Вентильный электродвигатель

Союз СоветскмхСоцмапнсткческихРеспублик ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(и 765946 61) Дополнительное к авт, саид-ву22) Зая влено 04.05.77 (21) 2481219/24 0 М. Кл.Н 02 К 2/04 рисоединением заявки М судврственнье номатет СССР о делам нзобретеннй н открытой. Баранов Московское ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени высшее техническое училище нм. Н.Э. Баумана(54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛ Изобретение относится кики, к электродвигателям ласти электротехбесконтактной коммутациеи.Известны вентильные электродвигатели репульсионного типа, первичная обмотка которых расположена на роторе и питается от источникаоднофазного переменного тока через кольца ищетки, а вторичная обмотка (обмотка якоря)помещена в пазах статора. Токи в обмотке яко 1ря коммутируются с помощью управляемыхвентилей 111 ОИх недостаток - низкие энергетические показатели и большой момент инерции,Известны также конструкции, в которых первичной обмоткой, подключенной к однофазному5источнику питания, является обмотка якоря,а вторичная короткозамкнутая обмотка расположена на роторе. В частном случае статор такого двигателя может содержать внешний ивнутренний магнитопроводы, а короткозамкнутыйротор может быть выполнен в виде помещенного между ними тонкостенного электроприводного цилиндра с отверстиями, например,прямоугольной формы, вокрут которых замы 2каются наведенные полем статора переменные токи, Такая конструкция позволяет обеспечить малый момент инерции ротора и высокое быст. роденствне 2 .Однако репульсионный электродвигатель, обеспечивая возбуждение короткозамкнутой обмотки ротора пульсирующим магнитным полем статора, не позволяет (в отличие, например, от двигателя постоянного тока) использо вать пространственный сдвиг между магнитными осями обмоток статора и ротора, равный половине полюсного деления, при котором обеспечи. вается, при прочих равных условиях, максимальное значение электромагнитного момента, что ухудшает его энергетические и несо-габаритные показатели. Механическая характеристика репуль. сионного электродвигателя имеет гиперболический характер, тогда как для исполнительных двигателей в системе автоматизированного элект. ропривода чаше .ребуется, чтобы она была достаточно жесткой. Реверс репульсионного электродвигателя известных конструкций обеспечива. ется только за счет пространственного сдвига оси магнитного поля статора относительно оси46 4 на плоскость с указанием направлений силовыхлиний магнитных полей обмотки возбужденияи 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 време.ни в случае применения схемы коммутаторана фиг. 4; на фиг. 6 - вариант схемы коммутатора с питанием от сети однофазного переынного тока,Активная часть статора электродвигателя со.стоит из цилиндрических магнитопроводов внешнего статора 1 с уложенной в его пазы обмоткойякоря 2 и внутреннего статора З,На статоре за.креплены 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 согласнои подключенными к источнику однофазного переменного тока. Внугренний и внешний цилиндрические пакеты 4 и 5 должны иметь хотя быодин поперечный разрез с тем, чтобы кольцевыепластины этих пакетов не могли представлятьсобой короткозамкнутых контуров, сцепляющихся с аксиальными магнитными потоками П-образных магнитопроводов 6, Пилиндрические пакеты 4 и 5 1 см. фиг, 2) имеют по два поперечных разреза и выполнены таким образом в видедвух нолуколец, С этой же целью магнитопроводы 4, 5 и 6 крепятся на статоре с помощьювтулок 8 и 9, изготовленных из какого-либоизоляционного материала, например пластмассы,Внутренняя втулка 9, а также пакет внутреннего статора 3 крепятся на цилиндрическом выступе подшипникового щита.Ротор 10 электродвигателя выполнен в видетонкостенного электропроводного стакана с ци.линдрической рабочей поверхностью, закрепленного на валу, свободно вращающемся внутрицилиндрического выступа.Более подробно конструкция ротора 10 представлена на фиг. 3, где его цилиндрическая рабочая поверхность изображена в развертке наплоскость. Эта поверхность разделена продольными щелями 11 с расстоянием между ними,равным 2 г, где т - полюсное деление обмоткиякоря электродвигателя. Между щелями в поверхности ротора выполнены Т-образные отверстия 12, причем расстояние между осями сим.метрии этих отверстий равно двум полюснымделениям, а расстояние между осью симметрииТ-образного отверстия иближайшими к немупродольными щелями равно полюсному делению.Со стороны широкой части Т.образных отверстий поверхность ротора охватывается снаружи 10 15 20 ЗО 35 40 45 50 55 охватывающие ротор со стороны широкой части Т-образных отверстий, например, в виде внешнего и внутреннего по отношению к ротору ферромагнитных пакетов, замкнутых П-образнымимагнитопроводами с помещенными на них ка.тущечными обмотками возбуждения,соединенны. ми между собой последовательно и согласно и подключенными к источнику однофазного переменного тока.Таким образом, предлагаемый электродвигагель 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 конст. рукции 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.градфазы то ков в секциях обмотки якоря или опрокиды. вания 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 - разверт 1 са цилиндрической рабочей поверхности ротора 3 7659магнитного поля ротора, что существенно ус.ложняет конструкцию дачика углового положения ротора и систему управления,Оелью изобретения является улучшение энергетических и регулировочных характеристикэлектродвигателя репульсионного типа,Это достигается тем, что цилиндрическая ра.бочая 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.образнойформы, с расстоянием между осями симметрииэтих отверстий, равным двум полюсным делениям, и с расстоянием между осью симметрииотверстия и ближайшими к нему продольнымищелями, равными полюсному делению. На ста.торе, , кроме внешнего и внутреннего магнитопроводов с обмоткой якоря, закреплены аксиальные магнитопроводы с обмоткой возбуждения5 765946 6и изнутри манитопроводами 4 и 5 и нронизы- В схеме коммутатора электродвигателя свается аксиальным магнитным потоком, создан. питанием от сети однофазного переменного то.ным катушечными обмотками возбуждения 7, ка (см, фнг. 6) полусекция 13 включена впомещенными на П.образных магнитопроводах 6. диагональ мостовой схемы, образованной упНа фиг, 3 показано мгновенное направлениеравляемымн вентилями (тирнсторами) 24, 25,силовых линий этого потока внутри широкой 26 и 27. Полусекшя 14 включена в диагональчасти Т-образных отверстий, Аксиальный пере- аналогичной мостовой схемы, образованнойменный 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 ц вых схем.Аналогично включены полусекцииктиром со стрелками, Остальная часть рабочей .остальных секций обмотки якоря. Такая схемаповерхности ротора находится в зоне действия коммутатора исключает возникновение режимоврадиального магнитного потока, созданного об- короткого замыкания источника питания.моткой якоря и замыкающегося по магнито- Электродвигатель работает следующим обпроводам внешнегои внутреннего 3 статоров. 1 разом.Мгновенное направление силовых линий этогоСозданный обмоткой возбуждения аксиальныйпотока показано на фиг, 3 внутри кружков.переменный магнитный поток наводит в коротВ схеме (см. фиг. 4) одного из возможных козамкнутых контурах ротора переменные ЭДСвариантов коммутатора электродвигателя с пита- и токи, которые из-за наличия продольных щением от источника постоянного тока в качестве лей 11 могут замыкаться только по контурам,управляемых вентилей применены транзисторы. указанным на фиг. 3, т.е. вокруг Т.образныхВ случае применения этой схемы каждая секция отверстий 12. В зоне действия переменного магобмотки якоря должна быть намотана двоньм нитного потока обмотки якоря в пределах кажпроводом и должна состоять из двух одинако- дого полюсного деления т, ограниченного провых полусекпий, например 13 и 14. Одноимен дольной щелью и узкой частью Т-образного от.ные зажимы обмоток (например, начала) отме- верстня, направления индуктированных токовчены точками. Обмотки последовательно с в каждый момент вермени одинаковы, а в пре.ними соединенными транзисторами (например, делах двух соседних полюсных делений - проти.15 и 16) непосредственно подключены к клем- воположны, Таким образом, индуктированныемам источника питания, В обшейточке каждые токи в зоне действия потока обмотки якорядве полусекции соединены своими разноименны- образуют переменно-полюсную систему, причемми 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 пред.тельность импульсов 17 подается, например, на ставлена четырехполюсная конструкция электро.35базу транзистора 15, а последовательность 18 - двигателя с двумя Т образными отверстиями.на базу транзистора 16. Аналогично управляют- Секачи обмотки якоря в этом случае выполненыся транзисторы остальных секций. Позицией 19 сшагом,равнымчетвертиокружности,Протекаобозначены напряжение одной из выходных об- ющиепообмоткамякорятокисоздаютпеременмоток датчика углового положения ротора, на ные магнитные потоки, которые в каждый моментпример, 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. Возникающие45соответствует 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 секцияхсов тока в одной из двух нолусекций (напри- обмотки якоря, пространственно смещены отномер, 13) секции якоря. Позицией 22 обоэначе- сительно друг друга на половину полюсного де 5 Вна последовательность импульсов тока во вто- пения,рой полусекции 14 данной секции якоря, а но. Для нормальной работы электродвигателязицией 23 - переменный ток в обмотке воэ- необходимо, чтобы взаимная пространственнаябуждения, образованный последовательным со-, ориентация укаэанных магнитных полей в проецинением катушечных обмоток 7, синхронизи- цессе вращенияротора не менялась, что и обес 55рованный 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 .1 усекциях обмотки якоря, создаваемое обмоткой возбуждения, является76594неподвижным в пространстве и пульсирующимс 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 Т-образных отверстий 12, замыкается по кольцевым магнитопроводам 4 и 5 и далее по П-образным аксиальным элемсн о там 6, сцепляясь с обмоткой возбуждения. По отношению к обмотке возбуждения он являет. ся размагничивающим, как в обычном трансформаторе. Псременно-полюсный магнитный поток, созданный токами ротора в зоне действия об мотки якоря, является радиальным и замыкаст 1 ся по магнитопроводам внешнего 1 и и внутреннего 3 статора, сцепляясь с обмоткой якоря 2, По отношению к обмотке статора он является потоком возбуждения. В процессе вращения ро- эО тора магнитный поток наводит в обмотке ЭДС вращения, что и позволяет считать обмотку 2 обмот. кой 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).ЗОКоммутация токов в секциях обмотки якоря с частотой вращения, осуществляемая по сигналам датчика углового положения ротора, со. стоит 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, 49При 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 импульсовтока 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 (т, 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 управле ния 17 и 18 с одного транзистора данной сек ции на другой, что приводит к опрокидываниюфазы суммарного магнитного поока, создава.емого токами двух полусскций данной секцииякоря,Аналогичные функции выполняет коммутатор на тиристорах с питанием от сети однофаз.ного переменного тока (см. фиг. 6). В этомслучае дожны быть сформированы две последовательности импульсов управления тиристорами,синхронизированные с переменным напряжени.ем питания и сдвинутые одна относительно другой на половину периода. При подаче в одиниз полупериодов напряжения питания последовательности импульсов управления на тиристо.ры 24, 25, 26 и 27 ток замыкается по цепи:тиристор 24, полусекция 13, тиристор 27.В следующий полупериод полярность напряжения питания на клеммах изменится, и при по.даче 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). Магнитныйпоток, созданный суммарным действием токовв двух полусекциях, является переменным, пульсирующим с частотой питания, Если осуществитьпереключение последовательностей импульсовуправления, т,е. в первый из указанных полупериодов подавать импульсы управления на тиристоры 26, 27, 28 и 29, а во второй - на тирис.торы 24, 25, 26 и 27, произойдет опрокидывание фазы суммарного магнитного потока двухполусекций на 180 эл,град.Управление скоростью вращения ротора элект.родвигателя осуществляется с помощью широтноимпульсного регулирования токов в секцияхобмотки. якоря за счет изменения ширины импульсов управления 17 и 18, подаваемых набазу транзисторов, коммутатора по схеме, представленной на фиг, 4, или за счет сдвига вовремени последовательностей импульсов управления тиристорами коммутатора по схеме - нафиг. 6 относительно переменного напряженияпитания, 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 магнитныхпотоков всех секций обмотки якоря при неизменной фазе напряжения на обмотке возбуждения или, наоборот, опрокидыванием фазы напря.жения на обмотке возбуждения.Так как при работе электродвигателя ЭДСвращения наводятся только в обмотке якоря,а в короткозамкнутых контурах ротора ониотсутствуют, в процессе вращения на ротор электромагнитным путем передается сравнительно небольшая часть мошности, потребляемой электродвигателем от сети. Это особенно важно в связи с тем, что немагнитный зазор в кон.5 струкциях с полым ротором получается достаточно большим. С другой стороны наличие увеличенного немагнитного зазора существенно уменьшает индуктивность секций обмотки якоря, что увеличивает надежность коммуташщ и позволяет использовать 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- 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.35 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.40Технико. экономическая целесообразность применения предложенной конструкиии состоит в существенном улучшении регулировочных харак. теристик, а также улучшении энергетических показателей 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 ицилиндрической рабочей поверхностью, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью улучшения энергетических и регулировочных характеристик электродвигателя, двигатель снабжен закрепленными на статоре аксиальными магии. топроводами с обмоткой возбуждения, подклю-. ченной 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 магнитопроводами 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 поверхнос ти 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 злектродви. гателя.3Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССР Р 421094,кл, Н 02 К 29/04, 1961.2. Патент ФРГ Р 1257952, кл. 21 б 41,1968.765946 Составитель А. Са Техред М,Рейве ов рректор В. Бутяга льдман едактор Тираж 783НИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий13035, Москва, Ж.35, Раушская наб д. 4 аказ 6523/50 одписно Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная,