Линейный электродвигатель

Союз СоаетскнхСоциалистическимиРеспубпнк ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ р 736286 К АВТОРСКОМУ. СВИДЕТЕЛЬСТВУ(23) ПриоритетОпубликовано 250580, Бюллетень Ио 1 ЧДата опубликования описания 250580(51)М. Кл.2 Н 02 К 41/02 Государственный комитет СССР оо делам изооретений и открытиИ(72) Автор изобретения Е, Н, Баранов Московское ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени высшее техническое училище им. Н.Э, Баумана(54) ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Изобретение относится к электодвигателям с линейным перемещением,например, для транспортных устройств,Известен линейный электродвигатель,5содержащий С-образный магнитопро. вод с размещенной на нем катушкой,подключенной к источнику питания через вентильный коммутатор, и вторичный элемент в виде металлическойполосы (1),Известен н другой линейный электродвигатель, содержащий индуктор,включающий магнитопровод с обмоткой, секции которой подключены к источнику через вентильный коммутатор,и вторичный элемент, выполненныйв виде направляющего полотна (2,Такой электродвигатель являетсянаиболее близким кпредложенному потехнической сущности.Однако при таких габаритах электродвигателя трудно получать величину вертикального усилия, обеспечивающую полный подвес экипажа,25Целью изобретения является обеспечение усилий электромагнитногоподвеса.Это достигается тем, что направляющее полотно представляет собой ЗО металлический элемент П-образногосечения, например швеллер, в котором размещен шихтованный ферромагнитный пакет, отделенный от внутренней горизонтальной поверхностиП-образного элемента изолирующейпрокладкой н оттирающийся снизу напоперечные электропроводные перетькн, соединенные с краями П-образноэлемента механически и электрически расположенные вдоль направляющегполотна на расстоянии одна от другой, равном полюсному делению. Для обеспечения возможности регулирования усилий подвеса по длине индуктора каждая секция обмотки разделена по длине на две одинаковые полусекции,.расстояние между началом н концом каждой из которых равно 1 (дт 2-1), где т. - полюсное деление, тд - число полюсных делений в пределах длины индуктора, причем щ - число четное, а расстояние между концом одной и началом второй полу- секции составляет одно полюсное деление.На фиг. 1 схематически изображен предложенный электродвигатель, поперечный разрез," на Фиг, 2 - направ 736286ляющее полотно на фиг. 3 - магяятопровод индуктора и первичная обмотка; на фиг, 4 - электродвигатель,продольный разрез и картина замыкания силовых линий магнитного поля,созданного токами первичной обмотки 1 иа Фиг. 5 - картина распределе 5ия силовых линий магнитного поляндукторав горизонтальной плоскостинаправляющего полотна и направлениеиндуктироваиных в нем токов, а такженаправление возникающих электромагнитных тяговых усилий на фиг. б - основной элемент схемы вентильногокоммутатора электродвигателя, один ив вариантов на фиг. 7, 8, 9 показаны элементы датчика линейного перемещения иа Фиг. 10 показаны графики электромагнитных процессов в электродвигателе, как Функции времени; на фиг,11 - первичная обмотка с полусекцияьв, выполненными в виде пос ледовательиого,соединения сосредоточения обмоток .(катушек), вариант;на Фиг. 12 - электродвигатель, продольный разрез, а также картина распределения силовых линий магнитного 25поля первичной обмотки выполненнойсогласно фиг.11Ъктйвйая часть первичного элемента электродвигателя - индуктора представляЕт собой линейный магяито провод 1 с размещенной в его пазах первичной обмоткой 2. Вторичяый элемент - направляющее полотно - состоит нз металлического элемента 3 П-образного сечения (швеллера), в котором размещен магнитопровод вторичного элемента - ферромагнитный пакет 4,набранный из полос металла, отделенный от внутренней горизонтальной поверхности П-образного элемента. изолирующей прокладкой 5 и опирающийся 40снизу на поперечные электропроводные перемычки б шириной не более половины полюсного деления %; электродвигателя. Перемычки соединения с края- Рмн П-.образного элемента механическии электрически, например, с помощьюсварки н расположены на расстоянииСодна от другой. Линейный магнитопровод 1 индуктора расположен под яаправляющнк полотном напротив ферромагнитного пакета 4. По условиям устойчивой работы систем подвеса желательноприменять на экипаже два линейныхэлектродвигателя, смонтированных наобщей платформе 7 (фиг,1). Направляющее полотно на фяг, 2. показано в положении, обратном рабочему на фиг.1.Элемент 3 и соединенные с ним перемычки 6 образуют электропроводяые короткозамкяутые контуры как в горизонтальной, так и в вертикальных бОплоскостях, пути замыкания токоз покоторым показаны иа фиг,2 пуя 1 ктирнымя линиями. Для уменьшения влияниявихревых токов каждая перемычка 6может быть разделена яескольк 1 ими про дольными щелями, т.е. смонтирована из нескольких полос, соединенных сваркой с краями швеллера, Желательно, чтобы переьичкя б также отделялись от ферромагнитного пакета 4 слоем изолятора.На фиг, 3 изображен магнитопровод 1 индуктора, в пазах которого показаны.одновитковые секции первичной обмотки. Горизонтальные поверхности зубцовых выступов магнитопровода заштрихованы,В качестве примера показана четырехсекциояная обмотка, выполненная с шагом равным полюсяому делению электродвигателя. Длина магнитопровода яядуктора равна четному числу полюсных делений, в данном случае четырем. Каждая секция разделена по длине на две одинаковые полусекцяи, например 8 и 9, 10 и 11, 12 и 13, 14 и 15, Расстояние между концом одной полусекции (например 8) и началом другой полу- секции (яапример 9) данной секции равно полюсяому делению Г, а расстояние между началом и концом полу- секции равно В(в/2-1), где в число полюсных делений в пределах длины магяитопровода иядуктора. В данном случае в=4, следовательно каждая полусекция занимает ло длияе одно полюсное деление, На фиг. 3 показаны стрелками направления токов в полусекциях (полусекцяи 14 и 15 находятся в рассматриваемый момент времейи в режиме коммутации и поэтому разомкнуты), а также мгновенные направления созданных этими токами силовых линий магнитного поля индуктора (в кружках) . На фиг. 4 пунктиром показаны пути заьыкаяия этих силовых линий в вертикальной плоскости, по магнитопроводам индуктора и направляющего полотна при аналогичных направлениях токов в полусекциях обмотки, При этом магнитное поле индуктора является перемеянополюсным. Сцепляясь с короткозамкяутыми контурамн направляющего полот- на, переменный магнитный поток ян-. дуктора наводит в яях ЭДС и токи, замыкающиеся по контурам, показаяяым на фяг.2. Направления этих токов в пределах поперечных перемычек б показаны стрелками яа фиг.5, где дана картина распределения силовых линий магнитного поля иядуктора в горизонтальной плоскости направляющего полотна. Взаимодействие этих токов с магнитным потоком индуктора определяет появление продольных электромагнитных усилий Г, действующих на поперечные перемычки.На фиг. б приведен основной функциональный элемент одной из возможных схем коммутатора электроднигателя спитанием от сети однофазного переменного тока. Каждая полу- секция первичной обмотки (например 8включена в диагональ мостовой схема, образованной управляеьвми вентилями 16-23 (тиристорами). Каждое плечо мостовой схемю образовано парой встречно-параллельных вентилей.На фиг. 7,8,9 представлен один из возможных вариантов конструкции датчика линейного перемещения, функции которого аналогичны функциям датчика углового положения ротора в вентильных электрических машинах с вращающимся ротором, В качестве первичных элементов датчика применены трансформаторы 24 с Ш -образными сердечниками, на которых размещены подключенная к источнику однофазного переменного тока первичная обмотка 25 и выходная обмотка 26, В целом каждый первичный элемент датчика представляет собой схему дифференциального трансформатора. На фиг,8,9 показаны также мгновенные направления токов в первичных обмотках 25 и пунктиром - мгновенные направления силовых линий магнитного поля, создаваемого первичной обмоткой, Число указанных дифференциальных трансформаторов равно числу секций .первичной обмотки индуктора, личейное расстояние между ними соответствует расстоянию между началами двух соседних полусекций, например 8 и 10, на фиг. 3.В качестве вторичного элемента датчика линейного перемещения используются последовательно расположенные полосы 27 , 28 Ферромагнитного металла, каждая длиной ( причем соседние полосы смещены в поперечном направлении таким образом, что средний стержень магнитопроводов дифФеренциальных трансформаторов постоянно находится напротив среднего ферромагнитного участка вторичного элемента датчика, а из двух крайних стержней в пределах каждого полюсного деления напротив Ферромагнитной ленты расположен только один, (фиг,8,9).На фиг, 10 представлены графики электромагнитных процессов электродвигателя как функции времени где 29 - напряжение источника питания, 30 - ЭДС выходной обмотки 26 одного из дифференциальных трансформаторов датчика линейного перемещения, соответствующего, например, первой секции обмотки индуктора, состоящей из полусекций 8 и 9, 31 - управляющее напряжение формируемое по сигналам датчика линейного перемещения, 32, 33 - последовательности импульсов управления тиристорами коммутатора, синхронизированные с напряжением источника питания и сдвинутые по времени на половину периода. Последовательность импульсов 32 подается, например, на управляющие электроды тиристоров 16,19,2)по:леловательность ЗЗ - на управляющие электродытири ст оров 17 18, 20, 2 3, Ан ало ги чноуправляются вентили остальных полусекций, 34 - последовательность импульсов тока в двух полусекциях,например 8 и 9, обмотки нндуктора.На фнг. 11, 12 показана первичнаяобмотка 2 индуктора, где полусекции(напримео 12 и 13 на Фиг.11) каждойсекции первичной обмотки выполненыв виде последовательного соединениясосредоточенных обмоток (катушек),обхватывающих поперечное сечение магнитопровода индуктора. Верхние проводники катушек помещены в пазы магнитопровода индуктора 1 (на фиг,11пазы не показаны). Катушки, расположенные на расстоянииодна отдругой, соединень 1 между собой встречно и при обтекании их током создаютв каждый момент времени системуполюсов чередующейся полярности,аналогичную той, которая создаетсяобычной распределенной обмоткой,представленной на Фиг. 3, Соответственно и распределение силовых линий магнитного поля, созданногоэтой обмоткой и показанное на Фиг,12в виде пунктирных линий, а также ипринцип возникновения электродинамических тяговых усйлий, не отличаются от представленных на фиг.4.Электродвигатель работает следующим образом,Каждый дифференциальный трансФорматор датчика линейного перемещения в процессе движения обеспечиваетциклическое опрокидывание фазы ЭДС(ЗО) выходной обмотки, как это показ ано на Фи г. 10 (момент времени1 ) . Действительно, средние стержнимагнитопровода 24, датчика в процессе движе ни я постоянно н аходят сяпроив Ферромагнитных участков полос 27 или 28, а боковые стержнив пределах каждого полюсного деления попеременно оказываются либонапротив ферромагнитных элементов,либо между ними. Поэтому условия замыкания магнитных потоков по стержняммагнитопровода различны, Например,если поток, проходящий по левомустержню магнитопровода (фиг. 8),заьыкается на значительном участкепо воздуху, поток правого стержняпо Ферромагнитной полосе 27. Послепрохождения дифференциальным трансформатором границы полюсного деления условия замыкания указанных магнитных потоков изменяются на обратные (Фиг,9), что приводит копрокидЫванию фазы ЭДС (30) выходной обмотки датчика один раз в:пределах каждого полюсного делениязле ктродви гателя.Выходная ЭДС датчика используется в качестве входного сигналаФазочувствительного выпрямителя,обеспечивающего Формирование управ 736286ляющего напряжения 31, полярность которого изменяется в моменты опрокидывания фазы выходной ЭДС датчика. Схема УпРавления формирует также две последовательности импульсов 32 и 33, сдвинутых один относительно другого на половину периода. УгоЛ сдвига с импульсов относительно начала соотнетствующих полупериодон напряжения питания может регулироваться, но одновременно для обеих последовательностей.Напряжение 31 управляет логической схемой, которая, в зависимости от полярности этого напряжения, Осуществляет переключение последовательностей импульсон 32, 33 с одной группы тиристоров на другую. Например, в один из полупериодов последовательность 32 подается на управляющие электроды тиристоров 16,19, 21,22, Если в этот полупериод потенциал верхней клемм источника выше,. ток замыкается по цепи: тиристор 16, полусекция 8, тиристор 22, Во второй полупериод последовательность 33 подается на тиристоры 17,18,20,23, и ток замыкается по цепи: тиристор 23, полусекция 8, тиристор 17. В полусекции 8 протекает переменный ток, действующее значение которого может н широких пределах регулироваться выбором значений угла включения тиристоров Ю . Если переключать последовательности импульсов 32, 33 с одной указанной группы тиристоров на другую, происходит опрокидывание Фазы тока 34 в полусекции 8 на 180 эл,град. (момент 1 на Фиг.10),в чем и соон сущнос коммутации токов н секциях обмотки индуктора. Подобная коммутация токов в секциях осуществляется один раз в пределах каждого полюсного деления электродн;гателя, причем в двух полусекциях, составляющих данную секцию об вмотки индуктора, например н полусекциях 8 и 9, осуществляется одновременно, поскольку этот процесс управляется одной к той же логической схемой по сигналам одного и того же дифференциального трансформатора датчика. Для различных же секций коммутация осущест вляется со сдвигом во времени, так как процесс коммутации управляется по сигналам с выходных обмоток различных дифференциальных трансформаторов, смонтированных на поднижном экипаже с пространственным сдвигом,Выбор момента коммутации н пределах каждого полюсного деления длялюбой секции первичной обмотки зависит От двух факторов: от взаимного расположения вторичного элемента датчика линейного перемещения - Ферромагнитных полос 27, 28 - относительно поперечных перемычек 6 направляющего полотна и отвзаимного расположения систеью дифференциальныхтрансформаторон 24 относительно магиитопровода индуктора 1. Картины распределения магнитного поля индуктораотносительно поперечных перемычекнаправляющего полотна, показанные наФи г, 4, 5, 12, соот вет ст нуют выборумомента коммутации, обеспечивающегомаксимальное значение усилия Р, действующего на эти перемычки (скоростьдвижения Ч экипажа относительно направляющего полотна имеет противоположное направление), Выбором момен.та коммутации можно регулировать величину этого усилия от нуля до максимума,Показанные на фиг, 3 или 11 конструкции первичной обмотки и коммутация токов н ее секциях обеспечиваютн процессе движения образование н каждый момент времени н пределах любыхсоседних полюсных делений магнитныхполей разных направлений (Фиг. 3, 4, 5,12), силовые линии которых замыкаются в вертикальных плоскостях, Взаимная пространственная ориентация магнитных потоков, созданных сонместнымдействием всех секций первичнойобмотки индуктора, и потоков, созданных токами, индуктированными вкороткозамкнутых контурах направляющего полотна остается н процесседвижения практически неизменной,причем обмотка индуктора создаетлинейно перемещающееся магнитное поле, одновременно пульсирующее с частотой сети,Работа электродвигателя характеризуется следующей особенностью,Если магнитопровод индуктора перемещается относительно направляющегополстна, например, слева направо,магнитное поле, созданное токамипервичной обмотки, перемещается относительно магнитопровода индукторас той же скоростью справа налево ипоэтому неподвижно относительно короткозамкнутых контуров с токами,индуктиронанньък н направляю(емполотне. Исключение составляют крайние контуры, н связи с чем предпочтительна конструкция в многополюсном выполнении, Поэтому н первомприближении можно считать, что нконтурах направляющего полотна индуктируется только трансформаторнаяЭДС,а ЗДС перемещения наводитсятолькО в первичной Обмотке н связис чем ее можно назвать обмоткойякоря. Б процессе перемещения с высокой скоростью вторичному элементуэлектромагнитным путем передаетсясравнительно небольшая часть потребляемой энергии.Взаимодействие магнитных потоков,созданных первичной обмоткой, стоками в короткозамкнутых контурахнаправляющего полотна на участкахпоперечных перемычек вызывает воз -55 никновение продольного движущегоусилия, по своей природе близкогок репульсионному. Электромагнитнаясила притяжения полюсов индуктора кмагнитопроводу направляющего полотна используется для создания системы электромагнитного подвеса экипажа,работа которой характеризуется в этомслучае двумя существенными особенност ями,Во-первых короткозамкнутые контуры,направляющего полотна по отношению к обмотке индуктора представляют собой систему вторичных обмотоктрансФорматора, токи в которых создают собственные магнитные потоки,являющиеся по отношению к потоку 15первичной обмотки преимущественнораэмагничивающими, как и в обычномтрансформаторе. Укаэанный факторявляется в определенной степени стабилизирующим, всякое увеличение магнитного потока первичной обмотки,чем бы оно ни было вызвано (например уменьшением воздушного зазора)сопровождается и увеличением размагничиВающих пОтОкОВ Вторичных Обмо 5ток - короткозамкнутых контуров.Во-вторых, осуществляющее подвесмагнитное поле индуктора в процесседвижения экипажа оказывается неподвижным по отношению к направляющемуполотну (если пренебречь краевымиэффектами).Таким образом, тяговое усилие исилы подвеса создаются с помощьюодних и тех же конструктивных элементов, а работа систеьж подвесане связана с потреблением дополнительной энергии от сети,Особенность работы линейного электродвигателя, совмещенного с системой подвеса, заключается в том, что 40вертикальные усилия подвеса должнысущественно превосходить по величинетяговые усилия, Таким образом, суммарный магнитный поток электродвигателя должен быть достаточно большим. Конструкция первичной обмотки,показанная на фиг.11, 12, по сравнению с распределительной обмоткой(Фиг, 3) отличается повышенной собственной индуктивностью, Эта особен- .ность в специфических условиях использования электродвигателя является преимуществом перед обычнымираспределительными обмоткаьи,Регулирование режимов движенияи работы системы подвеса с минимальным взаимным влиянием построеноследующим образом; Поскольку все полусекции первичной обмотки включены вотдельные мостовые схемы коммутатора, подобные изображенной на фиг,6, 60величина тока в полусекциях можетрегулироваться независимо изменением углавключения тиристоров,например, токи В полусекциях 8 и 9,составляющих одну секцию обмотки, 65 могут быть различны, хотя коммутация токов (т, е, опрокидывание их по Фазе) происходит в обеих полусекциях одновременно. Для автоматического регулирования величины воздуш- - ного зазора между индуктором и направляющим полотном необходимо по краям индуктора установить два датчика, регистрирующих величину зазора (индуктивных, емкостных или каких-либо других), Один из датчиков регулирует угол включения тиристоров полу- секций 8, 10, 12, 14, т, е, в конечном счете величину магнитных потоков и сил притяжения в пределах половины длины индуктора, второй датчик - угол включения тиристоров полусекций 9,11,13,15. Подобная система позволяет поддерживать одинаковую величину зазора по всей длине индуктора при различном характере распределеия весовой нагрузки. Применение же вух линейных электродвигателей (фиг.1) позволяет избежать также и перекосов относительно продольной оси экипажа.В процессе движения мгновенные значения токов в секциях могут изменяться при регулировании в достаточно широких пределах, однако в среднем их действующие значения остаются постоянными, поскольку приблизительно постоянными остаются весовая нагрузка и требуемая величина, эаэора. Поскольку закон изменения угла открытия тиристоров определяется режимом работы системы подвеса, этот способ управления не может, одновременно принимать для регулирования величины тягового усилия, а следовательно, и скорости движения экипажа. Таким образом, двигатель должен допускать применения второго способа регулирования, не связанного с изменением величины токов в секциях перВичной обмотки, С этой целью используется способ, заключающийся в механическом перемещении системы дифференциальных трансформаторов относительно магнитопровода индуктора, т.е. способ регулирования положения линии коммутации в пределах площади короткозамкнутых контуров направляющего полотна, позволяющий Осуществлять регулирование скорости в широких пределах, а также торможение и реверс без существенного влияния на режим работы системы подвеса. Это влияние сводится к двум факторам: изменению действующего значения токов в секциях первичной обмотки при изменении скорости движения экипажа вследствие зависимости ЭДС перемещения от скорости, а также в изменении коэффициента магнитной связи между первичной обмоткой и коротко- замкнутыми контурами направляющего полотна В процессе регулирования. Поскольку процессы разгона и тормо 736286жения экипажа достаточно инерционны, эти влияния на работу системы подвеса могут быть скомпенсированы регулированием угла включения тиристоров,Боковая стабилизация экипажа обеспечивается автоматически, поскольку при любом смещении экипажа относительно направляющего полотна возникают реактивные усилия, связанные с деФормацией силовых линий магнитного поля электродвигателя и препятствующие подобному смещению. В случае необходимости система стабилизации может быть дополнена электромагнитами, вторичным элементом для которых может .служить боковая поверхность швеллера направляющего полотна.Темнико-экономической целесообразностью применения предложенного Электродвигателя является совмещение систем электромагнитного подвеса экипажа с собственно тяговым линейным электродвигателем, что улучшает энергетические и весо-габаритные показатели транспортной системы, уменьшает габариты и вес электросилового оборудования, устанавливаемого на подвижном экипаже, а также упрощает конструкцию и уменьшает стоимость направляющего полотна электродвигателя за счет применения стандартных изделий массового производстваа. Формула изобретения1, Линейный электродвигатель, содержащий индуктор, включающий магнитопровад с обмоткой, секции которой подключены к источнику через вентильный кОммутатор, и вторичный элемент,выполненный в виде направляющего полотна, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью обеспечения усилийэлектромагнитного подвеса, при возможности их независимого регулирования, направляющее полотно представляет собой металлический элемент П-образного сечения, например швеллер,в котором размещен шихтованный ферромагнитный пакет, отделенный отвнутренней горизонтальной поверхностиП-образного элемента изолирующейпрокладкой и опирающийся снизу напоперечные электропроводные перемычки, соединенные с краями П-образногоэлемента механически и электрическии расположенные вдоль направляющегополотна на расстоянии одна от другой,равном полюсному делению,2, Электродвигатель по п.1, о тличающийся тем, что, сцелью обеспечения возможности регулирования усилий подвеса по длине индуктора, каждая секция обмотки разделена по длине на две одинаковыеполусекции, расстояние между началом и концом каждой из которых равноФ(щ/2-1), где С - полюсное деление, щ - число полосных делений впределах длины индуктора, причемв - число четное, а расстояние междуконцом одной и началом второй полусекции составляет одно полюсное делений,Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент ФРГ 9 2029462,кл. 21 д 23, 1973.2, Авторское свидетельство СССРпо заявке У 2338856/24-7,кл, Н 02 К 41/02, 1976.5е 783ар ст вен но гом изобретениЖ, Рауш акаэ 2440/44ИИ 5 р де а щщшППППатент , г. Уагород, ул. Проек Жил ая,4 Тир дж ЦН ПИ Госу по дел 13035, Иоскв