ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК H02K19/06 H02K1/06 

Изобретение относится к электрическим машинам и может быть использовано в электроприводе, на транспорте, в системах управления.

Известны электрические машины с переменным магнитным сопротивлением - индукторные и реактивные, обладающие простой конструкцией благодаря безобмоточному ротору и отсутствию щеточных контактов [1]. Их недостатком являются необходимость размещения на статоре распределенных статорных обмоток и увеличенная масса магнитопровода.

Известны также вентильно-индукторные двигатели, широко применяемые в современных технологиях [2].

Наиболее близкий к данному изобретению является вентильно-индукторный реактивный двигатель (называемый в английской литературе Switched Reluctance Motor - SRМ)[3], содержащий индуктор, на котором размещается шихтованный магнитопровод с полюсными выступами, охваченными фазными катушками возбуждения с вентильными коммутаторами для поочередного подключения катушек фаз к источнику постоянного тока, и якорь, установленный с возможностью рабочего перемещения относительно индуктора и снабженный магнитопроводом с полюсными выступами, число которых не равно числу полюсных выступов индуктора, причем размеры выступов обеспечивают циклическое согласованное расположение выступов индуктора и якоря напротив друг друга через рабочий зазор одновременно для одной фазы.

Индуктор размещен на наружном цилиндрическом статоре и выполнен в виде общего для всех фаз кольцевого сердечника с полюсными выступами, обращенными к оси двигателя и охваченными фазными катушками, подключенными через вентильные ключи к сети постоянного тока, а якорь размещен на роторе и выполнен в виде цилиндрического сердечника с наружными полюсными выступами, обращенными к индуктору. Ротор закреплен в подшипниках с возможностью вращения относительно статора.

Как и любая электрическая машина, двигатель может выполняться линейным, когда индуктор и якорь изготовляются в виде параллельных сплошных линейных сердечников с обращенными друг к другу полюсными выступами и катушками возбуждения на выступах индуктора.

Недостатками двигателя как в цилиндрическом, так и в линейном варианте являются большие удельная масса (кг/кВт) и потери, а также пониженный пусковой момент и значительные пульсации рабочего момента.

Повышенная удельная масса двигателя определяется, во-первых, относительно низкими значениями главного показателя эффективности работы двигателя - кратности изменения магнитной проводимости (Λ): к = Λ_max/Λ_min, так как при рассогласованном положении полюсных выступов индуктора и якоря, когда Λ = Λ_min, имеются значительные потоки рассеяния, замыкающиеся через кольцевой магнитопровод якоря, противолежащий полюсным выступам индуктора. В известных конструкциях к ≤ 10. Во-вторых, большая масса и пониженный пусковой момент двигателя объясняются тем, что пусковой и рабочий моменты создаются одновременно полюсными выступами индуктора для одной фазы, число которых нельзя существенно увеличить, так как при этом полюса сужаются, увеличивается магнитное рассеяние и падает к. Число фаз двигателя m=z₁/2, где z₁ - число полюсных выступов индуктора в поперечном сечении. Относительно малое число фаз приводит к заметным пульсациям рабочего момента при переключении фазы, что ухудшает рабочие и акустические характеристики двигателя. Кроме того, в двигателе имеются взаимные магнитные потоки между фазами из-за общего магнитопровода, что снижает значение к.

Повышенные потери в двигателе возникают из-за большого объема стальных сердечников и большой длины силовых линий рабочего магнитного потока, замыкающихся по кольцевому сердечнику через полюсы одной из фаз, между которыми располагаются полюсы остальных фаз. Кроме того, в линейной модификации двигателя возникают дополнительные магнитные потери в концевых зонах из-за нарушения симметрии магнитной цепи и взаимоиндукции между фазами, имеющими общий сердечник.

Целью изобретения является снижение удельной массы и потерь в двигателе, а также повышение пускового момента и уменьшение пульсаций рабочего момента.

Цель достигается тем, что магнитопроводы индуктора и якоря выполнены в виде автономных C-образных сердечников с полюсными выступами, расположенных поперек направления относительного рабочего перемещения индуктора и якоря.

При цилиндрическом исполнении двигателя индуктор выполнен в виде цилиндра из немагнитного материала, на внутренней стороне которого размещаются последовательно сдвинутые по азимуту и параллельные оси цилиндра C-образные сердечники с катушками возбуждения, а якорь выполнен в виде внутреннего соосного с индуктором цилиндра из немагнитного материала с закрепленными на его периферии C-образными сердечниками, параллельными оси цилиндра.

Двигатель допускает линейное исполнение, в котором индуктор выполнен линейным в виде по крайней мере одной немагнитной жесткой полосы, на которой с равномерным продольном сдвигом закреплены поперечные автономные C-образные сердечники с катушками возбуждения, а якорь выполнен в виде аналогичной параллельной полосы, на которой также размещены поперечные автономные C-образные сердечники с соответствующим продольном сдвигом.

Во всех модификациях предложенного двигателя индуктор и якорь могут альтернативно размещаться как на неподвижной части (статоре), так и на подвижной части (роторе).

Положительный эффект указанной совокупности отличительных признаков заключается в том, что по сравнению с прототипом в двигателе, благодаря отсутствию кольцевых сердечников, существенно уменьшается длина магнитных линий рабочего потока и магнитная проводимость при рассогласованном положении полюсных выступов индуктора и якоря, что повышает кратность изменения магнитной проводимости к и соответственно мощность двигателя в заданных габаритах. Удельная масса двигателя при этом снижается. Кроме того, в двигателе, по сравнению с прототипом, удваивается число фаз (m=z₁), так как каждый C-образный сердечник индуктора с катушками может соответствовать одной автономной фазе. Увеличение m приводит к повышению рабочего и пускового моментов (или тяги в линейных конструкциях), т.е. снижению его удельной массы и улучшению пускового режима, а также к уменьшению пульсации момента (тяги). Благодаря автономности сердечников и фаз исключается их вредное взаимное индуктивное влияние, что также повышает к и снижает удельную массу двигателя. Объем и масса стальных сердечников уменьшаются благодаря отсутствию общих для всех фаз наружных и внутренних кольцевых сердечников индуктора и якоря, что приводит к снижению удельной массы и повышению КПД. Объем поперечных участков C-образных сердечников существенно меньше объема исключаемых кольцевых сердечников индуктора и якоря.

В линейной модификации двигателя исключаются концевые эффекты благодаря автономности фаз и симметрии магнитных цепей, что также снижает потери в двигателе и его удельную массу. При линейном исполнении прототипа в концевых зонах необходимо было бы размещать дополнительные холостые полюсные выступы или увеличивать толщину продольных сердечников для облегчения замыкания рабочего потока.

Кроме того, линейный двигатель для наиболее актуальных транспортных применений позволяет обеспечить магнитный подвес и боковую стабилизацию подвижного элемента, что также уменьшает удельную массу и потери по сравнению с установками, имеющими отдельные системы подвеса и стабилизации [4].

На фиг. 1 показан продольный разрез вентильно-индукторного реактивного двигателя в цилиндрическом исполнении; на фиг. 2 - его поперечное сечение; на фиг. 3 - продольный разрез линейного вентильно-индукторного реактивного двигателя; на фиг. 4 - поперечное сечение линейного двигателя.

В цилиндрическом исполнении (фиг. 1 и 2) двигатель содержит индуктор 1 в виде наружного немагнитного цилиндра 2, на внутренней стороне которого установлены параллельно оси автономные C-образные шихтованные сердечники 3 с катушками возбуждения 4, подключенными через вентильные коммутаторы (не показаны) к сети постоянного тока. Якорь 5 выполнен в виде внутреннего немагнитного цилиндра 6, на периферии которого закреплены параллельно оси автономные C-образные шихтованные сердечники 7. Рабочие поверхности полюсных выступов сердечников 3 и 7 имеют цилиндрический профиль. Цилиндр 6 крепится на валу 8, закрепленном в подшипниках 9 с помощью боковых щитов 10 и 11. Крепление C-образных сердечников может осуществляться, например, винтами 12 и 13, с помощью клея, штифтов или зажимов (не показаны). Сердечники 3 и 7 равномерно сдвинуты по азимуту и в согласованном положении отделены друг от друга рабочим зазором 14 с цилиндрическим профилем. Отношение сердечников 3 и 7 определяется необходимым числом фаз и обычно равно 6/4, 8/6 и т.д. [3].

Возможно обращенное исполнение двигателя (не показано), когда индуктор выполняется в виде внутреннего немагнитного цилиндра, на внешней стороне которого размещаются параллельно оси C-обраные сердечники с катушками возбуждения, а якорь выполнен в виде наружного немагнитного цилиндра с закрепленными на его внутренней стороне параллельно оси C-образными сердечниками.

В линейном исполнении (фиг. 3 и 4) индуктор двигателя 15 выполнен в виде немагнитной жесткой полосы 16, на которой закреплены поперечные C-образные сердечники 17 с катушками возбуждения 4. Линейный якорь 18 содержит аналогичную немагнитную жесткую полосу 19, на которой закреплены поперечные C-образные сердечники 20. Рабочие поверхности полюсных выступов 17 и 20 плоские. В согласованном положении сердечники 17 и 20 разделены линейным рабочим зазором 21. Сердечники 17 и 20 крепятся на полосах (16 и 19), например, винтами 12 и 13 или скобами, штифтами, клеем (не показаны).

Катушки возбуждения 4 в цилиндрическом и линейном двигателях могут размещаться как на обоих полюсных выступах каждого C-образного сердечника индуктора, так и на одном из них с целью уменьшения объема проводников и снижения потерь.

Сердечники индуктора и якоря наматываются из стальной ленты с последующим разрезанием аналогично сердечникам типа ШЛ для трансформаторов [5]. Могут использоваться стандартные серийно выпускаемые блоки трансформаторных сердечников. При больших мощностях двигателя (более десятков киловатт) возможно изготовление составных C-образных сердечников в виде прямоугольных блоков из шихтованной листовой стали, скрепляемых винтами или клеем [1].

Работает двигатель следующим образом.

По заданной программе катушки возбуждения 4 каждой фазы с помощью простых вентильных коммутаторов (транзисторных или тиристорных) циклически подключаются к сети или источнику постоянного напряжения при рассогласованном положении полюсных выступов, когда магнитная проводимость минимальна (Λ_min). Ток в катушках благодаря малой индуктивности быстро нарастает и создает магнитный поток, замыкающийся через рабочий зазор по смежным C-образным сердечником индуктора и якоря. В работающей фазе эти сердечники смещены друг относительно друга, поэтому возникает сила магнитного тяжения (тяга), стремящаяся установить сердечники индуктора и якоря в согласованное положение, когда магнитная проводимость максимальна (Λ_max). Благодаря тяге возникает движение якоря относительно индуктора и перемещение механической нагрузки. Очевидно, что тяга двигателя (или момент) тем больше, чем больше кратность к = Λ_max/Λ_min При приближении полюсных выступов якоря к согласованному положению данная фаза отключается и включаются катушки следующей фазы, в которой C-образные сердечники индуктора и якоря имеют необходимое смещение. Благодаря этому тяга сохраняется. Затем включается следующая фаза и т.д. При отключении катушек часть запасаемой в них магнитной энергии рекуперируется в сеть через обратные диоды или компенсируется в дополнительных емкостях. Пульсации рабочего момента и тяги будут тем меньше, а пусковые режимы тем лучше, чем больше фаз в двигателе.

Описанная электрическая машина согласно принципу обратимости может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора.

Предложенный двигатель обеспечивает уменьшение удельной массы на 20% и потерь на 20-30% по сравнению с прототипом. Он позволяет повысить пусковой момент (тягу) на 10-20% и в несколько раз понизить пульсации рабочего момента (тяги).

Линейный двигатель помимо других применений может эффективно использоваться для транспортных систем, создавая как рабочую продольную тягу, так и силы магнитного подвеса и боковой стабилизации.

При использовании предложенного линейного двигателя на транспорте возможно размещение индуктора на экипаже, а якоря на полотне или, наоборот, якоря на экипаже, индуктора на полотне. В первом случае требуется питание катушек возбуждения через контактную сеть, однако конструктивно простое полотно дороги - конструктивно простое. Оно состоит из опорной (например, бетонной) поверхности, на которой закреплены пассивные C-образные сердечники. Такое полотно примерно в 10 раз дешевле традиционного полотна для скоростного транспорта, содержащего непрерывный линейный магнитопровод с уложенной в его пазах распределенной многофазной обмоткой, создающей синусоидальное бегущее поле [4].

Во втором случае усложняется конструкция полотна, содержащего индуктор, но существенно упрощается тяговое оборудование на экипаже, состоящее только из набора пассивных автономных C-образных сердечников. Масса и стоимость подвижной части тягового оборудования уменьшаются примерно в 2-2,5 раза по сравнению с традиционными системами, предполагающими размещение на экипаже электромагнитов тяги, подвеса и боковой стабилизации, с их питанием от вспомогательного линейного генератора [4].

Источники информации
1. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины. - М. :Высшая школа, 1987, ч. 1-2.

2. Ильинский Н.Ф. Перспективы применения вентильно-индукторного привода в современных технологиях. Электротехника, 1997, N 2.

3. Miller T.J. E.Switched Reluctance Motors and Their Control. - Oxford: Magna Physics Publishing and Clarendon Press, 1993.

4. Транспорт с магнитным подвесом. Ю.А.Бахвалов, В.И.Бочаров, В.А.Винокуров и др.; под ред. В.И.Бочарова, В.Д.Нагорского. - М.:Машиностроение, 1991.

5. Бальян Р.Х. Трансформаторы для радиоэлектроники. - М.: "Сов. радио", 1971.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам, и может быть использовано в электроприводе, на транспорте, в системах управления. Техническим результатом, достигаемым данным изобретением, является уменьшение удельной массы и потерь в двигателе, а также повышение пускового момента и снижение пульсации рабочего момента. Сущность изобретения состоит в том, что двигатель состоит из индуктора и якоря, устанавливаемых с возможностью относительного вращения или линейного перемещения и содержащих автономные С-образные сердечники с полюсными выступами, закрепленные напротив друг друга поперек направления относительного перемещения. Катушки возбуждения размещаются на полюсных выступах сердечников индуктора и через управляемые вентильные ключи соединены с источником постоянного напряжения. При циклической подаче тока в катушки возникает магнитное тяжение между сердечниками индуктора и якоря, которое создает рабочий момент или тягу. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Вентильно-индукторный реактивный двигатель, содержащий индуктор, на котором размещается шихтованный магнитопровод с полюсными выступами, охваченными фазными катушками возбуждения с вентильными коммутаторами для поочередного подключения катушек фаз к источнику постоянного тока, и якорь, установленный с возможностью рабочего перемещения относительно индуктора и снабженный магнитопроводом с полюсными выступами, число которых не равно числу полюсных выступов индуктора, причем размеры выступов обеспечивают циклическое согласованное расположение выступов индуктора и якоря напротив друг друга через рабочий зазор единовременно для одной фазы, отличающийся тем, что магнитопроводы индуктора и якоря выполнены в виде автономных С-образных сердечников с полюсными выступами, расположенных поперек направления относительного рабочего перемещения индуктора и якоря, при этом каждый С-образный сердечник индуктора с фазными катушками возбуждения на его полюсных выступах соответствует одной автономной фазе. 2. Вентильно-индукторный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что индуктор выполнен в виде наружного цилиндра из немагнитного материала, на внутренней стороне которого размещены последовательно сдвинутые по азимуту и параллельные оси цилиндра автономные С-образные сердечники с фазными катушками возбуждения, а установленный в подшипниках якорь выполнен в виде внутреннего соосного с индуктором цилиндра из немагнитного материала с закрепленными на его периферии С-образными сердечниками, параллельными оси цилиндра. 3. Вентильно-индукторный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что индуктор выполнен линейным в виде, по крайней мере, одной немагнитной полосы, на которой с равномерным продольным сдвигом закреплены поперечные автономные С-образные сердечники с фазными катушками возбуждения, а якорь выполнен в виде параллельной индуктору немагнитной полосы, на которой размещены автономные С-образные сердечники с соответствующим продольным сдвигом.