Линейный электрический двигатель Советский патент 1984 года по МПК H02K41/02 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к специальным электрическим машинам, подвижные элементы которых имеют относительно статора одну, две или три кинематические степени свободы и которые могут использоваться в качестве эле роприводов устройств перемещения (по-линейным координатам) или разворота (по угловым координатам), на пример, в автоматике и измерительно технике. Известна линейная асинхронная электрическая машина с поперечно (относительно направления движения .подвижного элемента) замыкающимся магнитным потоком J1j. Недостатками данной машины являются наличие зубцов на рабочей поверхности магнитопровода, большая длина пути магнитного потока в мате риале (подвижного элемента) и ограниченность частоты питающего напряжения (в основном до 50-60 Гц). Наиболее близким по технической сущности к изобретению является линейный электрический двигатель, содержащий магнитопровод, имеющий в с чении П-образную форму, катушки мно гофазной обмотки, размещенные вдоль продольной оси с фиксированньпу шагом, и. подвижный элемент zj . Однако наличие -зубцов на рабочей поверхности двигателя приводит к снижению энергетических показателей. Целью изобретения является улучш ние энергетических показателей. Эта цель достигается тем, что в линейном электрическом двигателе,, содержащем мапйтопровод, имекяций в сечении П-образйую форму, катушки многофазной обмотки,, размещенные вдоль продольной оси с фиксированны шагом, а подвижный элемент, продоль ные стороны магнитопровода снабжены полюсными наконечниками, обращенными навстречу друг другу, а в спинке ма нитопровода вьшолнена окна, перемыч ки между которыми обхвачены катушка ми многофазной обмотки. Кроме того, в боковой стенке маг нитопровода выполнены поп еречные пр рези, берущие свое начало из окон спинки магнитопровода/. На фиг. 1 представлен магнитопро вод электрического двигателя; на Лиг. 2 - магнитопровод с размещенно 432 на нем обмо-гкой; на фиг. 3 - электрический двигатель, пр-одольное сечение; на фиг. 4 - 6 - поперечные сечения соответственно А-А, Б-Б,В-В нафиг.З; на фиг. 7 - сечение Г-Г на фиг. 3 (нижняя часть магнитопровода); на фиг. 8 - электрический двигатель с изогнутым в кольцо магнитопроводом и подвижным элементом в виде конуса; на фиг. 9 - двигатель с подвижным элементом в виде конуса и внешним индуктором; на фиг. 10 - двигатель с коническим подвижным элементом и внутренним индуктором; на фиг.11двигатель с цилиндрическим подвижным элементом и внешним индуктором; на фиг. 12 - двигатель с цилиндрическим подвижным элементом и внутренним индуктором; на фиг. двигатель с подвижным элементом в виде части сферы; на фиг. 14 - двигатель с внешним индуктором; на фиг. 15 - двигатель с внутренним индуктором; на фиг. 16 - структурная схема двухфазной однокатушечной обмотки (контур магнитопровода показан пунктирЬм); на фиг. 17 - структурная схема пространственного -расположения двухфазной распределительной обмотки (многокатушечной; в конкретном случае три катушки на один полюс одной фазы индуктора) . Электрический двигатель содержит подвижный элемент 1, магнитопровод 2, имеющий в сечении П-образную форму, при этом продольные стороны магнито-. провода снабжены полюсными наконечниками, обращенными навстречу друг другу. В спинке магнитопровода вьтолнены окна, перемычки между которыми обхвачены катушками многофазной обмотки; Катушки 3 одной фазы и катушки 4 другой фазы. Магнитопроводы вьшолняются из магнитодиэлектрика или продольно-шихтованным. I Для существенного уменьшения паразитной индуктивности (а следовательно, для уменьшения паразитного магнитного поля) лобовых частей катушек одной фазы обмотки делается прорезь 5 поперек паразитного магнитного потока лобовой части катушек фаз или включение в виде полоски из немагнитного материала (например, из алюминия или меди). причем они могут быть распространены не на все поперечное сечение боковой части магнитопровода, а захватывать лишь только 3 ту часть бокового сечения, которая непосредственно прилегает к ярму. Длина (размер) этой прорези может изменяться в широких пределах и выбираться согласно расчету. Электрический двигатель работает следующим образом. При прохождении переменного тока по обмотке одной из фаз создается магнитное поле с чередующимися вдоль магнитопровода индуктора полюсами, силовые линии поля замыкаются в сечениях, перпенщикулярных продольной линии магнитопровода. Аналогично работают и обмотки других фаз с той лишь разницей, что полюса их магнитных полей будут иметь соответствуюад1й пространственньйфазовый сдвиг, величина которого определяется числом фаз, а именно: две фазы 90 эл. град., три фазы - 120эл.гр.ад и т.д. Поскольку, как и у обьмных электрических машин переменного тока, многофазная обмотка запитана многофазным напряжением, временной сдвиг фаз которого определяется числом фаз, машине возникает бегущее вдоль продольной линии магнитопр вода электромагнитное поле, которое взаимодействуя с материалом подвижного элемента, вызывает электромеханическое преобразование энергии (в случае генератора - механической в эл(гктрическую, а в случае .двигателя электрической в механическую). В рабочей активной зоне, в которой образуется бегущее магнитное поле при помощи многофазной обмотки нет зубцов, а cлe;; oвaтeльнo, на форму кривой пространственного распределения индукции магнитного поля в рабочей зоне или в воздушном зазор не будут влиять зубцовые гармоники поля, при этом не будет дополнительных потерь tiT вихревых токов,парази ных усилий (моментов) и т.д., что приведет к увеличению полезного тяго вого усилия (момента), КПД и коэффициента использования магнитного поля машины. Поскольку временной гармони ческий состав усилия (момента) определяется пространственным гармоничес - КИМ составом индукции магнитного по ля и скоростью движения подвижного элемента электродвигателя, то в слу чае отсутствия зубцовых гармоник маг нитного поля гармонический состав (спектр) усилия (момента) будет в 34 меньшей степени зависеть от скорости движения подвижного элемента, что очень важно для прецизионных высокоточных (высокоиспользованных по маг- нитному полю), асинхронных электрических машин, которые применяются в системах автоматики и измерительной техники. Аналогичны действия эубцовых гармоник на КПД, коэффициент использования, когда электрическая машина работает в качестве генератора. Благодаря такой конструкции магнитопровода и размещению обмоток удалось уменьшить длину пути.магнитного потока в материале подвижного элемента за счет уменьшения рабочей зоны, активно не участвующей в создании тягового усилия (момента), но череэ которую замыкается магнитньй поток, Это привело к уменьшению магнитного сопротивления контура (цепи) электрической машины, увеличению КПД, коэффициента использования магнитного поля машины, а также дало возможность повысить допустимый предел частоты питающего напряжения, ибо с уменьшением средней длины магнитной силовой линии магнитного потока в подвижном элементе можно снизить необходимую глубину проникновения магнитного поля в материал подвижного элемента, следовательно, появиласьвозможность повысить частоту питающего напряжения при одинаковых с известным устройстBOM геометрических размерах магнитопровода. Таким образом, стало возмож-, ным изготовление электрических машин такого типа на большие частоты питающего напряжения без существенного увеличения габаритов электрических машин и с более высокими энергетическими показателями. I С целью упрощения технологии изготоВления электрической машины магнитопровод ее индуктора может быть составлен из двух частей, т.е. разъемным по стыковочной поверхности (фи. 4-7). На одной из частей магнитопровода, где сделаны отверстия в ярме, располагаются катушки многофазной обмотки, которые предварительно отдельно наматываются, а затем к этой части пристыковывается другая часть магнитопровода и механически скрепляется с первой. С целью расширения области применения двигателя, который имеет высокие энергетические показатели, маг-

нитопровод его индуктора выполнен .свернутым в замкнутое круговое кольцо. При этом рабочие поверхности магнитопровода индуктора и подвижного элемента могут быть плоскими, коническими, цилиндрическими и сферическими, а подвижной элемент может совершать вращательное движение вокруг осикольца магнитопровода индуктора. Таким образом, такой электродвигатель имеет одну вращательную степень свободы вокруг оси Z.

Для создания многостепенных электрических машин с поперечным потоком необходимо магнитопровод ее индуктора свернуть в замкнутое прямоугольное кольцо (со стороны рабочей зоны магнитопровод имеет в плане форму прямоугольника) . На каждой стороне этого прямоугольного кольца в отверстиях . магнитопровода индуктора размещается .многофазная обмотка. Все эти одинаковые четыре многофазные обмотки аналогичны ранее приведенным и соединяются для.работы между собой по типу обмоток дугостаторных электродвигателей с шаровым ротором. Рабочие активные поверхности индуктора и подвижного элемента таких электрических машин могут быть сферическими (вьтуклыми или ВОГНУТЫМИ) или плоскими. При этом рабочая сферическая поверхность подвижного элемента может быть замкнутой или не замкнутой, т.е. являться произвольной частью сферы. В случае, когда рабочие активные поверхности .магнитопровода индуктора подвижного элемента являются софокусными сферами или их частями, подвижный элемент электрической машины может совершать, имея три вращательные кинематические .степени свободы относительно индуктора, трехмерный угловой поворот .(как и дугостаторные; мапшны с шаровым ротором) . При плоской рабочей поверхности индуктора и ротора подвижный эле.мент имеет одну вращательную и две поступательные кинематические степени свободы. Эти. многостепенные электрические машины могут применяться для высокоиспользованных электроприводов различных сканирующих устройств,графопостроителей и т.д.

1. ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий магнитопровод, имеющий в сечении П-образную форму, .катушки многофазной обмотки, размещенные вдоль продольной оси с фиксированньм шагом и подвижньй эпе-, мент, отличаю.щийся тем, что, с целью улучшения энергетическихпоказателей, продольные стороны магнитопровода снабжены полюсными наконечниками, обращенными навстречу друг другу, а в спинке магнитопровода выполнены окна перемычки между которыми обхвачены катушками многофазной обмотки. 2. Двигатель по ii.l, о т л и чающийся тем, что, в боковой стороне магнитопровода выполнены поперечные прорези, беруще свое начало из окон спинки магнитопровода.. (Л to 00 ОЭ оэ

Фиг. г

Л-Л

ж, -Ч

JLl

6-6

Ч99 У - я№л Tfffff.fom

Д|

/

W3.

Фиг.6

(риг. 5

ft

Фиг.9

%г.// .1t п и J

CD

Фи1.1

ф14г.Щ

fut.S

Фиг.17