ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК H02K41/03 H02K33/00 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к линейным электродвигателям цилиндрического исполнения с возвратно-поступательным движением, и может быть использовано в электроприводах насосов, в том числе погружных для добычи нефти, компрессоров, перемещения грузов, дверей, задвижек и т.п.

Известны линейные электродвигатели с возвратно-поступательным движением, состоящие из цилиндрического статора с фазной обмоткой, в расточке которого с зазором перемещается рабочий орган, содержащий магнитопровод с короткозамкнутой обмоткой или постоянными магнитами в зависимости от типа электрической машины (авторское свидетельство СССР 1091820, Н 02 К 41/025, 1999 г.; заявка РФ 2001 09578/09, Н 02 К 41/02, 1994 г.). Цилиндрическое исполнение известных двигателей обеспечивает наименьшие габариты и хорошую вписываемость в скважины круглой формы, например, в качестве электропривода погружных насосов для добычи нефти.

Недостатком линейных двигателей асинхронного и синхронного типов является распределенная по пазам фазная обмотка статора, которая сложна в изготовлении, трудоемка при монтаже на магнитопроводах линейных двигателей большой длины и малого диаметра и отличается низкой ремонтопригодностью. Линейные асинхронные двигатели также подвержены воздействию краевых эффектов, проявляющихся в виде тормозных сил на входе и выходе короткозамкнутого ротора в магнитное поле статора и снижающих КПД двигателя.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является вентильно-индукторный реактивный линейный электродвигатель, магнитопроводы индуктора и якоря (подвижная часть) которого выполнены в виде поперечных направлению движения автономных С-образных сердечников с полюсными выступами. На полюсных выступах сердечников индуктора установлены фазные катушки так, что каждый сердечник соответствует одной автономной фазе. Магнитопровод якоря также содержит автономные С-образные сердечники с полюсными выступами, расположенными поперечно направлению движения (патент РФ 2159494, Н 02 К 19/06, 1/06, 1999 г.). Фазные катушки обмотки поочередно подключаются к источнику постоянного тока с помощью вентильного коммутатора и рабочий магнитный поток, проходящий через полюсные выступы индуктора и якоря, создает тяговое усилие электродвигателя.

Благодаря наличию простых полюсных катушек индуктора и отсутствию обмоток на якоре двигатель обладает высокой надежностью и ремонтопригодностью в эксплуатации, не требует охлаждения якоря, не подвержен краевым тормозным эффектам и имеет высокий КПД.

Применение автономных С-образных сердечников, по каждому из которых замыкается магнитный поток только одной фазы, позволяет снизить потери в стали и уменьшить толщину ярма.

Недостатком известной конструкции линейного электродвигателя является сложность установки и крепления С-образных сердечников и фазных катушек на полюсах в линейном двигателе цилиндрического исполнения, длина которого достигает нескольких метров при ограниченном внешнем диаметре 100-150 мм. Кроме этого, расположение С-образных сердечников поперечно направлению перемещения подвижной части двигателя снижает коэффициент использования полезного объема двигателя из-за наличия междуполюсных поперечных пазов. Также конструкция магнитопроводов с автономными С-образными сердечниками не позволяет обеспечить высокую точность размеров поверхностей индуктора и якоря, прилегающих к рабочему зазору, который для снижения габаритов и повышения КПД двигателя стремятся сделать как можно меньше.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции и технологии изготовления линейного электродвигателя, уменьшение его габаритов и увеличение коэффициента полезного действия.

Указанная задача решается тем, что в линейном электродвигателе, содержащем индуктор и якорь, установленный с возможностью рабочего перемещения относительно индуктора, магнитопроводы которых выполнены в виде автономных сердечников с полюсными выступами, и фазные катушки, расположенные на полюсных выступах индуктора, автономные сердечники магнитопровода индуктора выполнены в виде колец с двумя полюсными выступами, расположенными вдоль направления рабочего перемещения якоря, в пазах между которыми установлены кольцевые фазные катушки, а магнитопровод якоря имеет форму цилиндра с кольцевидными полюсными выступами и расположен соосно внутри или снаружи сердечников магнитопровода индуктора, причем шаг (продольный сдвиг) сердечников индуктора равен , где t_n - шаг (сдвиг) полюсных выступов якоря, m - число фаз обмотки, n=1, 2, 3..., причем промежутки между кольцевыми выступами индуктора и якоря заполнены немагнитным неэлектропроводящим антифрикационным материалом, а на индукторе соосно установлены антифрикационные втулки.

Магнитопроводы индуктора и якоря выполнены из сплошного магнитомягкого материала с коэрцетивной силой не более 20 А/м и удельными магнитными потерями не более 20 Вт/кг.

Сердечники магнитопровода индуктора могут быть выполнены из двух колец с разъемом по ярму, соединяющему полюсные выступы, а фазные катушки намотаны на немагнитные неэлектропроводящие кольцевые каркасы, которые установлены между кольцами сердечников.

Сердечники магнитопроводов индуктора и якоря также набраны из пластин тонколистовой электротехнической стали, ориентированных вдоль оси электродвигателя, и с внутренней образующей колец или цилиндра сердечников пластины прилегают одна к другой, а вблизи внешней образующей они содержат выступы для прилегания.

Пластины также могут быть изогнуты вокруг оси электродвигателя по дуге до их плотного прилегания одна к другой по всей поверхности от внутренней до внешней образующей кольца или цилиндра сердечников.

В качестве полюсных выступов магнитопровода якоря могут быть применены также кольцеобразные постоянные магниты, установленные с чередующейся полярностью и продольным сдвигом, равным полюсному делению фазной обмотки индуктора.

Положительный эффект состоит в том, что в предлагаемом линейном электродвигателе выполнение сердечников магнитопроводов индуктора и якоря цилиндрическими с кольцевидными полюсными выступами значительно упрощает конструкцию двигателя, не требует крепления сердечников, которые кольцами набираются в трубчатой конструкции корпуса. Упрощается технология изготовления и укладки обмотки, состоящей из простых кольцевых катушек. Значительно уменьшаются габариты двигателя, так как катушки обмотки не содержат лобовых частей, а только пазовую, в поперечном направлении сердечники магнитопроводов не содержат пазов, снижающих коэффициент использования внутреннего объема двигателя. Кольцевая конструкция сердечников позволяет производить механическую обработку (точение, шлифование) цилиндрических поверхностей магнитопроводов индуктора и якоря, обеспечивая высокую точность сопрягаемых размеров и минимальный рабочий зазор линейного электродвигателя. Поэтому электродвигатель потребляет минимальное количество электроэнергии и имеет высокий КПД. Благодаря заполнению промежутков между кольцевыми выступами антифрикационным материалом упрощается стабилизация положения якоря со скольжением относительно индуктора при его перемещении.

На фиг.1 показано продольное сечение линейного электродвигателя.

На фиг.2 показано продольное сечение разъемного сердечника магнитопровода индуктора и фазной катушки, намотанной на каркасе.

На фиг.3 и 4 показаны варианты выполнения сердечников магнитопроводов индуктора и якоря из пластин листовой стали.

На фиг.5 показано продольное сечение линейного электродвигателя с постоянными магнитами на якоре.

На фиг.6 показано продольное сечение линейного электродвигателя с магнитопроводом якоря, расположенным снаружи магнитопровода индуктора.

Индуктор 1 (см. фиг.1) линейного электродвигателя состоит из ряда сердечников 2 магнитопровода индуктора, выполненных в виде колец, каждое из которых имеет два полюсных выступа 3, образующих кольцевые пазы, в которые уложены катушки 4 фазной обмотки индуктора 1. Промежутки между сердечниками 2 заполняются проставками 5 из немагнитного неэлектропроводящего антифрикационного материала, которые могут быть снабжены осевыми пазами или каналами для подвода охлаждения к торцевым поверхностям сердечников 2. В зависимости от числа фаз т обмотки индуктора шаг (продольный сдвиг) сердечников 2 равен , где t_n - шаг (продольный сдвиг) полюсных выступов якоря, n=1, 2, 3... Внутри кольцевых сердечников 2 с небольшим фиксированным зазором установлен якорь 6, содержащий цилиндрический магнитопровод 7 с кольцевыми полюсными выступами 8. Промежутки между выступами 8 также заполняются немагнитным неэлектропроводящим антифрикационным материалом, например, путем заливки с последующим отверждением и механической обработкой при необходимости. Зазор между магнитопроводами индуктора 1 и якоря 6 при рабочем возвратно-поступательном движении последнего поддерживается с помощью направляющих со скольжением взаимодействующих с поверхностью якоря 6 антифрикционных втулок 9, расположенных соосно на входе и выходе из индуктора 1 и при необходимости в его средней части. При нецелесообразности использования поверхности якоря для скользящего взаимодействия со втулками 9 вместо нее может быть применена установленная в продолжении якоря с обоих его концов или в его средней части дополнительная ось. Для фиксации зазора также могут быть использованы проставки 5, которые несколько выступают в зазор относительно сердечников 2 и выполняются из антифрикционного материала. Для лучшего скольжения цилиндрическая поверхность якоря шлифуется, а пазы между выступами 8 заполняются антифрикционным материалом.

Сердечники 2 и магнитопровод 7 выполняются из сплошного магнитомягкого материала с коэрцетивной силой не более 20 А/м и удельными магнитными потерями не более 20 Вт/кг методом литья, спекания или прессования.

Для удобства укладки фазных катушек 4 и повышения надежности их изоляции сердечники 2 выполняются разъемными по ярму, соединяющему полюсные выступы 3, и состоят из двух колец 10 и 11 (см. фиг.2). При этом фазные катушки 4 наматываются на каркасы 12, изготовленные из немагнитного и неэлектропроводящего материала и имеющие форму катушки с размерами, соответствующими пазу, образованному полюсными выступами колец 10 и 11. Выводы катушек 4 пропускаются через отверстия в полюсных выступах или через углубления, выполненные на поверхностях разъема сердечников и их внешней цилиндрической поверхности, для электрического соединения с другими катушками фазной обмотки.

Варианты изготовления сердечников 2 и 7 из пластин тонколистовой электротехнической стали, представленные на фиг.3 и 4, применяются для электродвигателей с большими рабочими индукциями (1,8-2,2 Тл) и высокими частотами фазовой коммутации. Пластины 13 и 14 (см. фиг.3) штампуются из листовой стали, имеют П-образную форму (два полюсных выступа, соединенные ярмом) и выступ на боковой поверхности вблизи внешней образующей кольца или цилиндра сердечника. Выступ образован простым изгибом пластины с линией перегиба, параллельной оси двигателя. Пластины 13 и 14 попарно прилегают между собой от внутренней кромки до выступа и по внешним кромкам между соседними парами. Зазоры между пластинами 13 и 14 заполняются пропиточным компаундом до образования монолитной конструкции сердечника. Выступы на пластинах 13 и 14 могут быть любой другой формы и в другом количестве. Пластины 15 (см. фиг.4) штампуются также П-образной формы и изгибаются по дуге с радиусом, обеспечивающим прилегание пластин 15 по всей поверхности между собой без зазоров от внутренней до внешней образующей кольца или цилиндра сердечников индуктора и якоря.

Якорь 16 (см. фиг.5) линейного электродвигателя содержит магнитопровод 17, на котором вместо кольцевых полюсных выступов установлены кольцевые постоянные магниты 18 с продольным сдвигом между ними, равным полюсному делению τ обмотки индуктора 19. Полюсное деление τ при питании обмотки синусоидальным переменным током равно половине шага (продольного сдвига) катушек одной фазы. Вдоль оси двигателя полярность магнитов 18 чередуется. Промежутки 20 между магнитами 18 заполнены немагнитным неэлектропроводящим антифрикционным материалом, несколько выступающим в зазор относительно кольцевого магнита 18 для предохранения постоянных магнитов от соударений с индуктором и обеспечения скольжения без трения в направляющих антифрикционных втулках 21.

На фиг.1-5 приведены примеры выполнения линейного электродвигателя с магнитопроводом якоря, расположенным соосно внутри магнитопровода индуктора. При необходимости аналогичные решения позволяют выполнить электродвигатель с магнитопроводом якоря, расположенным соосно снаружи магнитопровода индуктора (см. фиг.6).

Индуктор 22 содержит кольцевые сердечники 23 с полюсными выступами 24, в пазах между которыми уложены катушки 25 фазной обмотки. Между сердечниками 23 также устанавливаются кольцевые проставки 26 из немагнитного неэлектропроводящего антифрикационного материала. Снаружи индуктора 22 с минимальным зазором соосно установлен якорь, состоящий из цилиндрического магнитопровода 27 с кольцевыми полюсными выступами, запрессованного в корпус 28 трубчатой формы. На торцевых стенках корпуса 28 соосно с якорем закреплена направляющая ось 29, предназначенная для фиксации рабочего зазора электродвигателя, вдоль которой перемещается индуктор 22, на концах которого и при необходимости в его средней части соосно установлены направляющие антифрикционные втулки 30 и 31, взаимодействующие со скольжением с осью 29.

При работе линейного электродвигателя фазы обмотки индуктора подключаются поочередно к источнику постоянного тока через электронный коммутатор по командам датчика положения якоря. При этом рабочий магнитный поток, создаваемый катушками 4 подключенной фазы, проходит по сердечникам 2 и полюсным выступам 3 индуктора 1 через рабочий зазор между индуктором и якорем, по полюсным выступам 8 и замыкается на спинке магнитопровода 7 якоря 6. В результате магнитного тяжения выступов 8 якоря 6 к полюсным выступам 3 индуктора 1 образуется тяговое усилие, перемещающее якорь 6 в положение, при котором полюсные выступы индуктора и якоря, принадлежащие данной фазе, устанавливаются напротив или вблизи друг друга. В этот момент по сигналу датчика положения ток с данной фазы переключается на другую фазу, полюсные выступы которой находятся теперь в таком же исходном положении, как и предыдущая фаза, чтобы обеспечить тяговое усилие от другой фазы в том же направлении.

Таким образом, цикл образования тягового усилия повторяется для каждой фазы, а затем снова начинается с первой фазы. Скорость перемещения якоря равна v=t_n·ƒ, где ƒ - частота коммутации фазы обмотки.

Работа линейного электродвигателя в варианте с постоянными магнитами (см. фиг.5) отличается тем, что фазная обмотка питается переменным синусоидальным или близким к нему по форме током через вентильный коммутатор по командам датчика положения якоря. Рабочий магнитный поток, возбуждаемый постоянными магнитами 20, взаимодействует с бегущим магнитным полем, образованным фазной обмоткой, в результате чего создается тяговое усилие линейного электродвигателя. При этом скорость перемещения якоря равна v=2τ·ƒ, где ƒ - частота питания фазной обмотки.

На основании вышеизложенного и по результатам проведенного патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый линейный электродвигатель отвечает критериям «новизна», «изобретательский уровень», «промышленная применимость» и может быть защищен патентом Российской Федерации.

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в электроприводах погружных и перекачивающих насосов, в электроприводах компрессоров, перемещения грузов, дверей, задвижек и т.д. Индуктор линейного электродвигателя выполнен в виде ряда кольцевых расположенных с определенным продольным шагом сердечников, каждый из которых имеет два полюсных выступа, между которыми уложены кольцевые катушки фазной обмотки. Внутри или снаружи индуктора установлен с возможностью скользящего перемещения цилиндрический якорь с кольцевыми полюсными выступами. Сердечники магнитопроводов электродвигателя могут быть выполнены из сплошного магнитомягкого материала или из пластин тонколистовой стали специальной формы. Вариантом исполнения является электродвигатель с постоянными кольцевыми магнитами на якоре. Тяговое усилие линейного электродвигателя образуется при подключении фаз обмотки к электронному коммутатору, работающему по командам датчика положения якоря. Технический результат заключается в упрощении изготовления статора, уменьшении габаритов, а также в повышении КПД. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Линейный электродвигатель, содержащий индуктор и якорь, установленный с возможностью рабочего перемещения относительно индуктора, магнитопроводы которых выполнены в виде автономных сердечников с полюсными выступами, расположенными вдоль направления рабочего перемещения якоря, и фазные катушки, расположенные на полюсных выступах индуктора, отличающийся тем, что автономные сердечники магнитопровода индуктора выполнены из двух колец с разъемом по ярму, соединяющему полюсные выступы, а фазные катушки намотаны на немагнитные неэлектропроводящие кольцевые каркасы, которые вместе с катушками установлены между кольцами сердечников.2. Линейный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что магнитопроводы индуктора и якоря выполнены из сплошного магнитомягкого материала с коэрцетивной силой не более 20 А/м и удельными магнитными потерями не более 20 Вт/кг.3. Линейный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что сердечники магнитопроводов индуктора и якоря набраны из пластин тонколистовой электротехнической стали, ориентированных вдоль оси электродвигателя, и с внутренней образующей колец или цилиндра пластины прилегают одна к другой, а вблизи внешней образующей они содержат выступы для прилегания.4. Линейный электродвигатель по п.3, отличающийся тем, что пластины изогнуты по дуге вокруг оси электродвигателя до плотного прилегания одна к другой по всей поверхности от внутренней до внешней образующей кольца или цилиндра сердечников.5. Линейный электродвигатель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в качестве полюсных выступов магнитопровода якоря применены кольцевые постоянные магниты, установленные с чередующейся полярностью с продольным сдвигом, равным полюсному делению обмотки индуктора.