ЛИНЕЙНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД Российский патент 1996 года по МПК H02K41/25 H02P7/62 

Изобретение относится к области электротехники, а более точно к линейному электроприводу и предназначено для использования в робототехнике и приводе станков.

Известен линейный асинхронный электропривод (авт. св. СССР N 790080 кл. Н 02 К 41\02, 1980), содержащий индуктор, состоящий из отдельных сердечников с обмотками, подключенными посредством коммутирующего устройства к источнику напряжения. Ограниченные функциональные возможности недостаток данного электропривода.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является линейный асинхронный электропривод (авт. св. СССР N 1755352 кл. Н 02 К 43\ 025), содержащий индуктор, состоящий из сердечника, включающего ярмо и зубцы, с катушками многофазной обмотки, каждая из которых охватывает по одному зубцу сердечника, электропроводящий вторичный элемент и коммутирующее устройство, соединяющее катушки обмотки с источником напряжения, при этом по меньшей мере первые пять катушек обмотки, подключенные коммутирующим устройством к источнику напряжения, образуют первоначальный ряд, катушки обмотки первоначального ряда образуют до середины ряда прямой, а после середины противоположный порядок следования фаз. Для совершения шага вторичного элемента коммутирующее устройство отключает последнюю катушку обмотки первоначального ряда от источника напряжения, для электромагнитной фиксации вторичного элемента коммутирующим устройством отключается первая катушка обмотки первоначального ряда и подключается к источнику напряжения катушка обмотки, следующая за последней из первоначального ряда, при этом создается новый ряд, катушки обмотки которого образуют до середины ряда прямой, а после середины противоположный порядок следования фаз. Вторичный элемент размещен на опорах, установленных с возможностью вращения. Этот электропривод выбран нами в качестве прототипа.

Этот электропривод обеспечивает шаговое поступательное перемещение вторичного элемента лишь с шагом в одно зубцовое деление, не допуская при этом регулирования величины шага.

Это недостаток прототипа.

Цель изобретения дискретное регулирование величины шага вторичного элемента.

Цель достигается тем, что в линейном асинхронном электроприводе, содержащем индуктор, состоящий из сердечника, включающего ярмо и зубцы, с катушками трехфазной обмотки, электропроводящий вторичный элемент, размещенный на опорах, установленных с возможностью вращения, и коммутирующее устройство, соединяющее катушки обмотки с источником напряжения, согласно изобретению, на каждом зубце сердечника индуктора расположена катушка обмотки, выполненная из N секций, эквивалентных друг другу (N 2,3), при этом, по меньшей мере, первые пять катушек обмотки, подключенных коммутирующим устройством к источнику напряжения, образуют первоначальный ряд, катушки обмотки первоначального ряда образуют до середины ряда прямой, а после середины ряда противоположный порядок следования фаз. Это обеспечивает возможность вторичному элементу совершать шаговые перемещения величиной S L\N зубцовых делений, где L количество секций последней катушки первоначального ряда, отключенных от источника напряжения (L 1, 2, N).

При работе электропривода для совершения шага вторичного элемента коммутирующее устройство отключает, по меньшей мере, одну секцию последней катушки первоначального ряда, а по большей мере, последнюю катушку обмотки индуктора первоначального ряда от источника напряжения, при этом шаг вторичного элемента составит, по меньшей мере, 1\N зубцовых делений, а по большей мере, одно зубцовое деление, причем величина шага S вторичного элемента вычисляется по формуле:
S L\N, зубцовых делений;
где L количество секций последней катушки первоначального ряда, отключенных от источника напряжения (L 1, 2 N), после того, как вторичный элемент переместится на одно зубцовое деление, для его более надежной электромагнитной фиксации коммутирующим устройством отключается от источника напряжения первая катушка обмотки первоначального ряда и подключаются к источнику напряжения последняя катушка обмотки первоначального ряда и следующая за ней катушка обмотки, при этом создается новый ряд, катушки обмотки которого образуют до середины ряда прямой, а после середины - противоположный порядок следования фаз.

Расположение на каждом зубце сердечника индуктора катушки обмотки, выполненной из N секций, эквивалентных друг другу (N 2, 3), этот признак определяет новизну технического решения.

Сходных решений в области линейного асинхронного электропривода и в смежных областях техники нами при патентном поиске не обнаружено. Это позволяет вынести суждение о том, что заявляемый электропривод обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 изображен общий вид линейного асинхронного электропривода (вид спереди); фиг. 2 изображает (схематически) фрагмент индуктора линейного асинхронного электропривода (вид спереди); фиг. 3 порядок подключения секций катушек трехфазной обмотки индуктора к фазам источника напряжения до совершения шага вторичного элемента (первоначальный ряд); фиг. 4 то же в момент начала первого шага вторичного элемента на половину зубцового деления; фиг. 5 то же в момент окончания первого шага второго элемента на половину зубцового деления; фиг. 6 то же в момент начала второго шага вторичного элемента на половину зубцового деления; фиг. 7 то же в момент окончания второго шага вторичного элемента на половину зубцового деления; фиг. 8 - порядок подключения секций катушек трехфазной обмотки индуктора к фазам источника напряжения после совершения перемещения вторичного элемента на одно зубцовое деление (новый ряд); фиг. 9 порядок подключения секций катушек трехфазной обмотки индуктора к фазам источника напряжения в момент начала шага вторичного элемента на одно зубцовое деление; фиг. 10 фрагмент схемы подключения выводов секций катушек обмотки индуктора посредством коммутирующего устройства к источнику напряжения.

Линейный асинхронный электропривод (фиг. 1) содержит индуктор, состоящий из сердечника 1, включающего ярмо и зубцы, с катушками трехфазной обмотки, состоящими из секций 2, электропроводящий вторичный элемент 3, опирающийся на шаровые опоры 4. Коммутирующее устройство 5 связывает секции 2 катушек с источником напряжения через рубильник 6. О, А, В, С обозначения выводов источника напряжения.

На фиг. 2 показан (схематически) фрагмент индуктора линейного асинхронного электропривода, а именно, расположение секций 2 катушек трехфазной обмотки на зубцах сердечника 1.

На фиг. 3 показан порядок подключения секций 2 катушек трехфазной обмотки индуктора к фазам источника напряжения до совершения шага вторичного элемента 3 (его электромагнитная фиксация). Усилия F1 и F2, действующие на вторичный элемент 3, обозначены стрелками. А, В, С обозначения фаз секций 2 катушек обмотки индуктора, подключенных к источнику напряжения. Остальные обозначения те же, что и на фиг. 1.

Фиг. 4 изображает то же, что и фиг. 3, но при отключенной одной из секций 2 (в данном случае нижней) последней катушки обмотки индуктора первоначального ряда момент начала первого шага вторичного элемента 3 на половину зубцового деления.

Фиг. 5 изображает то же, что и фиг. 4, но в момент окончания первого шага вторичного элемента 3 на половину зубцового деления его электромагнитная фиксация.

Фиг. 6 изображает то же, что и фиг. 5, но при отключенной от источника напряжения последней катушке обмотки первоначального ряда момент начала второго шага вторичного элемента 3 на половину зубцового деления.

Фиг. 7 изображает то же, что и фиг. 6, но в момент окончания второго шага вторичного элемента 3 на половину зубцового деления электромагнитная фиксация вторичного элемента 3.

Фиг. 8 изображает порядок подключения секций 2 катушек трехфазной обмотки индуктора к фазам источника напряжения после совершения вторичным элементом 3 перемещения на одно зубцовое деление (новый ряд групп катушек обмотки индуктора) электромагнитная фиксация вторичного элемента 3.

Фиг. 9 изображает порядок подключения секций 2 катушек трехфазной обмотки индуктора к фазам источника напряжения в момент начала шага вторичного элемента 3 на одно зубцовое деление, т.е. при отключенной от источника напряжения последней катушке обмотки индуктора первоначального ряда.

Фиг. 10 изображает фрагмент схемы подключения секций 2 катушек обмотки индуктора посредством коммутирующего устройства 5 к источнику напряжения. Контакты коммутирующего устройства 5 обозначены позициями 7 42. О, А, В, С - обозначения выводов источника напряжения.

Рассмотрим работу данного линейного асинхронного электропривода.

Изображенный на фиг. 3 10 электропривод, где N 2 секции (каждая катушка содержит по две секции 2) позволяет совершать вторичному элементу 3 шаги величиной:
S 1\2 зубцового деления;
S 1 зубцовое деление;
при отключении одной секции 2 последней катушки обмотки первоначального ряда и обеих секций 2, т.е. всей последней катушки обмотки первоначального ряда соответственно.

До совершения шага вторичного элемента 3 (фиг. 3) коммутирующим устройством 5 к источнику напряжения подключены первые пять катушек обмотки индуктора электропривода, образующие первоначальный ряд. При этом замкнуты контакты 7, 10, 14, 17, 21, 24, 26, 29, 31, 34 (фиг. 10) коммутирующего устройства 5. Все остальные контакты разомкнуты. Катушки первоначального ряда, состоящие из секций 2, образуют до середины ряда прямой порядок следования фаз, а после середины противоположный: А,А; В,В; С,С; В,В; А,А (фиг. 3 и 10). Создаются встречно бегущие магнитные поля, возбуждаемые токами, протекающими по системам секций 2 катушек обмотки индуктора, содержащим по пять секций 2: А, А; В,В; С слева направо и А,А; В,В; С справа налево. Бегущие навстречу друг другу магнитные поля пересекают электропроводящий вторичный элемент 3 и наводят в нем электродвижущие силы, вызывающие протекание вихревых токов. При взаимодействии магнитных полей с вихревыми токами создаются механические встречно направленные усилия F1 и F2, действующие на вторичный элемент 3 (фиг. 3). Эти усилия уравновешивают друг друга и удерживают вторичный элемент 3 в первоначальном положении.

Для совершения первого шага вторичного элемента 3 на половину зубцового деления коммутирующее устройство 5 отключает от источника напряжения одну из секций 2 последней катушки первоначального ряда обмотки индуктора, например, нижнюю (фиг. 4). При этом размыкается контакт 31 коммутирующего устройства 5 (фиг. 10). Остаются замкнутыми контакты 7, 10, 14, 17, 21, 24, 26, 29, 34. Все остальные контакты коммутирующего устройства 5 разомкнуты. Симметрия встречно бегущих магнитных полей нарушается, т.к. слева направо (фиг. 4) бегущее магнитное поле возбуждается токами, протекающими по системе катушек, состоящих из секций 2, содержащей пять секций 2: А,А; В,В; С, а магнитное поле, бегущее навстречу первому (справа налево) создается токами, протекающими по системе, включающей лишь четыре секции 2: А; В,В; С. Таким образом, магнитное поле, бегущее справа налево, является несимметричным и имеет "эллиптический" характер. Бегущие навстречу магнитные поля пересекают вторичный элемент 3 и наводят в нем электродвижущие силы, вызывающие протекание вихревых токов во вторичном элементе 3. При взаимодействии бегущих магнитных полей с вихревыми токами создаются встречно направленные механические усилия F1 и F2 (фиг. 4). При этом усилие F1 будет больше усилия F2, и вторичный элемент 3 под действием разности этих усилий начнет двигаться слева направо. Это движение будет продолжаться до тех пор, пока встречно направленные усилия не станут равными по величине. Равновесие усилий F1 и F2 наступает по завершению первого шага вторичного элемента 3 на половину зубцового деления, при этом поля, бегущие навстречу друг другу, будут иметь одинаковый "эллиптический" характер, т. е. слева направо: 12

Для совершения второго шага вторичного элемента 3 на половину зубцового деления коммутирующее устройство 5 отключает от источника напряжения оставшуюся (верхнюю) секцию 2 последней катушки первоначального ряда, т.е. теперь вся последняя катушка первоначального ряда отключена от источника напряжения (фиг. 6). При этом размыкается контакт 34, остаются замкнутыми контакты 7, 10, 14, 17, 21, 24, 26, 29, а все остальные контакты коммутирующего устройства 5 разомкнуты (фиг. 10). Симметрия встречно бегущих магнитных полей нарушается, так как слева направо (фиг. 6) бегущее магнитное поле возбуждается токами, протекающими по системе катушек, состоящих из секций 2, содержащей пять секций: , ; В,В; С, а магнитное поле, бегущее навстречу первому (справа налево), создается токами, протекающими по системе катушек, включающей лишь три секции 2: В,В; С. Таким образом, магнитное поле, бегущее справа налево, является несимметричным и имеет более "эллиптический" характер, чем магнитное поле, бегущее слева направо. Бегущие навстречу магнитные поля индуктора пересекают вторичный элемент 3 и наводят в нем электродвижущие силы, вызывающие протекание вихревых токов во вторичном элементе 3. При взаимодействии бегущих полей с вихревыми токами возникают встречно направленные механические усилия F1 и F2 (фиг. 6). При этом усилие F1 будет больше усилия F2, и вторичный элемент 3 под действием разности этих усилий начнет двигаться слева направо. Это движение будет продолжаться до тех пор, пока встречно направленные усилия не станут равными по величине. Равновесие усилий F1 и F2 наступает по завершению второго шага вторичного элемента 3 на половину зубцового деления, при этом поля, бегущие навстречу друг другу, будут иметь одинаковый "эллиптический" характер, т.е. слева направо: В,В; С и справа налево: В,В; С (фиг. 7). Суммарное перемещение вторичного элемента 3 за два шага, описанных выше, составило одно зубцовое деление.

Для устойчивой электромагнитной фиксации вторичного элемента 3 в новом положении отключают от источника напряжения первую катушку первоначального ряда и подключают к источнику напряжения последнюю катушку первоначального ряда и следующую за ней катушку обмотки индуктора (фиг. 8). Образуется новый ряд катушек обмотки индуктора, по структуре и свойствам аналогичный первоначальному ряду, но сдвинутый по сравнению с ним вправо на одно зубцовое деление. Порядок подключения секций 2 катушек обмотки индуктора нового ряда следующий: А, А; В,В; С,С; В,В; А,А (фиг. 8). Для получения нового ряда катушек обмотки индуктора размыкают контакты 7, 10, 14, 17, 21, 24, 26, 29 и замыкают контакты 13, 16, 20, 23, 27, 30, 32, 35, 37, 40 коммутирующего устройства 5, остальные контакты остаются разомкнутыми (фиг. 10).

Для совершения первого шага вторичного элемента 3 на одно зубцовое деление из первоначального положения отключают от источника напряжения при помощи коммутирующего устройства 5 последнюю катушку первоначального ряда катушек обмотки индуктора (фиг. 9). Размыкаются контакты 31 и 34, замкнуты контакты 7, 10, 14, 17, 21, 24, 26, 29, все остальные контакты коммутирующего устройства 5 разомкнуты (фиг. 10). Симметрия встречно бегущих магнитных полей нарушается, так как слева направо (фиг. 9) бегущее магнитное поле возбуждается токами, протекающими по системе катушек обмотки индуктора, состоящих из секций 2, содержащей пять секций 2: А,А; В,В; С, а магнитное поле, бегущее навстречу первому (справа налево) создается токами, протекающими по системе катушек, содержащей три секции 2: В,В; С. Таким образом, магнитное поле, бегущее справа налево, является несимметричным и имеет "эллиптический" характер. Бегущие навстречу магнитные поля пересекают вторичный элемент 3 и наводят в нем электродвижущие силы, вызывающие протекание вихревых токов во вторичном элементе 3. При взаимодействии бегущих магнитных полей с вихревыми токами создаются встречно направленные механические усилия F1 и F2. При этом усилие F1 будет больше усилия F2, и вторичный элемент 3 под действием разности этих усилий начнет двигаться слева направо. Это движение будет продолжаться до тех пор, пока встречно направленные усилия не станут равными по величине. Равновесие усилий F1 и F2 наступает по завершению шага вторичного элемента 3 на одно зубцовое деление, при этом поля, бегущие навстречу друг другу, будут иметь одинаковый "эллиптический" характер, т.е. слева направо: В,В; С и справа налево: В,В; С.

Для устойчивой электромагнитной фиксации вторичного элемента 3 в новом положении после совершения шага на одно зубцовое деление образуется новый ряд катушек обмотки индуктора (фиг. 8), что описано выше (последовательность действий точно та же, что и после завершения второго шага вторичного элемента 3 на половину зубцового деления). При этом будем иметь симметричные бегущие навстречу друг другу магнитные поля, пересекающие вторичный элемент 3 и индуктирующие в нем электродвижущие силы, вызывающие протекание вихревых токов во вторичном элементе 3. При взаимодействии этих вихревых токов с бегущими магнитными полями создаются механические усилия F1 и F2 (фиг. 8), направленные встречно и уравновешивающие друг друга. Эти усилия фиксируют вторичный элемент 3 в новом положении. И так далее.

Управлять включением контактов коммутирующего устройства 5 можно и при помощи ЭВМ.

По сравнению с прототипом расширены функциональные возможности электропривода: достигнуто дискретное регулирование величины шага вторичного элемента. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6 ЫЫЫ8

Использование: в системах автоматики и робототехники. Сущность изобретения: линейный асинхронный электропривод содержит индуктор, состоящий из сердечника 1, включающего ярмо и зубцы, с катушками трехфазной обмотки, каждая из которых состоит из N секций, эквивалентных друг другу, (N = 2, 3 . . . ), катушки расположены по одной на каждом зубце сердечника 1, вторичный элемент 3, размещенный на шаровых опорах 4, и коммутирующее устройство 5, соединяющее секции 2 катушек обмотки с источником напряжения. Коммутирующее устройство 5 связано с источником напряжения посредством рубильника 6. Таким образом, достигнуто дискретное регулирование величины шага вторичного элемента. 10 ил.

Линейный асинхронный электропривод, содержащий индуктор, состоящий из сердечника, включающего ярмо и зубцы с катушками трехфазной обмотки, электропроводящий вторичный элемент, размещенный на опорах, установленных с возможностью вращения, и коммутирующее устройство, выполненное с возможностью одновременного подключения к источнику напряжения для фиксации якоря по меньшей мере пяти фазных катушек обмотки, образующих вдоль продольной оси индуктора первоначальный ряд, в котором до его середины прямой, а после середины противоположный порядок чередования фаз, причем для совершения шага вторичного элемента, с возможностью отключения последней катушки ряда, а для его электромагнитной фиксации с возможностью отключения первой катушки ряда и подключения катушки, следующей за последней катушкой первоначального ряда с образованием нового ряда с тем же порядком чередования фаз, что и первоначального ряда, отличающийся тем, что на каждом зубце сердечника индуктора катушка выполнена из N секций, эквивалентных друг другу, где N=2,3.