Электродвигатель-маховик с электромагнитным подвесом ротора

Совэ Советских 1964883 Социалистических Республик ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(61)Дополнительное к авт, сеид-ву(22) Заявлено 16. 03. 81 (21)3260472/24-07с присоединением заявки Мо 51)М Кл з Н 02 К 29/02 Государственный комитет СССР но делам изобретений и открытий. 382 (088. 8.) Опубликовано 07,10,82, Бюллетень Мо 37 Дата опубликования описания 07.10.82(72) Авторизобретения Е.Н.,Баранов ЗСКОН)ЗИ 4% ИАГГЙ:И- ф1й Рев люцийтехн 4 яВЙИбЖЫд Московское ордена Ленина, ордена Октябрьск и ордена Трудового Красного Знамени высшееучилище им. Н.Э. Баумана. Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическиммашинам и электромеханическим устрой"ствам с бесконтактной коммутацией.Известны электродвигатели с вентильной коммутацией, в конструкциикоторых применены системы электромагнитного подвеса ротора; в частности,с использованием сочетания постоянныхмагнитов на роторе и электромагнитовна статоре 1),Однако этот электродвигатель неможет обеспечить полную электромагнит.ную подвеску ротора.Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности и достигаемому результату является электродви.гатель, в котором применены высокоэрцитивные постоянные магниты на роторе и на статоре, а для подвеса ротора используются силы отталкиванияпостоянных магнитовЭлектродвигательсодержит статор с П-образными в аксиальной плоскости магнитопроводамю,в полюсных выступах которых закреплены постоянные магниты, и помещеннымина них катушками, соединенными в сек-.ции и подключенными к источнику питания через вентильный коммутатор, иротор, активная часть которого выпол иена в виде ферромагнитных сегментов, разделенных немагнитными промежутками. В пазах ферромагнитных сегментов также помещены постоянные магниты, причем постоянные магниты ротора и статора обращены друг к другу одноимен ными полюсами.Достоинством примененной здесь си" стемы подвеса ротора с использованием электромагнитных сил отталкивания является простота и надежность, устойчивость при радиальных смещениях ротора без применения внешних устройств автоматического регулирования величины воздушного эазораготсутствие потребления энергии (21.Однако подобная система подвеса ротора имеет и весьма существенные недостатки. Первый из них состоит в том, что в качестве радиальной центрирующей силы здесь используется разность сил отталкивания диаметрально расположенных.постоянных магнитов, которая возникает лишь при существенно эксцентрическом положении оси вращения ротора по отношению к оси статора.Таким образом, система не обеспечивает достаточной жесткости и точности подвеса ротора, т.е. в большинстве случаев не удовлетворяет требо50 ваниям к такого рода устройствам.Брак тически почти ничего не дает и применение какой-либо вспомогательной сис.темы центрирования ротора, например,с использованием электромагнитных сил притяжения ферромагнитной массы к 5 электромагниту. Если такая система обеспечит центрирование ротора с дос- таточнЬ высокой точностью, то станут очень малыми разностные центрирующие усилия отталкивания диаметрально рас :положенных постоянных магнитов, так что они будут не в состоянии компенсировать хотя бы частично силу веса ротора, В таком случае предполагаемая вспомогательная система подвеса на самом деле выполняет функцию основной с затратой значительной электрической энергии, а система подвеса на постоянных магнитах .становится даже ие вспомогательной, а скорее резервной.Второй недостаток состоит в том, что при всяком осевом (аксиальном). смещении ротора в сторону от положения равновесия возникают достаточно большие электромагнитные усилия, выталкивающие ротор из. статора.Следовательно, необходимо предусмотреть дополнительную систему стаби.; лизации торцовых зазоров между ротоl ром и статором, например, с применением электромагнитов, управляемых с помощью датчиков зазора. Такая система должна обеспечивать достаточно большие электромагнитные усилия, так как в ее функцию входит не только компен- З 5 сация силы веса ротора при вертикальном положении оси вращения и сил инерции, связанных с наличием осевых ускорений, но также и компенсация указанных довольно значительных элек тромагнитных сил выталкивания ротора.Таким образом, обеспечивая устоИ- чивое, хотя и не слишком точное регулирование зазоров между статором и ротором при радиальных смещениях Ротора, рассмотренная система подвеса на постоянных магнитах создает. существенные помехи в работе устройств, обеспечивающих регулирование торцовых зазоров.Целью изобретения является улучшение энергетических характеристик и качества системы электромагнитного подвеса ротора, использующей силы отталкивания постоянных магнитов.Указанная цель достигается тем, что в конструкции с расположением по. стоянных магнитов на роторе и статоре, обращенных друг к другу своими одноименными полюсами, и использованием торцовых электромагнитов на статоре и кольцевых магнитопроводов на роторе, между наружной поверхностью ротора и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса устройства помещены подвижные элементы с закрепленными на их внутренней поверхности постоянными магнитами статора.Подвижные элементы представляют собой размещенные с зазорами относительно друг друга отдельные цилиндрические сектора, .свободно перемещаю-, щиеся относительно корпуса, например, путем обкатки на подшипниках качения.Цилиндр, по внутренней поверхнос-. ти которого обкатываются указанные сектора с постоянными магнитами, может быть выполнен аксиально подвижным относительно внешнего корпуса устройства. На торцовых поверхностях подвижного цилиндра помещены постоянные магниты, обращенные своими одноименными полюсами к постоянным магнитам, закрепленным на боковых фланцах. корпуса устройства.Таким образом, данное электромеханическое устройство. объединяет в себе собственно электродвигатель и систему подвеса ротора с использованием электромагнитных сил отталкивания одноименных полюсов высокоэрцитивных постоянных магнитов, дополнительную корректирующей системой с использованием электромагнитов.Решаемая с помощью предлагаемой конструкции задача заключается в компенсации с помощью электромагнитных сил отталкивания силы веса ротора и . сил инерции, независимо от направления действия этих сил по отношению к оси вращения ротора.На фиг. 1 схематически представлено предлагаемое устройство, сечение А-А.на фиг. 2; на фиг. 2 - сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 3 и 4 - схема образования радиальных составляющих электромагнитных сил.отталкивания соответственно,при осевом и радиальном ,направлениях действия силы веса; на фиг 5 - схема образования осевых составляющих электромагнитных сил отталкивания при осевом направлении действия силы веса," на фиг. 6 - графики осевых составляющих электромагнитных сил и силы веса, как функции торцового зазора между аксиально подвижным цилиндром и корпусом устройства.Ротор 1 электродвигателя (фиг,1- 5) выполнен в виде цилиндрического тела, например из ферромагнитного материала, на внешней поверхности которого в пазах помещены равномерно распределенные по окружности ротора постоянные магниты 2 и 3 (фиг. 1,2 и 5). Все магниты 2 обращены наружу своими одноименными полюсами. Аналогично, но другими полюсами обращены наружу все магниты 3.На внутренней поверхности ротора в пазах помещены набранные из кольцевых пластин магнитопроводы: магнитопровод 4 ротора собственно электро"двигателя (фиг. 1 и 2) и магнитопроводи 5 и б корректирующей системыэлектромагнитного подвеса ротора(Фиг.1). В торцовых пазах ротора зак, реплены витые кольцевые магнитопроводы 7.и 8 (фиг, 1), принадлежащие 5системе регулирования торцового зазора.На Фиг. 1 и 2 представлена конструкция электродвигателя с аивании ротором и анутрннйм статором, наиболее характерная для двигателя-махо. вика. Магнитсароаод 9 статора,собст-венно электродвигателя с обмоткой 10размещен на неподвижной оси 11 (фиг.1и 2), там же помещены магнитопроводы. 512 и 13 с обмотками 14 и 15 (фиг. 1),составляющие совместно: с кольцевымимагнитопроаодами 5 и б ротора электромагниты корректирующей системы подвеса. ЮНа оси 11 помещены также боковыефланцы 16 и 17 (фиг 1,2 и 5) с закрепленными на них витыии магнитопроводами 18 и 19 с обмотками 20 и 21(фиг. 1 и 2), составляющие совместно 25с магнитопроводами 7 и 8 ротора электромагниты системы регулирования торцового зазора. К этой же системе относятся и расположенные в пазах фланцев постоянные магниты 22 (Фиг. 1, Зо2 и 5), Фланцы 16 и 17 жестко соединены с внешним цилиндрическим корпу- .сом 23 (Фиг, 1,2 и 5). Внутри негонаходится аксиально пбдвижный цилиндр24 (фиг. 1-5), свободно скльзящнйпо внутренней цилиндрической поверхности корпуса 23,На торцовых поверхностях подвижного цилиндра закреплены постоянныемагниты 25 (фиг. 1 и 5), расположен-. 40ные напротив помещенных на фланцахпостоянных магнитов 22 и обращенныек ним одноименными полюсами.По внутренней поверхности цилиндра 24 свободно обкатываются подвижные элементы 26 (Фиг. 1-5), представляющие собой размещенные с зазорамиотносительно друг друга отдельныецилиндрические сектора с закрепленными на их внутренней поверхностипостоянными магнитами 27 и 28 (Фиг. 1,(Фнг. 1 н 5) малого диаметра, посаженных на оси 30 (фиг. 1 н 2). Подшипники размещены в специальных канавках подвижного цилиндра 24, что исключает осевые перемещения подвижныхэлементов 26 относительно цилиндра24, Осевые перемещения одновременно,всех секторов возможны только вместес цилиндром 24, скользящим относительно корпуса 23. В конструкции применено три подвижных элемента 26. Принципиальное число их не ограничено и может быть существенно большим, что приводит, однако к определенному усложнению конструкции.Электродвигатель-маховик с .электромагнитню 4 подаесом ротора работает следующим образом.. Электродвигатель с внутренним статором 9 и внешним магнитопроводом 4 ротора обеспечивает: крутящий момент ротора, преодолевающий момент сопро-. тивления, который в данном, случае сводится к моменту трения ротора о воздух. Момент сопротивления может быть. существенно уменьшен, например, при заполнении внутренней полости устройства аргоном.Требования к электродвигателю сво-. дятся к тому, что он должен быть бесконтактным, по возможности не иметь обмоток на роторе и не создавать значительных сил одностороннего притяже.ния между ротором и статором, мешающих работе системы подаеса ротора. Можно применить аентильный электродвигатель с бесконтактной коммутацией, а если нет необходимостив регулировании скорости - асинхронный двигатель, например, с омедненным или массивным Ферромагнитным ротором, или гистерезисный электродвигатель.Система электромагнитного подвеса ротора функционально разделяется на систему регулирования радиальных зазоров и систему регулирования торцовых зазоров между ротором и статором.Система регулирования. радиальныхзазоров, в свою очередь, .состент из основной системы с использованием электромагнитных сил отталкивания высококоэрцитивных постоянных магни" тов и корректирующей системы с исгользованием сил притяжения Феррбмагнитного тела к элекктромагниту с регулируемым током в обмотке.)Система регулирования радиальных воздушных зазороа с использованием постоянных магнитов включает в себя ротор 1, подвижные элементы 26 и ци-линдр 24, являющийся для них опорой.Элементы 26 прижаты к цилиндру 24,.подшипниками 29 главным образом силами отталкивания одноименных полюсов постоянных магнитов 2 н 3 ротора н магнитов 27 и 28, закрепленных на са;. мнх подвижных магнитах. Если цилиндр 24 выполнен из ферромагнитного материала, то следует учитывать еще силы притяжения магнитов 27 н 28 к цилиндру 24. Однако силы, прнжнмающие элементы 26 к внутренней поверхности ци. линдра 24, практически не мешают свободной обкатке элементов 26 по поверхности цилиндра.Основные принципы работы систеж на постоянных магнитах показаны нафиг. 3 н 4, где схематически изображены только те элементы конструкции, которые имеют отношение к работе этой система.Если сила веса ротора направлена по оси вращения (вертикальное расположение оси.), то и силы веса, действующие на подвижные элементы 26, имеют то же направление и уравновешиваются реакцией опоры.Поскольку Между элементами 26 дей-(0 .ствуют значительные силы бокового от- талкивания, закрепленных. на них постоянных магнитов 27 и 28, подвижныеэлементы располагаются симметрично,с одинаковыми угловыми Расстояниями меж 5 ду ними2,)7- э3где р - угол сектора подвижного эле-.мента (фиг. 3),Ранодейстэующая эдектромагнитныхскл Р, Г 2, Г 3 отталкивания ротора 1от:.подвижных элементов 26, приведенная к центру масс РотоРа, при Равно- ,мерном зазоре. между ротором и элемен тами 26 равна нулю. Но в таком положении ротора Равна нулю и радиальнаясоставляющая его веса. Сила отталкивания начинает действовать на роторлишь при эксцентричном положении осивращения ротора относительно оси ци-линдра 24, т.е. при неравномерныхрадиальных зазорах.При горизонтальном положении осивращения ротора (фиг. 4) сила веса .35ротора Римеет только радиальнуюсоставляющую Но таксе же направление,имеюти силы веса подвижных элементов 26, которые заставляют.их принятьасимметричное положение, при котором,(ц)например 0(, 70( дВ этом случае равнодействующая Радиальная сила отталкивания уже не рав-на нулю, она противоположна по направлению силе веса ротора Р 45Размеры и весовые показатели элементов системы могут быть так рассчитаны, что равнодействующая электромагнитных сил отталкивания будет равнаи противоположна по направлению Р,полностью компенсируя вес ротора дажеи при равномерных зазорах между ротором и элементами 26, Очевидно, чтона ротор в этом случае действует посуществу не разностная, а односторон-,няя сила отталкивания, так как бла- б 5годаря бэльшому углу раскрытия Ы,1 эле-ментов 2 б,в верхней части над роторомнет постоянных магнитов статора.Напротив, если цилиндр 24 выполнен из ферромагнитного материала, в, 60верхней зоне действуют односторонниесилы притяжения магнитов ротора кцилиндру 24, также содействующие компенсации какой-то части силы веса ротора. Из-за большого зазора между ро тором и цилиндром 24 эти силы невелики и мало зависят от допустимых изменений этого зазора, н поэтому могут. считаться по существу при данном значении с(, постоянными составляющимиэлектромагнитного усилия.Если ось вращения ротора занимаеткакое-то промежуточное положение междугоризонтальным и вертикальным, то си"ла веса ротора Имеет и радиальную, иосевую составляющие, При этом, еслиобеспечена компенсация силы весаротора при горизонтальном направлении оси вращения, то автоматическиобеспечивается также компенсация радиальной составляющей силы веса ипри всех других пространственных положениях оси вращения, поскольку приизменении этого положения изменяетсяи соотношение угловых расстояний с(с(2,:с(,3 между элементами 26, а следовательно, и величина равнодействующейэлектромагнитной силы отталкивания.Предлагаемая система способна компенсировать не только силу веса роторано и радиальные составляющие сил инерции, связанные с наличием ускорений,поскольку подобные силы действуют одновременно и на ротор, и на подвйжные элементы 26, заставляя.их принимать соответствующие пространственныеположения относительно Ротора.Система регулирования радиальныхвоздушных, зазоров на постоянных магнитах использует, по существу, соче-,тание двух. принципов Регулирования.С одной стороны, она является системой автоматического регулированияразомкнутого типа по возмущению, вкачестве которого здесь фигурируютсилы инерции и силы веса. Системаке.требует, непосредственного контролявеличины радиальных воздушных зазоров,а центрирующке ротор электромагнитные силы отталкивания дуйствуют и втом случае, когда ось ротора занимаетжелаемое положение .и совпадает с осьювнешнего цилиндра корпуса 23,С другой стороны,. в системе используется и принцип регулирования поот слонению, поскольку при всяком неравенстве величин зазоров между рото"ром и подвижными элементами 26, независимо от причины этого неравенства,также возникают центрирующие электромагнитные усилия. При достаточно большой сложности выполняемых ею функций,система регулирования работает безпотребления энергии,Хотя теоретически такая системапри правильной настройке способнаобеспечить точную компенсацию радиальных составляющих сил инерции и силывеса ротора, практически этого добиться. трудно главным образом из за разброса и нестабилЬности параметров постоянных магнитов. Поэтому длядостижения большей точности центркжвания ротора она может быть дополненаЪспомогательной системой регулирова-ния замкнутого типа с непосредственным измерением величин радиальныхзазоров с помощью датчиков. В качестве исполнительных элементов использу- .5ются электромагниты 12 и 13 с обмотками 14 и 15 на статоре и Нерромагнитные кольцевые магнитопроводы 5 и 6на роторе.Система регулирования торцовых зазоров между статором и ротором включа+ет в себя основную систему замкнуто.го типа, использующую в качестве исполнительных элементов кольцевые электромагниты 18 и 19 с обмоткаья 20 и 1521 на статоре и ленточные кольцевыемагнитопроводы 7 и 8 иа роторе. Основная система использует электромагнитные силы притяжения между элементами ротора и статора Кроме того,имеется вспомогательная система с использованием электромагнитных .сил отталкивания тех же постоянных магии",тов ротора и статора, которые входятвсостав системы регулирования радиальных зазоров.. Работа вспомогательной системыобъясняется с помощью Ниг. 5, где стмечены только определяющие ее работуэлементы.Устройство изображено в положении,когда ось вращения. ротора вертикальна,и сила веса ротора Р направлена вдольэтой оси. При этом основная сиСтемарегулирования торцовых зазоров наэлектромагнитах должна обеспечиватьдостаточно жесткий подвес ротора, такчто его смещение под действием силывеса относительно статора незначительно. Но сила веса Р 1 действует ина узел устройства, включающий в себя аксиально подвижный цилиндр 24 исвязанные с ним радиально подвижныеэлементы 26,Под действием силы Р 2 подвижныйцилиндр 24 проскальзывает по внутренней цилиндрической поверхности корпуса 23, в связи с чем между магнитнымиосями постоянных магнитов 2 и 3 ротора и магнитов 27 и 28 статора появляется аксиальный сдвиг, и они ужене расположены точно один противдру-гого. При этом появляются силы осевого выталкивания ротора Г 4 и Г, рав- .нодействующая ГГ 6 которых направленавдоль оси вращения ротора противоположно силе веса Р ротора и способнаполностью или частично скомпенсировать силу веса ротора (или осевуюсоставляющую силы веса) если его осьвращения занимает .промежуточное поло"жение между вертикальным и горизонтальным, а также и осевые составляю"щие сил инерции.При наличии аксиального сдзигамагнитов ротора и статора на узел цилиндра 24 и элементов 26 действует 65 сила, равная Г и противоположная ей по направлению осевая сила Г, стре- мящаяся увеличить аксиальный сдвиг магнитов, а при увеличении этого сдвига одновременно растут силы выталкивания Гь и Г 7Таким образом, взаимное пространственное положение ротора 1 и подвижного цилиндра 24, при котором магнитные оси постоянных магнитов, ротора и статора совпадают, является положением неустойчивого равновесия, если не принять специальных.мерРаз начавшись под действием, например, силы веса ротора, аксиальное смещение магнитов продолжается до достижения максимально возможного смещения (до упора), причем в дальнейшем положение равновесия не восстанавливается, даже если осевая составляющая силы веса исчезает (например, ось вращения ротора принимает горизонтальное положение) .Поэтомудля нормальной работы устрОйСтэа НЕОбХОдИМО, ЧтсбЫ На УЗЕЛ ннсдвижного цилиндра 24 со стороны корпуса действовала бы осевая центрирующая сила Гэ, превосходящая по величине силу Г и противоположная ей по направлению. С этой целью на торцовых поверхностях подвижного цилиндра.24 предусмотрены постоянные магниты .25, обращенные своими одноименными полюсами к постоянным магнитам 22, закрепленным на боковых Нланцах корпуса устройства. Сила Г 8 и является разностью сил отталкивания указанных постоянных магнитов.На Фиг 6 представлены графики сил, действу 1 ощих на узел подвижного цилиндра 24, как функции величины одного из двух торцовых зазоров дч(Ниг. 5). Максимальная величина зазора рави01+ б зЭлектромагнитная сила Г 9 является разностью сил отталкивания Г 8 в системе постоянных магнитов 22 и 25, действующей на узел цилиндра 24 со стороны корпуса устройства, и.силы Г, действующей на него же со сторонй ротора. Кроме, Г 9 к уэлу цилиндра 24 приложена сила его веса Р 1 (или ее осевая составляющая, а при наличии ускорений - и силы инерции)Установившееся значение зазора ос соответствует равенству противо-, положно направленных сил Р 2. и Г 9 (при пренебрежении сИлами трения). Это значение зазора меньше его среднегоЮ+ Фзначения , что н обеонечнвает2аксиальное смещение магнитов 27 и.28 подвижных элементов 26 по отношению ; к магнитам 2 и 3 ротора и возникновению электромагнитной силы Г 6, направленной противоположно силе веса ротора Р. При отсутствии осевых составляющих сил веса Р и Р узел ци964883 12Фсостоящими в отсутствии контактныхопор ротора и малом моменте трения,Она может применяться в точных сисе темах регулирования и для создания а . высокооборотных электромеханическихустройств. Формула изобретения линдра 24 возвращается в положение равновесиЕ аф 41), при этом 96=0.В отличие от системы регулирова" ния радиальных зазоров рассмотренно устройство регулирования торцовых з зоров с использованием постоянных магнитов следует считать вспомогательным, поскольку без системы регу- лирования по отклонению на электро.магнитах 18.и 19 оно неработоспособно,Таким образом, предлагаемое устрой 10 стро объединяет в себе собственно электродвигатель и систему подвеса ротора с использованием сил отталкивания постояннЫх магнитов, дополненную корректирующими элементами на элеКтромагнитах. В отличие от известных устройств такого типа система иа постоянных магнитах включает в себя радиально и акснально подвижные элементы статора и осуществляет регу О. лирование по возмущению, компенсируя полностью или частично силы веса н силы инерции, действующие на ротор, в том числе, в принципе, и при отсутствии сдвига центра масс ротора от" носительно заданного положения.Предлагаемый принцип действия может быть реализован в ряде конструктивных вариантов. Например,. электро- двигатель может быть выполнен с внеш 1 ним илн внутренним статором, разлнч-, З 0 ным может быть количество подвижных элементов 26, Для уменьшения трения при перемещении подвижного цилиндра 24 относительно корпуса 23 могут при: меняться опоры качения с ограниченным 3 линейным перемещением.Следует отметить, что предлагаемое устройство компенсации радиальных и осевых составляющих сил веса и инерции на постоянных магнитах может быти 40 с успехом применено н в сочетании с опорами ротора на подшипниках каче. ния, поскольку заложенный в нем принцип регулирования по возмущению не требует отклонений осн вращения ротс ра от заданного его положенияТакая . комбинированная опора на .подшипниках качения с электромагнитной разгруз" кой от осевых .и радиальных снл проста работает без потребления энергии и обеспечивает существенное увеличениесрока;службы подшнпников.Технико-экономическая целесообразность применения конструкции определяется ее специФическими особенностями,1. Электродвигатель-маховик с электромагнитным подвесом ротора, содержащий электродвигатель со статором,связанным,с корпусом, ротором, и систему электромагнитного подвеса ротора с использованием постоянных маг-нитов, расположенных на рОторе. и статоре и обращенных друг к другу своимиодноименными полюсами,а также торцо"вых электромагнитов, состоящий из коль)цевых магнитопроводов на роторе имагнитопроводов с обмотками управленйя на статоре, о т л и ч а ю.щ и й- ,ся тем, что ., с целью улучшения энергетических характеристик и качествасистемы электромагнитного подвеса ротора между наружной поверхностьюротора и внутренней цилиндрическойповерхностью корпуса устройства помещены на цилиндре подвижные элементыс закрепленными на их внутренней поверхности постоянными магнитамн статора, представляющие сОбой размещен-.ные с зазорами относительно друг друга отдельные цилиндрические сектора,выполненные с возможностью перемещения относительно. корпуса, например,путем обкатки на подшипниках качения.2, Электродвигатель-маховик. поп. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что цилиндр, по внутренней поверхности которого обкатываются укаэанные,полнея аксиально подвижным относительно внешнего цилиндрического корпусаустройства, причем на торцовых поверхностях подвижного цилиндра помемены постоянные магниты, обращенныесвоими одноименными полюсами к постоянным магнитам, закрепленным на боко- .вых фланцах корпуса устройства.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР9 762100 кл, Н 02 К 29/00, 1978.,2Авторское свидетельство СССРР 748702, кл. Н 02 К 29/02, 1978.