УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ КОНЦЕНТРИЧНОСТЬЮ В НЕКОАКСИАЛЬНОМ АСИНХРОННОМ ДВИГАТЕЛЕ Российский патент 2003 года по МПК H02K15/16 G01M1/00 

Изобретение относится к устройству для управления концентричностью, а более конкретно к устройству для управления концентричностью в некоаксиальном асинхронном двигателе для контроля концентричности между статором и ротором в асинхронном двигателе.

Обычно частота вращения роторного устройства в асинхронном двигателе меньше, чем синхронная частота вращения в магнитном вращающемся поле, индуцируемом в статорном устройстве.

Асинхронный двигатель включает цилиндрический сердечник с постоянно образующейся в нем множественностью полюсов, статорное устройство, роторное устройство и подшипник.

Другими словами, когда электрический ток, подаваемый в статорное устройство, образует вращающееся магнитное поле при определенном количестве полюсов, в роторном устройстве индуцируется определенный электрический ток для вращения ротора.

В частности, некоаксиальный асинхронный двигатель, снабженный устройством для управления концентричностью, таким как активный магнитный подшипник (АМП) и ему подобными, используется для снижения выработки теплоты, образующейся при вращении роторного устройства в двигателе, работающем с высокой частотой вращения.

АМП описывается в публикации Л. Скотта Стефенса и Карла Р. Кноспе, озаглавленной "Эффект установки магнитного поля при потерях в сердечнике в пластинчатом высокооборотном магнитном опорном подшипнике".

Устройство управления концентричностью, как показано на фиг.5, включает ротор 50, статор 52, множество приводных катушек 54, сенсор 55 для выявления эксцентриситета ротора, рабочий элемент 56, выполненный с возможностью коррекции эксцентриситета в соответствии с данными сенсора, регулятор для контроля электрического тока ротора.

Другими словами, когда некоаксиальный асинхронный двигатель работает под воздействием функциональной цепи (не показана), сенсор 55 определяет положение ротора 50, а именно концентричное состояние статора 52 и ротора 50.

В это время, с одной стороны выявляется эксцентриситет ротора 50, который передается на рабочий элемент 56, а эксцентрическое положение передается на регулятор 53.

Когда эксцентриситет передается на рабочий элемент 56, статочная величина, достаточно большая для корректирования эксцентриситета, поступает от рабочего элемента 56 на приводную катушку 54, находящуюся в эксцентрическом положении.

Когда эквивалентный или корректирующий ток подается на приводную катушку 54, от полюса 51 и приводной катушки 54 образуется корректирующая магнитная сила и одновременно для выравнивания эксцентрического положения толкается ротор 50. Конечно, для более точного управления эксцентриситетом ротора 50 необходимо значительно большее количество полюсов, то есть сочетаний полюса 51 и приводной катушки 54, а также соответственно для аналогичного контроля необходим очень точный регулятор 53.

Однако проблема заключается в том, что большое количество полюсов и приводных катушек для выравнивания концентричности в роторе и статоре в некоаксиальном асинхронном двигателе требует очень сложной конструкции ротора, чем повышает производственные затраты. Еще одна проблема заключается в большом количестве ошибок, снижающих надежность управления. Соответственно, в основу настоящего изобретения положена задача решения вышеупомянутых проблем, т. е. создание устройства для управления концентричностью в некоаксиальном асинхронном двигателе, конструкция которого упрощена для снижения производственных затрат и повышения надежности управления.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для управления концентричностью в некоаксиальном асинхронном двигателе предусмотрен сенсор для выявления эксцентриситета в роторе, рабочий элемент, подающий электрический ток для корректирования эксцентриситета в соответствии с показаниями сенсора, а также регулятор для управления электрическим током в роторе, при этом устройство включает средство управления сердечником, выполненное таким образом, что создается электромагнитная сила в направлении центральной оси ротора для перемещения ротора, расположенного внутри, при этом электромагнитная сила передается перпендикулярно его центральной вращающейся оси.

Для более полного понимания предложенного изобретения приводится его подробное описание со ссылками на прилагаемые чертежи, где
фиг. 1 - схематичная диаграмма, иллюстрирующая устройство для управления концентричностью в асинхронном двигателе в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 - схематичное изображение фиг.1 в перспективе;
фиг.3 - блок схема, иллюстрирующая подачу электромагнитной силы на ротор в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 4 - схема последовательности операций, иллюстрирующая процесс подсчета взаимной индуктивности в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 5 - схематичный чертеж, иллюстрирующий положение позиционного управления ротора в АМП, являющемся стандартным устройством для управления концентричностью в высокооборотном асинхронном двигателе.

Как показано на фиг.1 и 2, устройство управления сердечника выполнено таким образом, что электромагнитная сила прикладывается к центральной оси ротора 50, расположенного внутри. Устройство управления сердечником включает сердечник 1, выполненный в форме цилиндра и без полюсов, и катушку 2 с множественной обмоткой. Катушка 2 соединена с регулятором 53 и рабочим элементом 56 и с внешней стороны снабжена сенсором 55.

Далее описывается функционирование изобретения.

Когда на катушку 2 подается электрический ток, создается магнитная сила, как показано на фиг.3.

Другими словами, на уровне, перпендикулярном сечению катушки 2, формируется магнитное поле и создается электромагнитная сила F для толкания ротора 50 к центру вращения.

При движении ротора 50, как показано на чертеже, магнитная индукция в нижней части сильнее, чем в верхней.

Когда магнитная индукция в нижней части сильнее, чем в верхней, образующаяся там электромагнитная сила возрастает, чтобы толкать эксцентрический ротор 50 в направлении сердечника.

В это время рабочий элемент 56 вычисляет корректированный ток в соответствии с эксцентрическими коррекционными входными данными сенсора 55 для более плавного и точного ускорения движения сердечника ротора 50.

В частности, взаимная индуктивность используется для подсчета корректированного тока в рабочем элементе 56.

Взаимная индуктивность М между первичной (p) и вторичной (s) катушками (или ротор и статор), имеющими жилы i и j (с соответствующими колонками g, k и рядами h, l ячейки), и может быть подсчитана по следующей формуле (1), а методика ее подсчета дана на схеме последовательности операций на фиг.4:
(1)
где R_s - радиус ротора;
R_p - радиус от центральной оси статора до катушки;
γ - - расстояние от центральной оси статора до определенной точки на роторе, которая двигается от точки эксцентриситета (γ);
Z - осевое расстояние от ротора и статора (=0 в этом случае);
Φ - - угловые координаты;
E, K -полные эллиптические интегралы первого и второго рода;
к - коэффициент, равный
.

Другими словами, при вводе в рабочий элемент 56 команды коррекции эксцентриситета, считываются ранее сохраненные в памяти технические характеристики катушки и одновременно выясняется значение к. В случае, если подходящее значение к не сохранено, значение к вычисляется по следующей формуле (2):
(2)
После считывания вычисленного значения к, снова выясняется значение Е, а в случае, если соответствующее значение Е не введено, оно вычисляется по следующей формуле (3):

После того как значение Е вычислено и считано, значение К (коэффициента, в состав которого входит к) опять ищется в накопителе памяти. В случае отсутствия подходящего значения К оно вычисляется по следующей формуле (4):

Когда значение К вычислено, используют следующие формулы (5), (6), (7) и (8), которые подставляют в формулу (1) для расчета взаимной индуктивности:
γ2t

= (R_stcosФ₂+y²)+R_stsinФ₂)² (5)



где H_p, H_s - толщина первичной и вторичной катушки;
W_p, W_s - первичная и вторичная ширина;
М, N - количество пересекающихся рядов, колонок (формирующих ячейку) первичной катушки;
m, n - количество пересекающихся рядов, колонок (формирующих ячейку) вторичной катушки.

Когда значение взаимной индуктивности вычислено по вышеуказанным формулам, регулятор 53 регулирует ток таким образом, чтобы идентифицировать взаимную индуктивность между верхней и нижней частями ротора 50.

Когда регулятор 53 устанавливает ток, вырабатывается более сильная магнитная индукция и движение сердечника ротора 50 точно ускоряется под воздействием электромагнитной силы в соответствии с вышеуказанной магнитной индукцией.

В частности, в сравнении с общепринятой множественностью полюсов 51 и приводной катушкой 54, настоящее изобретение лишено полюсов, функционирующих как полюса, и, таким образом, управляемые фазы значительно расширяются и становятся более точными.

Здесь формула вычисления взаимной индуктивности, используемая в общепринятом устройстве для управления концентричностью, является известной формулой Ньюмана, которая может быть выражена следующей формулой (9), где, если допустить, что количество полюсов в асинхронном двигателе равняется 360, взаимная индуктивность может быть рассчитана на основании 360•360= 129600 оборотам, в то время как в настоящем изобретении производится взаимная индуктивность на основании 90•2=180 оборотов, так как нет необходимости в вычислении полюсов:

Другими словами, вычисление становится более простым, соответственно упрощается конструкция регулятора и, таким образом, возрастает точность вычислений.

Как очевидно из вышесказанного, преимущество состоит в упрощении управления концентричностью в некоаксиальном асинхронном двигателе и в упрощении его конструкции.

Изобретение относится к технологии электрических машин и может быть использовано для управления концентричностью в некоаксиальном асинхронном двигателе. Техническим результатом является снижение производственных затрат и повышение надежности управления. Устройство для управления концентричностью в некоаксиальном асинхронном двигателе контролирует эксцентриситет между статором и ротором и содержит сенсор для выявления эксцентриситета ротора, рабочий элемент для управления током, корректирующий эксцентриситет в соответствии с данными сенсора, регулятор для управления током ротора, устройство, включающее элемент управления сердечником для создания электромагнитной силы в направлении центральной оси ротора и перпендикулярно к этой оси. В результате обеспечивается упрощение управлением концентричностью в некоаксиальном асинхронном двигателе. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для управления концентричностью в некоаксиальном асинхронном двигателе, имеющее сенсор для выявления эксцентриситета ротора, рабочий элемент, выполненный с возможностью коррекции эксцентриситета в соответствии с данными сенсора, регулятор для контроля электрического тока ротора, отличающееся тем, что содержит средство управления сердечником, выполненное с возможностью создания электромагнитной силы в направлении центральной оси ротора, для перемещения ротора, расположенного внутри, которое включает сердечник, выполненный в форме цилиндра и без полюсов, катушку с множественной обмоткой, при этом катушка соединена с регулятором и рабочим элементом, а с внешней стороны катушка снабжена сенсором, при этом рабочий элемент выполнен с возможностью вычисления корректированного тока в соответствии с эксцентрическими коррекционными входными данными сенсора. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для подсчета корректированного тока в рабочем элементе вычисляется взаимная индуктивность между верхней и нижней частями ротора по следующей формуле:

где R_s - радиус ротора;
R_p - расстояние от центральной оси статора до катушки;
γ - расстояние от центральной оси статора до определенной точки на роторе, связанное с эксцентричностью (γ);
Z - аксиальное расстояние между ротором и статором, которое в данном случае равно 0;
I, j - жилы катушки;
μ_o - магнитная проницаемость;
Ф₂ - угловая координата;

Е, К - полные эллиптические интервалы первого и второго рода.