Вентильный электродвигатель

ОПИСАН И Е ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических.382 (088.8) по делам изобретен и открытий 45) Дата опубликования описания 30,01.79 2) Автор изобретени Иностранец Вольфганг Келер(ГДР) странное предприятие ер Виссеншафтен дер ДДР(71) Заявитель Академ ЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ласти электлектрцческцм комм та ией Статор такого двигателя также состоит цз полюсов постоянных магнитов с поочередно меняющейся полярностью и полюсов переменной полярности, пцтающцхся от отдельного источника переменного напряжения, частота которого превышает частоту вращения двигателя, Частота эта должна быть равна частоте управления и находиться с ней в одной фазе. Изменение фазы (инверсия фазы) приводит к изменению направления вращения. Для этой цели в двигателе имеются прерывателц.Конструкция такого двигателя является компромиссной между требованиями, предъявляемыми к двигателю, ц затратами на его изготовление. Источник перемнного напряжения в таком двигателе расположен отдельно и не объединен с элементами двигателя. Каждой обмотке должен соответствовать управляемый выпрямитель. Вращающийся трансформатор должен быть развязан с магнитными контурами двигателя. Кроме дополнительных обмоток это приводит и к увеличению размеров двигателя, КПД такого двигателя меньше чем, например, у бесколлекторных двигателей постоянного тока.Цель изобретения состоит в упрощении Изобретение относится к ооротехники, в частности к эмашинам с бесконтактной ц секций.Известны вентильные электродвигатели 1, 2, содержащие ротор с обмотками и связанными с ними полупроводниковыми ключами и статор с полюсами, возбуждаемыми источником однонаправленной намагничивающей силы, и полюсами перемен ной полярности, обмотки которых подключены к источнику переменного тока.В двигателе 21 передача управляющего переменного напряжения к ключам ротора осуществляется с помощью обычного вра щающегося трансформатора, который прц достаточной чувствительности элементов ц небольших мощностях может быть даже заменен конденсаторами с подвижными ц неподвижными обкладками. Управляемые вы. прямители, например транзисторы, а именно их цепи эмиттер - коллектор, подключены параллельно к соответствующим отдельным рабочим обмоткам ротора. Управление всеми выпрямителями осуществляется в одной фазе через управляющие цепи этих транзисторов, подключенные параллельно к отдельным обмоткам трансформаторов,11 11650 69,3электрической схемы двигателя и повыше.нии энергетических показателей.Поставленная цель достигается тем, чтополюса для проведения постоянного потокавыполнены в виде примыкающих друг кдругу сегментов, полюса переменного потока установлены в пазах, расположенныхна границах сегментов, а генератор повышенной частоты содержит неподвижныеполупроводниковые элементы и обмоткиполюсов для проведения переменного потока,Обмотки полюсов переменного потока,одинаково расположенных относительнополюсов постоянного потока, объединеныпо крайней мере в две группы, все обмоткиполюсов каждой группы соединены с однимиз неподвижных полупроводниковых элементов.Статор выполнен из двух частей, расположенных по обе стороны от ротора, а каждая из частей содержит полюса для проведения постоянного и переменного потока.Полюса обеих частей статора соединенымежду собой общим магнитопроводом.На фиг. 1 показана принципиальная схема электродвигателя; на фиг. 2 - консгрукция электродвигателя с вращающимсяротором; на фиг. 3 - схема полупроводникового генератора для возбуждения одногополюса переменного потока; на фн 1. 4 -схема генератора для возбуждения двухполюсов переменного потока; на фиг. 5, а,б, в даны схемы роторов с диодами в качестве выпрямительных средств; на фиг. бприведена схема ротора с двумя транзисторами в качестве выпрямительпых средств;на фиг. 7 - схема ротора с симметричнымтранзистором; на фиг. 8 - схема ротора ссимметричным транзистором и последовательным включением роторных обмоток; нафиг. 9 - схема ротора с симметричнымтранзистором и параллельным соединениемроторных обмоток; на фиг. 10 - схема ротора с симметричным транзистором и последовательно-параллельным включениемроторных обмоток; на фиг. 11 показан четырехполюсный электродвигатель с осевымвоздушным зазором; на фиг, 12 дано сечение А - А на фиг. 11; на фиг, 13 представлен шестиполюсный электродвигатель с радиальным воздушным зазором в разрезе;на фиг. 14 - восьмиполюсный электродвигатель с осевым воздушным. зазором; нафиг. 15 изображена статорная часть электродвигателя; на фиг. 16 - роторная плата для электродвигателя по фиг. 14; нафиг. 17 - вариант электродвигателя, показанного на фиг, 14.Между двумя полюсами 1 и 2 постоянного магнита (фиг. 1) разной полярностиЖ и 5 находится полюс 3 переменного потока. Генератор 4 переменного напряжениясвязан с его катушкой 5. Над полюсами 1,2, 3 находится катушка 6, соединенная с 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 55 4выпрямителем 7. Катушка б расположена над одним полюсом постоянного магнита и по меньшей мере частично над полюсом 3 переменного потока. При изменении е о полярности в катушке индуцируется переменный ток, один полупериод которого подавляется. Этот ток в катушке б создает постоянное поле, которое приводит в движение катушку б в направлении, показанном на фиг. 1 стрелкой 8 пока момент, созданный током в катушке 9, не станет продолжать это движение.Для получения непрерывного движения достаточно трех полюсов и последовательно расположенных катушек на роторе, связанных с выпрямителями, Приводные катушки не обязательно должны каждая иметь свой отдельный выпрямитель. К одному выпрямителю могут быть подключены группы катушек, так что достаточно двух выпрямителей, подключенных параллельно к двум параллельно включенным противоположным катушкам ротора или последовательно двум последовательно включенным катушкам.Однополупериодный ток, наведенный потоком полюса 10 (фиг. 2) всегда протекает в двух противоположных катушках 11 и 12 ротора через выпрямитель 13 и в катушках 14, 15 через выпрямитель 16, так что обе катушки создают приводящий момент, взаимодействуя с полюсами 17 - 20 постоянного потока. В противоположность известным конструкциям, полюса переменного потока должны быть расположены не между всеми полюсами постоянных магнитов, так как при этом возникали бы моменты противоположного знака. Кроме показанного полюса 10 переменного потока для того же напавления вращения может быть использован еще только один полюс переменного потока, находящийся между постоянными полюсами 19 и 20.Если имеются полюса переменного потока между другими полюсами постоянного потока получается противоположный момент и противоположное направление вращения, так как фаза переменного напряжения на полюсах переменного потока не влияет на знак момента, а влияет только положение полюсов переменного потока между полюсами постоянного потока. Это позволяет осуществлять простое регулирование и управление направленным вращением за счет переключения полюсов переменного потока. Частота переменного напряжения может свободно выбираться из соображений повышения КПД и не требует изменения в процессе работы.Для работы электродвигателя достаточно одного полюса переменного потока (фиг. 2), однако выгодно иметь еще один полюс переменного потока по диагонали от первого, так как при этом лучше компенсируется асимметрия обмоток и полу 650169чается более равномерный вращающий момент. Из тех же соображений, а также потому, что это обеспечивает пуск цз самого невыгодного положения, целесообразно на роторе предусматривать по две системы приводных катушек, смещенных на половину угла, занимаемого одной системой. Эта вторая система катушек дает максимальный момент, когда в первый системе момент минимальный. Для самых простых электродвигателей вторая система не является непременным условием, потому что несимметрия при изготовлении достаточна для того, чтобы и с одной системой катушек иметь достаточный момент для трогания без нагрузки,Для полюсов переменного потока пригоден простой генератор повышенной частоты, построенный как генератор синусоиды с током, пропорциональным нагрузке. Пример схемы генератора показан на фиг. 3. При включении питания через транзистор 21 течет ток благодаря резистору 22, который из катушки 23 в цепи коллектора передается в катушку 24, определяющую частоту. Емкостный делитель напряжения, состоящий из малого конденсатора 25 ц конденсатора 26 большей емкости, подает часть напряжения с колебательного контура на базу транзистора 21, который запирается, пока вновь появившийся базовый ток не вызовет повторения всего процесса. Ферритовый сердечник 27, на котором намотаны катушки 23 и 24, образует полюс переменной полярности. Отобранная от него энергия определяет ток следующего процесса изменения полярности, откуда и получается ток, зависящий от нагрузки, Конденсатор 28, определяющий частоту, задает важную с точки зрения КПД скорость перезаряда.Когда полюса переменной полярности расположены так, как описано выше, то чтобы получить одно направление вращения, их можно питать от одного и того же генератора. (Пример запитки второго полюса 29 показан на фцг. 4).Наряду с простыми схемами генераторов могут использоваться также двухтактные схемы, однако они не дают преимуществ по КПД. Это особенно справедливо, когда регулирование скорости производится регулированием параметров генератора. Оно может производиться, например, посредством изменения сопротивления резистора между базой транзистора 21 ц его эмиттером, причем ток потребления от источника уменьшается почти пропорционально умен.,- шению отбираемого переменного тока. В противоположность обычному регулированию электродвигателей постоянного тока КПД при этом остается постоянно высоПри отсутствии регулирования ток потребления от источника питания пропорцц 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 онален нагрузке, так что на холостом ходу потребляется очень малая энергия. Это важно прц использовании двигателя в приборах с батарейным питанием, в которых от двигателя полная мощность требуется в большинстве случаев только при разгоне.Таким же способом, как регулирование скорости, можно получить регулирование по положению в электродвигателе, рассчитанном на оба направления вращения, с очень точной установкой вплоть до останова электродвигателя. Эта возможность схемно отражена на фиг, 4. Если один генератор (фиг. 4) используется для прямого хода, а второй для обратного, то установочный потецццометр 30 может быть также заменен мостовой схемой с датчиками задаваемого ц фактического значения. Если движок стоит посередине или соответственно мост сбалансирован, то на приводные катушки двигателя в обоих направлениях действуют одинаковые моменты, что позволяет получить точную остановку или торможение в нужном положении.Возможно также дискретное управление при переключении переключателя 31. В качестве переключателя 31 может использоваться и электронный переключатель, и логические элементы. Для дискретного регулирования оборотов достаточно было бы половины переключателя 31, которая закорачивала бы промежуток эмиттер - база транзистора 21 накоротко или через добавочное сопротивление.Разница между схемами генераторов фиг, 4 состоит в различном подключении добавочного полюса 29 переменного потока. В одном из нцх делится только катушка 24, а в другом катушка 23 также состоит из двух частей, Возможны также другие схемы соединения, например разделение только катушек связи, последовательное соединение катушек илц смешанное последовательно - параллельное. При этом только надо обеспечивать связь для получения достаточного переменного напряжения для соответствующих условий передачи,Соединение приводных катушек ротора с выпрямительнымн средствами может осуществляться по-разному ц зависит от числа полюсов, катушек, выпрямителей и от цх типа ц свойств.На фиг, 5, а, б ив показаны трц основные схемы с диодами. В варцантс 5, а каждая приводная катушка 32 имеет свой диод 33, в варианте 5, б диод 33 включен параллельно двум катушкам 32 ц 34, цз которых только приводная катушка 32 взаимодействует с гецераторной катушкой 35. Незапцтацная приводная катушка представляет для переменного тока высокое индуктивное сопротивление. Так же действуют последовательно соединенные приводные катушкц 32, 34, в варианте 5,в. Связанная здесь с генераторной катушкой 35 приводная ка7тушка 34 может проводить ток только в направлении проводимости диода 33, ток протекает и через вторую приводную катушку 32. Она представляет собой пагрузочное сопротивление и действует в данный момент так, как в известных конструкциях действуют приводные катушки, запитанные от отдельной катушки связи. Возможно совместное соединение по две катушки.В схеме ротора двухполюсного двигателя по фиг. 6 в качестве выпрямительных средств используются два транзистора 36, 37, включенных антипараллельно. Из приводных катушек 32, 34 катушка 34 в данный момент связана с генераторной катушкой 35. Во время одного полупериода транзистор 36 имеет напряжение на базе, делающее его проводящим, и получается полу- период проводимости тока через обе приводные катушки и переход коллектор - эмиттер транзистора 36, При связи катушки 32 получается противоположное направление тока через катушки и транзистор 37, Добавочная катушка 38 создает сдвиг фазы, обеспечивающий оптимальное время открытого состояния и за счет этого лучший КПД. Резистор 39 ограничивает ток базы до допустимого значения.На фиг. 7 показана такая же схема только с использованием двухполярного симметричного транзистора 40 вместо обоих раздельных транзисторов 36 и 37.В многополюсных двигателях на одной роторной плате могут находиться несколько схем по фиг. 6 или фиг Однако и здесь несколько катушек (две или более) могут быть соединены последовательно (фиг. 8) или параллельно (фиг. 9), комбинированно параллельно-последовательно (фиг, 10) совместно с одним транзистором 40, или антипараллельной парой транзисторов 36, 3. В зависимости от выбранных параметров элементов получаются несколько различающиеся КПД. При схемах роторов по фиг. 9 и 10 легко, как показано, генераторными катушками 35 и 35 возбуждать сразу несколько приводных катушек одновременно, что благотворно сказывается на связи и КПД.Для лучшего различения последовательности приводных катушек на роторной плате эти катушки на фиг. 8 - 10 от 41 до 48 имеют такие номера, что их последовательность идет по окружности, В соответствии со своим расположением они должны быть так включены относительно соседних постоянных полюсов, чтобы получалось одно направление вращения. Как последовательные, так и параллельные схемы включения могут применяться таким же образом и при большом количестве полюсов машины,На фиг. 11, 12 представлен четырехполюсный двигатель, ротор которого связан с валом 49. В кожухе 50 из любого, но предпочтительно магнитопроводящего ма 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 8териала, например из жести, находится оксиднокерамический кольцевой магнит 51 с двумя парами полюсов. В выемках этого кольцевого магнита 51, находящихся на границах между полюсами, расположены в качестве полюсов переменной полярности катушки с ферритовыми сердечниками 52 - 55 на достаточном расстоянии от кожуха 50. Выполнение кожуха 50 квадратной формы оставляет в его углах достаточно места для размещения элементов генераторов, которые показаны в виде блоков 56. Внутренняя поверхность 57 кольцевого магнита 51 оставляет достаточно места для подшипников 58, выпрямительных средств 59 и при необходимости тахогенераторов 60 и подобных устройств,На фиг. 13 показано, как используется внутреннее пространство 57 и обеспечивается замыкание магнитных цепей и как размещены блоки 56 элементов генераторов. Катушки с ферритовыми сердечниками 52, 54 имеют детали 61, замыкающие магнитную цепь, Для повышения КПД выгодно размещать генераторные катушки по возможности ближе к роторной плате 62, иначе при высоких частотах поля рассеяния имеют вредное влияние на действенную передачу энергии в приводные катушки.Как внутренняя часть 63, так и наружная часть 64 статора состоит из магнитопроводящего материала. Обе части могут быть, например, спрессованы из феррита. На выступах 65 внутренней части 63 намотаны генераторные катушки. Во внутреннем пространстве 66 могут, кроме подшипников, располагаться генераторы, Генераторные катушки могут также размещаться на выступах 67 внешней части 64, если это не встречает трудностей из-за очень малых размеров мотора, Приводные катушки находятся на роторном кольце 68, которое вращается в подшипниках по краям. В промежутках обеих частей статора 63, 64 заложены магнитные сегменты 69 и оксидокерамики с радиальным намагничиванием.Возможность изготовления всего мотора прессованием, литьем, литьем под давлением, спеканием и подобной технологией может вместе с применением интегральных схем и построением с осевым рабочим зазором привести к значительному снижению затрат на производство для высококачественных двигателей. (Такие моторы показаны на фиг. 14 - 17) .Корпус электродвигателя (фиг, 14) образуется чашкой 70 и крышкой 71 из ферритового материала. Могут быть также использованы две одинаковые чашки, линия раздела которых лежит в середине их осевого размера. В чашку 70 вставлено оксиднокерамическое магнитное кольцо 72. Оно может держаться за счет магнитного действия, может быть запрессовано или вклеено или укреплено любым способом. В вы 650169 10емках 73 магнитного кольца 72 находятся ферритовые сердечники 74, выполненные за одно целое с чашкой 70 или вставленные и укрепленные любым способом, Они заканчиваются на одном уровне с поверхностью магнитного кольца 72 и несут генераторные обмотки 75, которые также заканчиваются на уровне поверхности. Чашка 70 и крышка 71 имеют в центрах подшипники 76 для оси ротора 77. Роторная шейка 78 имеет в районе оси в области, свободной от магнитного кольца 72, выпрямительные средства 79. В остальном свободном пространстве показан еще один блок с элементами 80, который может содержать элементы генераторов и тахогенератор.На фиг. 15 показан восьмиполюсный электродвигатель, вид сверху на чашку 70 с магнитным кольцом 72 при снятой крышке 71 и роторе 77, 78, 79. Генераторньте катушки для разных направлений вращения замаркированы точками или крестами в середине. При другом количестве полюсов форма устройства сохраняется, и всегда полюса переменной полярности, находящиеся на переходе от северного к южному посто. янному полюсу служат для вращения в одну сторону, а полюса переменной полярности на переходе от южного к северному полюсу постоянных магнитов при том ттте направлении обхода служат для вращения в обратную сторону, Обычно применяется по два полюса переменной полярности для каждого направления вращения. Такое их количество достаточно для любого числа при условии, что используется соответствующая схема ротора.На фиг. 1 б представлен ротор для восьмиполюсного электродвигателя, Способ намотки выбран произвольно, и может выполняться известными способами. Приводные катутцки 81 так расположены ня плате 78 ротора, что перекрещивания имеют место вне эффективной площади действия полюсов (в показанном способе намотки только в свободной средней части). Если перекрещивания попадают на наружный край, то можно часть обмоток утопить в углублении между магнитным кольцом 72 и чашкой 70. Выпрямительные средства 79 расположены в средней части ротора, вокруг осп 77. Для лучшей балансировки и жесткости они могут быть там залиты,На фиг. 17 показан улучшенный вариант электродвттгателя, который за счет двойного статора имеет лу ппее замыкание магнитной цепи и мепьптпе потери на рассеивание. По возможности выполнятот две одинаковые части, так что весь статор требует всего два - три инструмента для литья под 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 давлением, прессовки или отливки. Для ротора, кроме намоточного устройства для катушек роторной платы 78, еще требуется комбинированное устройство для монтажа, заправки углов и крепления фотора. В качестве оси 77 и подшипников 76 могут использоваться стандартные части. Чтобы дать возможность обработки всей обращенной к ротору поверхности статора, например, методами плоской шлифовки, предусмотрено промежуточное кольцо 82 между чашками 70 корпуса. Оно также может являться частью одной из чашек, если предусмотреть соответствующий вкладыш в инструмент, или обеих чашек 70. Для двигателей с невысокими требованиями к точности воздушного зазора можно обе чашки изготовлять с выемками посредине, и чашки соединять кольцом, или осевыми винтамп, или склеиванием. Обработки резанием можно избежать вовсе и производить моторы с высокими качествами. Известные способы и варианты также являются применимы. Формула изобретения1. Вентильный электродвигатель, содержащий немагнитный ротор с обмоткой, секции которой соединены с силовыми и управляющими цепями установленных на нем полупроводниковых элементов, и статор с равномерно распределенными полюсами постоянного магнитного потока и расположенными между ними полюсами переменного магнитного потока, обмотки которых соединены с неподвижными полупроводниковыми элементами генератора повышенной частоты, отличающийся тем, что, с целью упрощения электрической схемы и повышения энергетических показателей, полюса для проведения постоянного потока выполнены в виде прттлтьткающих друг к другу сегментов, полюса переменного потока установлены в пазах, расположенных на границах сегментов, а генератор повышенной частоты содержит неподвижные полупроводниковые элементы и обллотки полюсов переменного потока.2. Электродвигатель по и. 1, отличающ и й с я тем, что обмотки полюсов переменного потока, одинаково расположенных относительно полюсов постоянного потока, объединены по крайней лтере в две группы, все обмотки полюсов каждой группы соединены с однттлт ттз неполвтткньтх полупроводниковых элементов.3. Электродвттгатель по пп. 1, 2, отл ич а ю гтт и й с я тем, что статор выполнен в виде двух частей, расположенных по обе стороны от ротора, а каждая из частей со650169 Р 5 изиг. Р иг гздержит полюса постоянного и переменного потоков.4. Электродвигатель по пп. 1, 2 и 3, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что полюса обеих частей статора соединены между сооой общим магнитопроводом,12 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Патент ФРГ1268262, кл. 210 39,1965. 5 2. Патент ФРГ1265277, кл, 21 У 39,1962,6501697 ч I го 7 и ч чр"г т 7Составитель А. Санталов едактор Т. Рыбалова Техред Н. Строганова Корректор Т. Добровольская аказ 93/16 Изд,194 Тираж 865 Подписное НПО Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушскап наб., д. 4,5пография, пр. Сапунов