Вентильный электродвигатель и способ его настройки Советский патент 1992 года по МПК H02K29/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к вентильным электродвигателям.

Известны вентильные электродвигатели (ВД), содержащие якорь в виде полого беспазового цилиндра и магнитную систему с постоянными магнитами и магнитопрово- дом как цельную конструкцию 1. Цельный магнитопровод вращается вокруг оси, а беспазовый якорь в виде полого цилиндра находится в воздушном зазоре, образованном постоянными магнитами и магнитопрово- дом, К преимуществам такой конструкции по сравнению с электрической машиной, построенной по классической схеме, следует отнести:

-резкое снижение индуктивности обмоток, что повышает надежность работы коммутационного аппарата, точность и быстродействие электромеханических устройств;

-отсутствие нагружающих подшипниковых опор сил магнитного тяжения, возникающих вследствие неизбежной асимметрии зазоров между вращающимися и неподвижными элементами, входящими в магнитную цепь двигателя;

-отсутствие эффекта перемашичива- ния материала магнитопровода.

К недостаткам данной конструкции ВД следует отнести относительно малое значение индукции в зазоре, что ограничивает функциональные возможности ВД из-за повышенного активного сопротивления якорных обмоток электрической машины, так как приходится располагать обмотку в ограниченном воздушном зазоре (порядке нескольких миллиметров).

Известны ВД 2, в которых в единой конструкции совмещены две магнитные системы с полюсами из высокоэнергетических магнитов. Конструкция имеет общий магнитопровод, приходящийся на две магнитные системы. Один магнитопровод со своим беспазовым якорем является составной частью бесколлекторного стабилизированного электродвигателя постоянного тока, другой - трехфазного синхронного генератора. Данный двигатель генератор ДГ-1 являетсяэлектромеханическимстабилизированным преобразователем энергии. К недостаткам данной конструкции следует отнести необходимое в 2 раза увеличение объема высокоэнергетических магнитов, что существенно увеличивает стоимость конструкции ВД.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать ВД по авт. свид. № 1220065 3. Мо- ментный двигатель с постоянными магнитами содержит беспазовый статор с внешним кольцевым магнитопроводом, на внутренней стороне которого размещена многофазная якорная обмотка, и ротор коллекторного

типа с тангенциально расположенными магнитами, обращенными один к другому одноименными полюсами и отделенными один от другого магнитомягкими вставками. В электродвигателе для увеличения электромагнитного вращающего момента и улучшения использования постоянных магнитов введен расположенный концентрично внешнему кольцевому магнитопроводу дополнительный внутренний кольцевой магнитопровод с дополнительно размещенной на его наружной поверхности многофазной якорной обмоткой, соединенной последовательно-согласно с якорной обмоткой, распо- ложенной на внутренней поверхности

внешнего магнитопровода. К недостаткам данного электродвигателя следует отнести:

-наличие взаимотзремещающихся частей (кольцевые магнитопроводы, на которых размещены основная и дополнительная

многофазные обмотки, неподвижны, а ротор с постоянными магнитами перемещается относительно магиитопроводов), в связи с чем имеются потери от перемегиичиваиия магнитопроводов;

- повышенную индуктивность обмоток из-за наличия магнитомягких вставок между магнитами, обращенных друг к другу одноименными полюсами;

-ограничение по увеличению числа пар полюсов ротора из-за повышенного рассеяния конструкций коллекторного типа при уменьшении длины магнита;

-наличие нагружающих подшипниковых опор сил магнитного тяжения, возникающих вследствие неизбежной асимметрии зазоров между вращающимися и неподвижными элементами, входящими в магнитную систему двигателя.

Целью данного изобретения является:

, I- исключение потерь в магнитопроводах от перемагничивания;

-повышение использования высокоэнергетических постоянных магнитов ротора и, следовательно, улучшение

массогабаритных показателей двигателя;

-повышение КПД электродвигателя путем снижения активного сопротивления якорной обмотки и числа витков в фазах;

-повышение надежности ВД путем ис- ключения магнитного тяжения, воздействующего на опоры, и снижения коммутационной энергии, запасенной в индуктивности якорных обмоток путем уменьшения величины индуктивности.

Указанная цель достигается тем. что в вентильный электродвигатель, содержащий многофазный беспазовый статор в виде полого цилиндра, многополюсный ротор с вы- сококозрцитивными магнитами и магнитопроводом дополнительно введены второй многофазный беспазовый статор в виде полого цилиндра и второй магнитопро- вод, причем многополюсный ротор механически связан с первым и вторым магнитопроводами, образуя магнитную вращающуюся систему, каждая из фаз первого многофазного беспазового статора соединенапоследовательноссоответствующей одноименной фазой второго многофазного беспазового статора, а одноименные фазы каждого из многофазных статоров, в виде полы/ цилиндров, расположены под одноименными полюсами ротора в соответствующих воздушных зазорах, образованных многополюсным ротором из высококоэрцитивных магнитов и соответственно первым и вторым магнитопроводами,

В заявляемом ВД для компенсации технологических погрешностей установки дополнительного беспазового статора введено устройство регулирования его углового положении в пределах полюсного деления,

В предлагаемом изобретении для повышения надежности ВД путем резервирования многофазных обмоток якоря каждая из многофазных обмоток, расположенная на соответствующем беспазовсм статоре, имеет параллельные ветви, причем каждая из параллельных ветвей изолирована друг от друга,

С целью повышения технологичности выполнения якорной обмотки при двухфазном варианте ВД, одна из фаз размещена на первом статоре в виде полого цилиндра, а другая фаза - на дополнительном статоре в виде полого цилиидрз, причем сечение провода в каждой из фаз и число витков в якорной секции каждой фазы может быть различным, а каждая из фазных обмоток выполнена однослойной.

Для выравнивания сопротивлений в одной из фаз двухфазного ВД и уменьшения пульсаций потребляемого электродвигателем тока и момента в фазу с меньшим сопротивлением вводится резистор.

В ВД, с иелью расширения функциональных возможностей путем получения двухфазного тахоме рического сигнала в двухфазном ВД, свободного от помех при коммутации тока якоря, на пеовом беспазовом статоре в виде полого цилиндра уложена однослойная обмотка первой фазы

тахогенератора в свободных зонах перво., фазы однослойной якоркой обмотки и аналогично уложена пгооая фаза тахогенератора на дополнительном беспазовом статоре

в свободных зонах второй фазы однослойной якорной обмотки.

В заявляемом ВД на корпусе электродвигателя между основным и дополнительным статорами в виде полого цилиндра,

0 напротив торцевых поверхностей многополюсного ротора из высококоэрцитивных магнитов установлен датчик положения ротора, например, датчик Холла.

Целью изобретения также является по5 вышение КПД путем компенсации технологических погрешностей при укладке якорных обмоток и установке их в воздушных зазорах основного и дополнительного статоров при осуществлении настройки

0 вентильного электродвигателя,

Эта цель достигается тем, что дополнительный статор разворачивают в пределах полюсного деления, например, на холостом ходу электродвигателя и закрепляют его

5 при минимальном токе, потребляемом электродвигателем.

Также предлагается способ настройки вентильного двухфазного электродвигателя, отличающийся там, что дополнительный

0 статор разворачивает в пределах половины полюсного деления и закрепляют при достижении минимальных пульсациях тока, потребляемого электродвигателем.

При анализе известных технических ре5 шений не обнаружены признаки, сходные с отличительными признаками заявляемых устройств и способа настройки, поэтому предлагаемые технические решения обладают существенными отличиями.

0 На фиг. 1 представлен продольный разрез электродвигателя, на фиг. 2 и 3 показаны графики, поясняющие способ настройки двигателя.

В корпусе 1 электродвигателя (фиг. 1) с

5 помощью гайки 2 закреплен основной (первый) многофазный беспазовый статор 3 в виде полого цилиндра. В корпусе 1 установлено также устройство 4 регулирования углового положения с закрепленным в нем с

0 помощью гайки 5 дополнительным (второго) беспазовым статором 6 в виде полого цилиндра, расположенного концентрично относительно статора 3. Устройство 4 может перемещаться в тангенциальном направле5 нии по расточке в воздушном зазоре в пределах полюсного деления. В корпусе 1 закреплена ось 7, на которой смонтированы подшипники 8. Внутренние кольца шарикоподшипников 8 зафиксированы в осевом на- правлении с помощью выступа оси

распорного кольца 9 и стопорной гайки 10. Выводы обмоток статоров 3 и 6 выведены наружу посредством клеммной колодки 11. На наружных кольцах шарикоподшипников 8 установлен ротор 12, включающий в себя высококоэрцитивные постоянные магниты 13, закрепленные с помощью удерживающих гильз 14, и концентрично расположенные магнитопроводы - основной (первый) 15 и дополнительный (второй) 16. На корпусе 1 между основным 3 и дополнительным 6 статорами, напротив торцевых поверхностей постоянных магнитов 13 установлены чувствительные элементы 17 датчика положения ротора, например, датчики э.д.с. Холла.

Многофазные обмотки первого и второго беспазового статора могут быть выполнены а виде нескольких параллельных ветвей, изолированных друг от друга.

В случае двухфазного варианта ВД одна из фаз может быть размещена на первом беспазовом статоре, а другая - на втором статоре, при этом сечение провода в фазах и число витков в секциях каждой фазы мо-. жет быть различным, а каждая из фазных обмоток выполнена однослойной. Указанная особенность конструкции существенно повышает технологичность выполнения якорной обмотки,

Последовательно с фазой ВД, расположенной на дополнительном (втором) статоре, может быть включен резистор.

Кроме силовых обмоток на беспазовых статорах могут быть расположены обмотки для получения тахометрического сигнала: на первом статоре - однослойная обмотка первой фазы тахогенератора в свободных зонах первой фазы однослойной якорной обмотки, на втором статоре - вторая фаза тахогенератора в свободных зонах второй фазы однослойной якорной обмотки. Указанная особенность конструкции расширяет функциональные возможности двигателя путем получения двухфазного тахометриче- ского сигнала.

Электродвигатель работает следующим образом. При подаче напряжения питания через полупроводниковые ключи коммутатора, открытые в соответствии с законом распределения сигналов, снимаемых с чувствительных элементов 17 датчика положения ротора, на фазы первого многофазного беспазового статора 3 и, соединенные последовательно с ними соответствующие одноименные фазы второго многофазного беспазового статора 6, ротор 12 с постоянными магнитами 13 приходит во вращение (при этом одноименные фазы каждого из многофазных статоров расположены под

одноименными полюсами ротора в соответствующих воздушных зазорах, образованных многополюсным ротором из высококоэрцитивных магнитов 13исоответственнопервым15ивторым 16магнитопро- водами).В случае выполнения многофазных обмоток первого и второго статоров в виде нескольких параллельных ветвей, изолированных друг от друга, при возникновении

0 ненормальных режимов рабты двигателя, например, короткого замыкания витков секции, происходит выделение потерь в этой секции, разогрев этой части беспазового статора, вплоть до сгорания в каком-то месте и

5 разрыва проводника секции, отключение этой параллельной ветви и восстановление нормальной работы двигателя при незначительном снижении мощности на валу.

В случае расположения на статорах об0 моток для получения техометрического сигнала при вращении ротора 12 с постоянными магнитами 13 при работе двигателя в этих обмотках возникает напряжение, пропорциональное частоте вращения

5 вала двигателя и используемое в качестве самостоятельного сигнала или для целей регулирования или стабилизации частотьгвра- щения вала двигателя.

Описанный электродвигатель обладает

0 повышенной величиной КПД, что обеслов- лено следующим:.

1)отсутствуют потери в магнитопрово- дах 15 и 16 от перемагничивания, так как магнитное поле, существующее на этих уча5 стках, неизменно во времени и, следовательно, ЭДС и связанные с ЭДС токи не возникают:

2)ротор 12 является многополюсным. что дает возможность выполнения обмоток

0 с небольшим шагом и, с учетом возможности формирования малых вылетов лобовых частей в беспазовой конструкции статоров 3 и 6, существенно снизить активное сопротивление якорных обмоток;

5 3) за счет использования высококоэрцитивных магнитов и обеспечения достаточно большого магнитного потока в воздушном зазоре снижается число витков в фазах обмоток, а также индуктивное и активное со0 противления обмоток,

Указанное снижение потерь и повышение КПД свидетельствуют о повышении надежности предлагаемого двигателя. О том же говорит следующее:

5 1) силы магнитного тяжения, возникающие между частями магнитной системы, локализованы в жесткой конструкции ротора 12 и не создают нагрузок на подшипниковые узлы, позволяя уменьшить их размеры и построить конструкцию двигателя с ьысокими массогабаритными характеристиками; уменьшение сил магнитного тяжения, воздействующего на опоры, также достигается за счет снижения коммутационной энергии, запасенной в индуктивности якорных обмоток, путем уменьшения величины индуктивности;

2) в случае выполнения обмоток статоров 3 и 6 в виде нескольких параллельных ветвей при возникновении ненормальных режимов при работе двигателя, например, короткого замыкания витков секции, происходит перегорание и разрыв проводника секции, отключение этой параллельной ветви и восстановление нормальной работы двигателя.

Использование в двигателе высококоэрцитивных постоянных магнитов ротора позволяет существенно улучшить массога- баритные показатели двигателя.

Возможность визуального наблюдения характера потребляемого тока двигателя с помощью осциллографа позволяет достаточно просто провести настройку двигателя. Предлагаемый Способ настройки рассмотрим под углом организации рацио- нольной коммутации на примерах наиболее простого двухфазного вентильного двигателя с зоной коммутации 180°эл. Разумеется, способ применим для ВД с любым числом фаз, при этом при увеличении числа фаз пульсации потребляемого тока двигателя снижаются, но качественная сторона происходящих процессов сохраняется.

В случае вентильного двигателя, выполненного без технологических погрешностей ЭДС фазы первого e-i и соответствующей .фазе е второго статоров представляют синусоиды (фиг. 2, а, б), совпадающие по фазе. При последовательном соединении одноименных фаз статоров, прямоугольной форме подводимого к обмоткам напряжения (фиг. 2, г), суммарная ЭДС представляет синусоиду (фиг. 2, в), а разность напряжения и суммарной ЭДС соответствует форме потребляемого тока двигателя, представленного на фиг. 2, д. При этом ток, потребляемый двигателем на холостом ходу (фиг. 2, д), минимален.

Укладка якорных обмоток и установка их в воздушных зазорах основного и дополнительного статоров осуществляется с технологическимипогрешностями, приводящими к отклонению формы ЭДС фаз е-r и e-t от синусоидальной. Для компенсации этих погрешностей дополнительный статор 6 разворачивают в пределах полюсного деления, например, на холостом ходу электродвигателя, обеспечивают минимальный потребляемый ток, следя за характером

кривой тока на экране осциллогр фь, которая должна приближаться к форме, представленной на фиг. 2, д, или за показаниями амперметра, включенного в цепь якорной

обмотки, после чего статор 6 закрепляют с помощью устройства 4.

В случае двухфазного вентильного электродвигателя, выполненного без технологических погрешностей, ЭДС е (фиг. 3, а

0 одной из фаз, размещенной на основном статоре, сдвинута на угол#/Ј. относительно ЭДС еъ (фиг. 3, б) другой фазы, размещенной на дополнительном статоре. При последовательном соединении фаз суммарная

5 ЭДС имеет форму, представленную на фиг.

3.в. а ток при прямоугольной форме подводимого к обмоткам напряжения (фиг. 3, г) имеет вид, представленный на фиг. 3. д. При этом пульсации тока минимальны.

0 Укладка якорных обмоток и установка их в воздушных зазорах основного и дополнительного статоров осуществляется с технологическимипогрешностями, приводящими к отклонению формы ЭДС еч

5 и е. от синусоидальной. Для компенсации этих погрешностей дополнительный статор 6 разворачивают, например, на холостом ходу двигателя в пределах половины полюсного деления, обеспечивая минимум

0 пульсаций тока, следя за характером кривой тока на экране осциллографа, которая должна приближаться к форме, представленной на фиг. 3, д, после чего статор 6 закрепляют с помощью устройства 4.

5 Предлагаемый способ настройки позволяет обеспечить минимальный уровень потребляемого тока или пульсаций его, что обеспечивает повышение КПД электродвигателя. Способ является простым, не требу0 ет специального оборудования. Настройка двигателя занимает 4-5 мин.

Предлагаемые новые решения в конструкции электродвигателей и способ их настройки могут быть использованы при

5 разработке и изготовлении электродвигателей с гарантийной наработкой 100-120 тыс.

4,для привода вентиляторов систем терморегулирования.

Формула изобретения 0 1. Вентильный электродвигатель, содержащий два коаксиальных безпазовых статора с кольцевыми магнитопроводами и обмотками в виде полых цилиндров и ротор с постоянными магнитами, размещенный 5 между статорами, отличающийся тем. что, с целью повышения надех ности и КПД, кольцевыемагнитопроводы выполненыара- щающимися и соединены с ротором.

2. Электродвигатель по п. отличающийся тем, что одна из обмоток в виде

полого цилиндра выполнена подвижной с возможностью углового сдвига относительно второй.

3.Электродвигатель по пп. 1 и 2, о т л и- чающийся тем, что выполнен двухфазным, причем обмотки в виде полых цилиндров выполнены однослойными, однофазными и принадлежат к разным фазам двигателя.

4.Электродвигатель по пп..1-3, отличающийся тем, что последовательно с подвижной обмоткой включен резистор.

5.Электродвигатель по пп. 1-3, отличающийся тем, что на одном из полых цилиндров коаксиальных статоров размещена одна из фаз двухфазной тахометриче- ской обмотки, а на другом - вторая фаза.

6.Способ настройки вентильного электродвигателя, состоящий в смещении одного из коаксиальных статоров относительно другого, отличающийся тем. что, с

целью повышения КПД путем компенсации технологических погрешностей, подвижный статор смещают в пределах полюсного деления и закрепляют при достижении минцг мального тока, потребляемого

электродвигателем.

7.Способ по п. б. отличающийся тем, что подвижный статор смещают в npfr делах половины полюсного деления и крепляют при достижении минимальны

пульсаций тока, потребляемого электроде гателем.

e,vji

а

tr о

ж

$

h о

ij+h

%пот

о

Ж2Я

Фие.2

cot

I 27Г

a)t

ZfЯЛ

Фиг.З