Электрическая машина с возбуждением от постоянных магнитов Советский патент 1989 года по МПК H02K21/14 

Изобретение относится к электромашинам, возбуждаемым постоянными магнитами, и может быть использовано в синхронных генераторах, вентильных генераторах постоянного тока или в ге нераторах для мапп нно-вентильной системы генерирования ПСПЧ (переменная скорость - постоянная частота) с приводом от силовых установок, частота вращения которых постоянна, а также в регулируемых вентильных двигателях постоянного тока с пшроким частотным диапазоном регулирования.

Цель изобретения - повышение точности стабилиз.щии и расширение диапазона регулирования выходного напряжения машины в режиме генератора при переменных частоте вращения и нагрузке.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема электрической машины, продольный разрез; на фиг. 2 - конструктивная схема исполнительного механизма с возвратно-поступательным движением ротора.

Электрическая машина с возбуждением от постоянных магнитов содержит статор 1 с магнитопроводом 2 и обмоткой якоря 3, ротор 4, состоящий из сплошного внутреннего вала 5 и двух

4; со сд

полых J3HeuiHHx валов 6 и 7 с закрепленными на них вдентичными магните- проводами 8 и постоянными магнитами 9 с чередующимися полюсами, причем оба внешних вала 6 и 7 укреплены на внутреннем валу 5 подвижно в тангенциальном направлении посредством двух винтовых зацеплений - правохсдо- вого 10 и левоходового 11, Маимна содержит также устройство 12 поворота полюсов, состоящее из шток а-толка- теля 13, закрепленного подвижно относительно статора 1 в осевом направ-. лении и соединенного с внутрен1шм валом 5 через подшипник 14, управляе- I мого статического преобразователя 15 напряжения и исполнительного электродвигателя 16, ротор 17 Б:оторого сое- : динен со штоком-толкателем 13 посред : ством винтовой передачи 18, а якор- fная обмотка 19 подключена к управляе- мому статическому преобразователю ; 15, управляющий вход 20 которого подключен к выходу 21 сумматора 22 и I внешнему командному устройству 23. Внутренний вал 5 соединен с внешним приводом посредством шлицевого зацепления 24 с возможностью осевого перемещения. Для исключения возможности вращения шток-толкатель 13 снабжен выступом-шпонкой 25, расположенной внутри желоба 26 на корпусе 27 машины. .Для управления машиной она со- держит чувствительные элементы сие- темы регулирования в виде датчика 27. выходного напряжения, датчика 28 частоты вращения ротора 4, датчика 29 тока обмотки якоря 3, подключенных к сумматору 22 сигналов.

Для режима стабилизации напряжени к сумматору 22 подключен эталонньй источник 30 напряжения.

Возможно иное реще1ше электромаг- нитного исполнительного механизма, у которого шток-толкатель 13 выполнен в вид,е продолжения внутреннего вала 5, а ротор 17 исполнительного электродвигателя 16 неподвижно . закреплен на штоке-толкателе 13 и имеет по крайней мере один дисковьй магнит 31 намагниченный в осевом направлении и имеющий по торцам полюсные шайбы- наконечники 32, снаружи которых рас- положены неподвижные якорные обмотки 19 исполнительного электродвигателя 16 и охватываюиц й их кольцевой магнитопровод 33.

0 5 0

с

0

Электрическая машина с возбуждени ем от постоянных магнитов работает следующим образом.

В режиме генератора вращающий момент от внешнего привода передается через шлицевое зацепление 24 на вал 5 и через винтовые зацепления 10 и 11 на магнитопроводы 8 и магниты 9. При вращении ротора 4 в обмотке якоря 3 ;наводится переменная ЭДС, частота ;и амплитуда которой зависят при неиз- менной нагрузке от частоты вращения и взаимного расположения полюсов ротора 4. Если напряжение обмотки якоря 3, измеряемое датчиком 27 напряжения, не соответствует заданному значению, определяемому сигналом эталонного источника 30 напряжения, то сигнал рассогласования с выхода сум- , матора 22 сигналов поступает на управляющий вход 20 регулируемого статического преобразователя 15 напряже- НИЛ и на якорную обмотку 19 исполнительного электродвигателя 16, что приводит во вращение ротор 17 и к осевому перемещению штока-толкателя 13 благодаря винтовому зацеплению 18. Благодаря взаимно противоположным направлениям винтовых зацеплений 10 и 11 магнитопроводы 8 с магнитами 9, не имеющие врзможности осевого перемещения, поворачиваются в противоположных друг другу направлениях относительно вала 5. Это приводит к изменению результирующего магнитного потока возбуждения, а следовательно, к измене1даю выходного напряжения на обмотке 3. Так как система регулиро-, вания напряжения имеет отрицательную обратную связь, то выходнде напряже-. ние стремится к заданному стабильному значению при изменениях частоты вращения привода и нагрузки генератора в их расчетных диапазонах. Датчик 29 тока обмотки йкоря 3 и датчик 28 частоты вращения обеспечивают высокое быстродействие и высокое качество переходных процессов стабилизации напряжения при резких возмущениях. Устройство 12 поворота полюсов ( фиг. 1 ) работает следующим обра-, зом При вращении ротора 17 исполнительного электродвигателя 16, происходит осевое перемещение штока-толкателя 13 благодаря самотормозящейся винтовой передаче 18 и шпонке 25, скользящей внутри желоба 26. Осевое усилие от штока-толкателя 13 передается на вал 5 через подшипник 14, а его величина определяется силой трения в винтовых передачах, ишицевом зацеплении 24 и других поверхностях , скольжения, а также силой инерции.

Устройство 12 поворота полюсов работает лишь при. отклонениях напряжения от заданного, что определяет его экономичность. В результате большого коэффициента редукции вин- 1ТОВОЙ передачи 18 повышается точность стабилизации и регулирования напряжения, снижается электромагнитный момент и масса двигателя 16.

Устройство 12 поворота полюсов (фиг.. 2) работает следуннцим образом. При подаче напряжения на якорную обмотку 19 создается осевое усилие, действующее на индуктор - постоянный магнит 31 с наконечниками 32, связан- ньш жестко с валом 5, и приводящее к его перемещению и повороту полюсов с магнитом 9 в заданном направлении. При отсутствии сигнала рассог- ласования и напряжения на обмотке 19 вал 5 должен удерживаться в том положении, в котором он остался при исчезновении напряжения, так как в подвижной системе отсутствуют продоль ные усилия, обусловленные, например, нагрузкой генератора (осевые составляющие электромагнитных сил, действующих на полуиндукторы, взаимно компенсируются из-за противоположных направлений винтовых передач 10, 11). Если под действием каких-либо факторов появляется осевое усилие и смещение вала 5, то это приводит к появлению сигнала управления и его отра- ботке. Такое вьтолнение исполнительного двигателя 16 может обеспечить более высокое быстродействие и большую точность, вследствие отсутствия винтовой передачи 18 и подшипника 14, однако усилие, создаваемое таким линейным двигателем, меньше.

Если требуется регулирование Bbt- ходного напряжения машины по любому заданному временному закону или в заранее заданной функции времени, частоты вращения вала, тока обмотки якоря и др., то необходимо соответствующим образом сформированный сигнал подать от внешнего командного уст- ройства 23 на управляюшлй вход 20 регулируемого статического преобразователя 15 напряжения, в качестве которого можно использовать известньй злектронньп усилитель мощности, управляемьй инвертор и другие статические преобразователи.

В случае аварийного режима, например короткого пожароопасного замыкания обмотки якоря 3 машины, от внешнего командного устройства 23 или от датчика 29 тока обмотки якоря 3 на управляющий вход 20 статического преобразователя 15 подается сигнал такой величины и длительности, при котором разнополярные полюсы совпадают один с другим, а результирующий магнитньй поток возбуждения становится равен нулю. При этом нет необходимости применять специальньй распределитель приводного и ведомого валов. Однако при более опасных неисправностях, например при выходе из строя подшипниковых узлов, имеетс возможность с помощью устройства 12 поворота полюсов вывести вал 5 ротора 4 машины из зацепления с внешним приводным устройством, т.е. разъединить шлицевое зацепление 24.

При использовании машины в составе вентильного двигателя также имеется возможность глубокого регулирован ее магнитного потока возбуждения с подачей сигнала от внешнего командного устройства 23 или оТ чувствителных элементов. При этом поток возбуждения может регулироваться от нулевого до максимального значения.

Предлагаемая электрическая машина имеет большую точность стабилизации напряжения по сравнению с известной, в которой стабилизация или регулировние выходного напряжения основано на свойствах упругих элементов (пружин) входяпу1Х в состав центробежного регулятора, жесткость и нелинейнЬсть характеристик которых зависят от температуры окружающей среды, от разброса по параметрам пружин, обусловленного технологией, а также случайных сочетаний частоты вращения ротора машины и параметров нагрузки. В предлагаемой электрической машине погрешность стабилизации или регулирования выходного напряжения определяется в основном коэффициентом усиления в цегш обратной связи системы регулирования и поэтому может быть существенно снижена. Формула изобретения

Электрическая маиптна с возбуждением от постоянных магнитов, содержащая статор с магнитопроводом н обмоткой якоря, ротор, состоящий нз сплошного внутреннего вала и первого полого внешнего вала, подвижного в тангенциальном направлении относительно внутреннего вала, первого и второго идентичных магнитопроводов с постоянными магнитами с чередующимися |толюсами, причем первьй из них жестко укреплен на первом полом внешнем валу, устройство поворота полюсов и чувствительные элементы, отличающаяся тем, что, с целью Повышения точности стабилизации и )асширения диапазона регулирования ;}ыходного напряжения, в машину введены один .упорный и два радиально-упор- йых подшипника, а также второй полый 1| нешний вал, подвижный в тангенциаль-

ном направлении относительно внутреннего вала и сцепленный с ним посредством правоходового винтового зацеп- ления, первый полый внешний вал лен с внутренним посредством левохо- дового винтового зацепления, причем полые внешние валы разделены упорным подшипником и поджаты друг к другу посредством радиально-упорных подшипников, устройство поворота полюсов выполнено в виде электромагнитного исполнительного механизма с выходным подвижным элементом, срчлененным с внутренним валом с возможностью осевого возвратно-поступательного движения, а чувствительные элементы через систему автоматического управления связаны с электромапштом исполнительного механизма.

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в качестве источника электропитания в энергоустановках с приводом от газовых турбин или других двигателей с нестабильной частотой вращения. Целью изобретения является повышение точности стабилизации и расширение диапазона регулирования выходного напряжения машины. Индуктор генератора выполняется из двух идентичных частей, способных взаимно поварачиваться в противоположных направлениях при осевом смещении внутреннего штока-толкателя, с которым обе части индуктора связаны винтовой передачей с правоходовой и левоходовой резьбой. Смещение штока осуществляется электродвигателем управления, ротор которого через винтовую передачу связан со штоком-толкателем. Управление двигателем осуществляется по командам от блока управления при появлении рассогласования между выходным и эталонным напряжением. 2 ил.

16 3Z

J3

Фиг. 2