РЕВЕРСИВНЫЕ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ С ЧИСЛОМ ФАЗ, БОЛЬШИМ ИЛИ РАВНЫМ ТРЕМ, И ДВУХПОЛЮСНЫМ РОТОРОМ Российский патент 2010 года по МПК H02K19/10 H02K29/00 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в электроприводах различных механизмов и исполнительных устройствах автоматических систем.

Известен индукторный нереверсивный двухфазный двигатель, содержащий явнополюсный статор, имеющий четыре полюса, и двухполюсный ротор, выполненный в виде двух цилиндрических поверхностей, имеющих несовпадение осей, при этом поперечное сечение обеих поверхностей имеет высшую точку относительно центра ротора, каждая поверхность ограничена с краев выступом так, что нижние точки одного выступа и верхние точки другого выступа принадлежат одной поверхности, аналогично - для другой поверхности. Протяженность дуг обеих поверхностей составляет 180° [Патент США №3679953, МКИ H02K 29/00. - Опубл. 1972 г.].

Известен нереверсивный двухфазный электродвигатель с переменным магнитным сопротивлением, содержащий явнополюсный статор с четырьмя полюсами, на которых размещены четыре сосредоточенных обмотки, и ротор с двумя полюсами, а цилиндрические поверхности полюсов ротора имеют разные диаметры, центры которых совпадают с осью ротора [Патент РФ №2089034, МКИ H02K 29/10. - Опубл. 27.08.97. Бюл. №24].

Известен двухтактный нереверсивный шаговый двигатель с искусственным расширением устойчивой зоны, содержащий явнополюсный статор с четырьмя полюсами и сосредоточенными обмотками и несимметричный явнополюсный ротор с двумя клювообразными выступами на полюсах, направленными в сторону вращения [Дискретный электропривод с шаговыми двигателями, под общ. ред. М.Г.Чиликина. М., «Энергия», 1971, с.94-103].

Такие двигатели могут вращаться только в одну сторону, что делает невозможным их применение в качестве приводов механизмов, в которых реверс является необходимым, например приводов подач станков.

Следовательно, в результате отсутствия возможности реверса недостатком известных вентильно-индукторных двигателей является ограничение области применения.

Из известных технических решений наиболее близкими по достигаемому результату к предлагаемому изобретению являются вентильно-индукторные двигатели с числом фаз m≥3, содержащие явнополюсный симметричный статор с 2m полюсами, на которых размещены 2m сосредоточенные обмотки, и ротор с 2(m-1) полюсами, причем поверхность полюсов ротора имеет форму цилиндра постоянного диаметра, ось которого совпадает с осью ротора [Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - М., Издательство МЭИ, 2003. - с.6, рис.2], где m -число фаз вентильно-индукторного двигателя.

При работе таких двигателей частота вращения ротора меньше частоты первой гармоники токов обмоток фаз в 2(m-1) раз.

Мощность потерь в магнитопроводе от гистерезиса , где P_г - мощность потерь в магнитопроводе от гистерезиса; δ_г - гистерезисный коэффициент, значение которого зависит от марки стали; f - частота первой гармоники токов обмоток фаз; В_m - амплитуда магнитной индукции; n - показатель степени, который зависит от насыщения магнитопровода; G -вес сердечника. Мощность потерь в магнитопроводе на вихревые токи: , где P_в - мощность потерь в магнитопроводе на вихревые токи; δ_в - коэффициент вихревых токов, значение которого зависит от сорта стали и толщины листов; γ - коэффициент, значение которого зависит от конструкции магнитопровода [Касаткин А.С. Основы электротехники. - М. - Л., «Энергия», 1966. с.243 - 246].

Наличие скин-эффекта в проводниках обмоток, возникающего в результате присутствия первой и высших гармоник тока, увеличивает сопротивление проводников обмоток вентильно-индукторных двигателей.

при k<1,

при 1,5<k<10,

при k>10,

где r_ω - эффективное сопротивление проводника радиусом r переменному току с частотой ω; r₀ - сопротивление проводника постоянному току; ;

δ=2(2µµ₀γω)^-0,5; µ₀=4π·10^-7 Гн/м - магнитная проницаемость вакуума; µ - относительная магнитная проницаемость материала проводников; γ - удельная электропроводность проводника для постоянного тока; δ - расстояние от поверхности проводника, на котором плотность тока уменьшается в e раз по сравнению с его плотностью на поверхности [Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М, Наука, 1968. С.460].

Из этих выражений видно, что при увеличении частоты вращения ротора реверсивных вентильно-индукторных двигателей мощность потерь в магнитопроводе и омических потерь в обмотках возрастает.

Следовательно, недостатками известных реверсивных вентильно-индукторных двигателей является большая мощность потерь в магнитопроводе и омических потерь в обмотках при высоких частотах вращения ротора.

Целью предлагаемого изобретения является снижение мощности потерь в магнитопроводе и омических потерь в обмотках реверсивных вентильно-индукторных двигателей, обусловленных наличием в обмотках фаз первой и высших гармоник тока.

Поставленная цель достигается тем, что в известных реверсивных вентильно-индукторных двигателях с числом фаз m≥3, содержащих явнополюсный симметричный статор с 2m полюсами, на которых размещены 2m сосредоточенные обмотки, симметричный ротор содержит два полюса с четырьмя клювообразными выступами на полюсах, причем поверхности полюсов ротора выполнены в виде пяти цилиндрических поверхностей одинакового радиуса, ось одной цилиндрической поверхности совпадает с осью ротора, а эта поверхность расположена в центральных частях полюсов ротора, угловая ширина этой поверхности в каждом полюсе ротора равна угловой ширине полюса статора, а оси четырех цилиндрических поверхностей с угловой шириной, в два, два с половиной раза большей угловой ширины полюсного деления статора, не совпадают с осью ротора.

При этом частота первой и высших гармоник тока обмоток фаз уменьшается в m-1 раз за счет уменьшения числа полюсов ротора. Частота первой гармоники тока обмоток фаз в таких двигателях равна удвоенной частоте вращения ротора.

По сравнению с наиболее близкими аналогичными техническими решениями предлагаемые устройства имеют следующие новые признаки:

1) число полюсов симметричного ротора равно двум;

2) ротор имеет четыре клювообразных выступа по два на каждом из полюсов;

3) поверхности полюсов ротора выполнены в виде пяти цилиндрических поверхностей одинакового радиуса, ось одной цилиндрической поверхности совпадает с осью ротора, а эта поверхность расположена в центральных частях полюсов ротора, угловая ширина этой поверхности в каждом полюсе ротора равна угловой ширине полюса статора, а оси четырех цилиндрических поверхностей с угловой шириной, в два, два с половиной раза большей угловой ширины полюсного деления статора, не совпадают с осью ротора.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».

При реализации предлагаемого изобретения частота первой и высших гармоник тока фаз снижается в m-1 раз при одинаковой частоте вращения ротора. Это приводит к уменьшению мощности потерь в магнитопроводе на гистерезис, мощности потерь в магнитопроводе на вихревые токи и мощности потерь в омическом сопротивлении обмоток, возникающих за счет скин-эффекта, при одинаковой частоте вращения ротора. При одинаковых потерях реализация предлагаемого изобретения позволяет увеличить частоту вращения и мощность двигателя.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».

По отличительным признакам проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики и электропривода.

Реверсивных вентильно-индукторных двигателей с числом фаз m≥3, содержащих явнополюсный симметричный статор с 2m полюсами, на которых размещены 2m сосредоточенные обмотки, и симметричный ротор, содержащий два полюса с четырьмя клювообразными выступами на полюсах и поверхностями полюсов ротора, выполненными в виде пяти цилиндрических поверхностей одинакового радиуса, ось одной цилиндрической поверхности совпадает с осью ротора, а эта поверхность расположена в центральных частях полюсов ротора, угловая ширина этой поверхности в каждом полюсе ротора равна угловой ширине полюса статора, а оси четырех цилиндрических поверхностей с угловой шириной, в два, два с половиной раза большей угловой ширины полюсного деления статора, не совпадают с осью ротора, не обнаружено.

Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показан шестифазный вентильно-индукторный двигатель с двенадцатью полюсами статора, на которых размещены двенадцать сосредоточенных обмоток, содержащий симметричный ротор с двумя полюсами и с четырьмя клювообразными выступами на полюсах, с поверхностями полюсов ротора, выполненными в виде пяти цилиндрических поверхностей одинакового радиуса, ось одной цилиндрической поверхности совпадает с осью ротора, а эта поверхность расположена в центральных частях полюсов ротора, угловая ширина этой поверхности в каждом полюсе ротора равна угловой ширине полюса статора (≈15°), а оси четырех цилиндрических поверхностей с угловой шириной, в два, два с половиной раза большей угловой ширины полюсного деления статора (≈70°), не совпадают с осью ротора.

На фиг.1 обозначено: 1 - статор; 2 - ротор; 3 - обмотка; 4 - цилиндрическая поверхность с угловой шириной, равной угловой ширине полюса статора, расположенная в центральных частях полюсов ротора, ось этой поверхности совпадает с осью ротора; 5, 6, 7, 8 - четыре цилиндрические поверхности с угловой шириной, в два, два с половиной раза большей угловой ширины полюсного деления статора, и с осями, не совпадающими с осью ротора.

На фиг.2 показан шестифазный вентильно-индукторный двигатель с двенадцатью полюсами статора, на которых размещены двенадцать сосредоточенных обмоток, и вышеописанным ротором, ротор которого находится в положении, при котором токи протекают в обмотках фаз В и С.

На фиг.2 обозначено: 1 - статор; 2 - ротор; 3 - обмотка; 9 - магнитные силовые линии; А, В, С, D, Е, F - полюсы статора, на которых расположены обмотки соответствующих фаз; N и S - полярность намагниченности полюсов статора, при наличии тока в этих фазах.

На фиг.3 показан шестифазный вентильно-индукторный двигатель с двенадцатью полюсами статора, на которых размещены двенадцать сосредоточенных обмоток, и вышеописанным ротором, ротор которого находится в положении, при котором токи протекают в обмотках фаз В, С и D.

На фиг.3 обозначено: 1 - статор; 2 - ротор; 3 - обмотка; 9 - магнитные силовые линии; А, В, С, D, Е, F - полюсы статора, на которых расположены обмотки соответствующих фаз; N и S - полярность намагниченности полюсов статора, при наличии тока в этих фазах.

На фиг.4 показана схема обмоток шестифазного вентильно-индукторного двигателя с двенадцатью полюсами статора, на которых размещены двенадцать сосредоточенных обмоток.

На фиг.4 обозначено: А, В, С, D, Е, F - полюсы статора, на которых расположены обмотки соответствующих фаз; НА, НВ, НС, HD, НЕ, HF - начала обмоток фаз; КА, KB, КС, KD, КЕ, KF - концы обмоток фаз; N и S - полярность намагниченности полюсов статора, при наличии тока в этих фазах; стрелками обозначено направление протекания токов.

Каждая из шести фазных обмоток А, В, С, D, Е, F, схема которых показана на фиг.4, состоит из двух последовательно соединенных секций, размещенных на противоположных полюсах статора 1. Направление токов и схема обмоток, показанные на фиг.4, выбраны таким образом, что полярность намагниченности смежных полюсов статора - противоположная, а полярность намагниченности противоположных полюсов статора - одинаковая. Индуктивность каждой фазы изменяется по закону, близкому к описываемому выражением: L=L_мин+0,5(L_мак-L_мин)(1+cos2θ), где L - индуктивность фазы; L_мин - минимальная индуктивность фазы; L_мак - максимальная индуктивность фазы; θ -угол поворота ротора, при этом сдвиг фаз изменения индуктивностей соседних фаз составляет . Для шестифазного реверсивного вентильно-индукторного двигателя эта величина равна тридцати механическим градусам, согласно диаграммам фиг.5.

На фиг.5 показаны диаграммы работы шестифазного вентильно-индукторного двигателя.

На фиг.5 обозначено: L_A,L_B,L_C,L_D,L_E,L_F - дифференциальные индуктивности фаз двигателя; i_A,i_B,i_C,i_D,i_E,i_F - текущее значение токов фаз двигателя; θ - угол поворота ротора в механических градусах.

Положительный эффект в предлагаемом техническом решении объясняется на примере вентильно-индукторного двигателя с числом фаз, равным шести, следующим образом. Частота первой и высших гармоник тока фаз снижается в раз, где z_pn - число полюсов ротора прототипа при m=6, z_p - число полюсов ротора, предложенной конфигурации, вентильно-индукторного двигателя, за счет меньшего числа полюсов ротора, при одинаковой частоте вращения ротора. Частота первой гармоники тока обмоток фаз, имеющая наибольшую амплитуду, в таких двигателях равна удвоенной частоте вращения ротора. Это приводит к уменьшению мощности потерь в магнитопроводе на гистерезис, мощности потерь в магнитопроводе на вихревые токи и омических потерь в обмотках при одинаковой частоте вращения ротора. При одинаковой мощности потерь увеличивается частота вращения и мощность двигателя.

Следовательно, при реализации предлагаемого изобретения улучшаются энергетические характеристики двигателя.

Таким образом, использование в известных реверсивных вентильно-индукторных двигателях с числом фаз m≥3, содержащих симметричный явнополюсный статор с 2m полюсами, на которых размещены 2m сосредоточенные обмотки, симметричного ротора, содержащего два полюса с четырьмя клювообразными выступами на полюсах, с поверхностями полюсов ротора, выполненными в виде пяти цилиндрических поверхностей одинакового радиуса, и осью одной цилиндрической поверхности, совпадающей с осью ротора, причем эта поверхность расположена в центральных частях полюсов ротора, а угловая ширина этой поверхности в каждом полюсе ротора равна угловой ширине полюса статора, и осями четырех цилиндрических поверхностей с угловой шириной, в два, два с половиной раза большей угловой ширины полюсного деления статора, не совпадающими с осью ротора, приводит к уменьшению потерь мощности.

Использование предлагаемого устройства в различных промышленных системах позволит улучшить технические характеристики оборудования, оснащенного электроприводами с такими вентильно-индукторными двигателями.

Изобретение относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения вентильно-индукторных двигателей с числом фаз m≥3. Предлагаемый вентильно-индукторный двигатель содержит двухполюсный симметричный ротор и явнополюсный симметричный статор с сосредоточенными обмотками. Статор имеет 2m полюсов, а ротор содержит два полюса с четырьмя клювообразными выступами на полюсах, причем поверхности полюсов ротора выполнены в виде пяти цилиндрических поверхностей одинакового радиуса, ось одной цилиндрической поверхности совпадает с осью ротора, эта поверхность расположена в центральных частях полюсов ротора, угловая ширина этой поверхности в каждом полюсе ротора равна угловой ширине полюса статора, а оси четырех цилиндрических поверхностей с угловой шириной в два, два с половиной раза большей угловой ширины полюсного деления статора не совпадают с осью ротора. Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, состоит в улучшении энергетических характеристик двигателя, а именно - в снижении мощности потерь в магнитопроводе и обмотках реверсивных вентильно-индукторных двигателей с числом фаз m≥3, что обусловлено уменьшением частоты первой и высших гармоник токов обмоток фаз, при частоте вращения ротора, равной частоте вращения ротора традиционных реверсивных вентильно-индукторных двигателей с числом полюсов ротора 2(m-1), либо в увеличении частоты вращения и мощности двигателя при одинаковой мощности потерь с традиционными реверсивными вентильно-индукторными двигателями. 5 ил.

Реверсивные вентильно-индукторные двигатели с числом фаз m, большим или равным трем, содержащие явнополюсный симметричный статор с 2m полюсами, на которых размещены 2m сосредоточенные обмотки, и симметричный ротор, отличающиеся тем, что симметричный ротор содержит два полюса с четырьмя клювообразными выступами на полюсах, причем поверхности полюсов ротора выполнены в виде пяти цилиндрических поверхностей одинакового радиуса, ось одной цилиндрической поверхности совпадает с осью ротора, а эта поверхность расположена в центральных частях полюсов ротора, угловая ширина этой поверхности в каждом полюсе ротора равна угловой ширине полюса статора, а оси четырех цилиндрических поверхностей с угловой шириной в два, два с половиной раза большей угловой ширины полюсного деления статора, не совпадают с осью ротора.