет логической схемой,осуществляющей переключение последовательностсц 17, 18 импульсов с одной парытиристоров секции обмотки на другую. Позицией 20 ца фиг. 6 обозначена последовательность импульсов тока, например, в секции 8, позицией 21 - последовательностьимпульсов тока в дополнительной секции 9,На фиг, 7 представлен вариант схемыкоммутатора с питанием от сети постоянного тока. Вентили (тиристоры) 22 - 25образуют мостовую схему инвертора, вдиагональ которой включена коммутирующая емкость 26.Секция 8 и дополнительная секция 9включены в два плеча этой мостовой схемыи объединены в общей точке своими разно 1 именными зажимами. Электромагнитныепроцессы электродвигателя иллюстрируются в этом случае графиками, изображенными на фиг, 8, где 27 - последовательность импульсов задающего генератора, регулируемого по частоте; 28, 29 - последовательности импульсов управления тиристорами коммутатора, аналогичные последовательностям 17, 18 на фиг. 5, но, в отличие от них, полученные в результате деления частоты задающего генератора надва. В фиксированный момент времени последовательность 28 импульсов подается,например, на управляющие электроды тиристоров 22, 25, а последовательность 29 -на управляющие электроды тиристоров 23,24, благодаря чему образуемый суммарнымдействием двух секций 8, 9 магнитный поток будет переменным, изменяющимся с частотой, вдвое меньшей частоты следованияимпульсов задающего генератора.управляющее напряжение 30 формируется по сигналам датчика линейного перемещения, оно аналогично напряжению 19 нафиг. 6. Позицией 31 на фиг. 8 обозначенапоследовательность импульсов тока, например, в секции 8, а позицией 32 - последовательность импульсов тока в секции 9.Электродвигатель работает следующимобр азом.Коммутатор (фиг. 5) обеспечивает посигналам датчика линейного перемещениякоммутапшо токов в секциях первичной обмотки, которая осуществляется следующимобразом. При подаче последовательности17 импульсов управления (фиг. 6) на тиристоры 10 - 13 в один из полупериодов напряжения питания ток замыкается, например, по цепи: тиристор 10, секция 8, тиристор 13, В следующий полупериод полярность напряжения питания 11 а клеммах цз г 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 61 мснястся ц прц подаче последовательности 18 импульсов управления на тцрцсторы 12 - 15 ток течет по цепи: тирцстор 15, дополнительная секция 9, тцристор 12. Поэтому последовательности 20, 21 импульсов тока в секциях 8, 9 имеют разлцчцос направленце (сслц считать относительно одноименных зажимов обмоток). Магнитный поток, созданный суммарным действием токов в секциях 8, 9, является переменным, пульсирующим с частотой питания. Если осуцествить псрсключсццс последовательности 17 импульсов уравлсцця с тпрцсторов 10, 11 на тцрцсторы 14, 15, а последовательности 18 - с тиристоров 14, 15 на тиристоры 10, 11, произойдст опрокидывание фазы суммарного магнитного потока секций 8 и 9 на 180 эл. град. (моментна фиг, 6),Аналогичный эффект опрокидывания фазы магнитного потока секций 8 и 9 обеспечивается и в коммутаторе, представленном на фиг. 7, если последовательность 28 импульсов управления переключить в момент 1, с тиристоров 22, 25 на тирпсторы 23,24, а последовательность 29 - с тцристоров 23, 24 на тиристоры 22, 25.Подобная коммутация токов в секциях первичной обмотки в процессе движения первичного элемента относительно направляющего полотна осуществляется следующим образом,Каждый раз, когда магнцтопроводы с помещенными на них катушками какой-либо секции оказываются на боковой границе прямоугольного отверстия (окна) направляющего полотна при набегании магнитопроводов со стороны окна на металлическую перемычку между двумя соседними окнами, схема регулирования по сигналам датчика линейного перемещения (функции которого аналогичны функциям датчика углового положения в электрических машинах с врагцающцмся ротором) цзмсняетполярность управляющего напряжения 19 или 30. Это приводит к указанному псреключецию последовательностей 17, 18 (или 28, 29) импульсов с одной пары тирцсторов данной секции на другую. При этом датчик линейного перемещения, например трансформаторный, должен иметь число выходных обмоток, равное числу секций первичной обмотки электродвигателя, ц обеспечивать формирование системой регулирования соответствующего числа управля 1 оцих напряжений,Указанньш способ соединения катушек в секциях ц циклическая коммутация токов в них обеспечивают в процессе движения образование в каждый момент времени в пределах любых соседних полюсных делений магнитных полей разных направлений, силовые линии которых замыкаются в плоскостях, перпендикулярных и направляющему полат, Вз;шмная пространстве 1 зцаяОРИСНТДЦ 51 М 1 ГЦЦТЦЫХ Ц 010 КОВ, СОЗДЯЦЦЬ 1 Х совмссгцым действием всех секций псрвичной обмотки, и потоков, образуемых токдмц, индуктцровацнымц в кор)ткозамкнутых контурах направляющего полотна, Остается В процсссс двцкеци 51 пряктичсски цсизменной (как это показано ца фиг. 3), Первичная обмотка создает линелпо перемещающееся магнитное поле, одновременно пульсирующее с частотой включения тиристоров (прп питании от источника церсменного тока - с частотой сети),Работа электродвигателя хардктеризустся следующей особенностью. Если С-образные мдгнитопроводы перемещаются относительно вторичного элсмсцтянаправлявшего полотна, например, слева направо,то магнитное поле, созданное токами первичной обмотки, перемещается относительно первичного элемента с той жс скорость 0 справа налево и поэтому неподвижно относительно короткозамкнутых контуров с токами, индуктируемыми в направляющем полотне. (Исключение составляют крайние контуры, в связи с чем предпочтительна конструкция электродвигатсля в многополюсномм исполнении). Таким образом, в первом приближении мож 1;0 считать, что в контурах направляющего: олотна индуктируется только трансформаторная ЭДС, а ЭДС перемещения наводится в основном только в первичной обмотке, в связи с чем ее можно назвать обмоткой якоря. В процессе перемещения с высокой скоростью на вторичный элемент электромагнитным путем передается сравнительно небольшая часть потребляемой моц 1 ностп. Для линейного электродвигателя это существенное преимущество, если учитывать неизбежно большой нсмагнцтный зазор в его магнитной цепи.Взаимодействие магнитных потоков,созданных первичной обмоткой (обмоткой якоря), с токами в короткозамкнутыхконтурах направляющего полотна приводит к возникновению движущего усилия, по своей природе близкого к репульсионному. Наличие большого нсмагнитного зазора существенно уменьшает индуктивность секций обмотки якоря, что дает возможность использовать сравнительно высокую частоту питания. Это, в свою очередь, позволяет создать высокоскоростной электродвигатель, улучшить условия передачи электромагнитной энергии ца вторичный элемент и весогабаритные показатели,Магнцтопроводы охватыва от по вертикали направляющее полотно от его верхнего края до нижнего края прямоугольных отверстий, Таким Образом, в зоне действия магнитных потоков С-образных магнитопроводов находятся также верхнис (горизонтальные) перемычки над окнами, причем взаимодействие указанных магнитных потоков с токами на этих участках привол 1 к 1103 цикцовсцН) вс)Ик)лИОЙ составляющей усилия, дсйствук)ц 1 сго цд первичный элемент снизу вверх. Эта составляю 1 цяя обсспсчцвя.тся кяк в процессе двике ци 5,як и ц)11 скоросц, равной цул 0 иможет быть использована кяк для разгрузки цацравляощцх рельсов, так, в принципе, и для создания системы электродинамичсского подвеся. В этом случае такая сц стемд по существу оказывастся конструктивно совмещенной с собственно линейным электродвигателем, д сс работа нс требует потребления дополнительной энергии от источника питания.1) Реверс ц регулирование скорости могутпроисходить за счет сдвига первичного ЭЛСМСЦта Датгц)ка ЛЦЦСйЦОГО ПСРЕМЕЩЕЦЦЯ отцос 1 ггсльцо псрвц шого элемента электродвигателя. Регулирование скорости при пц танин коммутатора от сети псременноготокд может осуцсствляться также измененисм фазового сдвига импульсоз управления тцристоря)1 ц Относительно напряжения питания (широтно-импульсное управление),а 25 11 ри цитации от источника постоянного тока -- измепсцпсм частоты следования управляющих импульсов (частотное регулирование). Возможно тдккс и комбинированное регулирование скорости.З 0 Представленные цд фиг. 5, 7 схемы коммутаторов Обсспсчцва 1 от хорошее использование силовых вснтилей и исключают озможцость возникновения режимов короткого замыкания источника питания.35 Данная конструкция предусматриваеткак перемещение первичного элемента относительно неподвижного направляющего полотна, так и обратное перемещение.В последнем случае реализуется возможл 0 ность создания электродвигателя с вращающимся, например, дисковым ротором с отверстиями, шириной в половину полюсного деления, охвачецнымц снаружи С-образными магццтоцроводами с помещенной на .15 ццх обмоткой якоря, а также возможностьсоздания электрического транспортера или электри еского гусеничного движителя.Технико-экономическая целесообразностьприменения предлагаемой конструкции со стоит в повышении энергетических и весогабаритных показателей линейного электродвигателя рспульсионного типа, а такжс в улучшении использования его активных материалов,Формула изобретения1. Лццсйцый электродвигатель, содсркащий С-образный магнитопровод с размещенной на нем катушкой, подключенной к 50 источнику питания через вентильный коммутатор, и вторичный элемент в виде металлической полосы, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью улучшения энергетических показателей, оц снабжен дополнитель ными цссушцми кдтушки С-образными-1 магцитопроводамп, при этом катушки, размещенные ца расположенных через полюсное деление магнитопроводах, соединены между собой последовательно, а вторичцьш элемент выполнен с отверстиями прямоугольной формы, ширина которых и расстояние между которыми равно половине полюсного деления.2. Элсктродвигатсль по п. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что он снабжен дополнительными катушками, расположенными на магцитопроводах соосно первым катушкам и соединенными между собой аналогично пм,3. Электродвигатель по пп. 1 - 2, отл ич а ю ш и й с я тем, что магнитопроводы ввертикальном направлении охватывают5 часть вторичного элсмснта, расположеннуювыше нижнего края отверстий,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССР10195540, кл, Н 02 К 41/02, 1963,2. Патент ФРГ2029462, кл, 21 д 23,опублпк. 1973,Изд.216 Тираж 865 Посударственного комитета по делам изобретений и открытии 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5