Вентильная электрическая машина Советский патент 1992 года по МПК H02K29/00 

32

16

СО 00

Использование: в высокоточных приводах с высокой стабильностью частоты вращения. Существо изобретения: машина содержит электромеханический преобразователь 1 с аксиальным зазором между якорем 3 и активной поверхностью 4 переменно-полюсного индикатора, который установлен на оси 6 вращения и выполнен с несинусоидальным распределением нормальной составляющей поля. Внешняя сторона катушек каждой секции выполнена с дополнительными изгибами, равноудаленными от оси вращения. Число изгибов в катушках, образующих одну секцию, может быть выполнено различным. Катушки с большим числом дополнительных изгибов могут быть выполнены из провода, поперечное сечение которого меньше поперечного сечения провода катушки с меньшим числом дополнительных изгибов, катушка с большим числом этих изгибов может быть выполнена с числом витков, меньшим числа витков катушки с меньшим числом дополнительных изгибов. Индуктор может быть выполнен из двух частей, обращенных к якорю. 5 з.п.ф-лы, 4 ил.

Фиг. 1

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к электрическим машинам с бесконтактной коммутацией секций обмотки якоря по положению индуктора с помощью преобразователя частоты, т.е. к вентильным электрическим машинам, получающим питание или генерирующим электроэнергию в цепь постоянного тока.

Применительно к вентильным электромашинам, работающим совместно с сетью постоянного тока, например, к маломощным прецизионным вентильным электромашинам, для обеспечения высокого качества электромеханического преобразования энергии стремятся иметь трапецеидальную форму ЭДС в секциях обмотки якоря с тем, чтобь- на интервале между двумя очередными переключениями ключей преобразователя частоты (межкоммутационный интервал) результирующая ЭДС подключенных к сети постоянного тока секций обмотки якоря была бы постоянна по величине. Это обеспечи- вает подобие форм тока и ЭДС на межкоммутационном интервале.

Известна вентильная электрическая машина с трапецеидальной формой ЭДС в секциях, содержащая электромеханический преобразователь торцевой конструкции с аксиальным зазором между якорем и переменно-полюсным индуктором, причем секции обмотки якоря выполнены сосредоточенными.

Недостатком такой конструкции является неудовлетворительное использование обьема зазора и всего электромеханического преобразователя, в результате чего ухуд- шаются массогабаритные показатели машины.

Наиболее близкой является вентильная электрическая машина, содержащая электромеханический преобразователь с якорем торцевой конструкции и переменно-полюсным индуктором, установленным на оси вращения и выполненным с возможностью в зазоре магнитного поля с несинусоидальным распределением нормальной составляющей индукции в окружном направлении. На торцевой поверхности якоря, обращенной к индуктору, расположены катушка с боковыми, внутренней и внешней сторонами. Катушки соединены в секции, которые связаны через преобразователь частоты, например, полупроводниковый с цепью постоянного тока.

Недостаток такой конструкции заключается в неудовлетворительном качестве выходных параметров электрической машины. Это связано с тем, что форма наведенной ЭДС в секциях обмотки якоря прямо за висит от формы поля в зазоре, что требует

точного подбора и стабильности характеристик средств возбуждения поля индуктора (постоянных магнитов). Известно, что стабильность характеристик постоянных магнитов невысока. Поэтому обеспечение повторяемости от образца к образцу требуемой формы ЭДС затруднительно. Отклонение реальной формы ЭДС от трапецеидальной ведет к ухудшению качества электромеханического преобразования энергии, в частности, к увеличению пульсаций вращающего момента.

Целью изобретения является повышение качества выходных параметров машин.

Поставленная цель достигается тем, что в вентильной электрической машине, содержащей электромеханический преобразователь с торцевым якорем и переменно-полюсным индуктором, установленным на оси вращения и служащим для создания магнитного поля с несинусоидальным распределением нормальной составляющей индукции в окружном направлении, расположенные на торцевой

поверхности якоря катушки с боковыми, внутренней и внешней сторонами, причем катушки соединены в секции, подключенные через преобразователь частоты к цепи питания, согласно изобретению, внешняя

сторона, по крайней мере одной катушки каждой секции выполнена с дополнительными изгибами и содержит участки, расположенные в активной зоне электромеханического преобразователя и

разноудаленные от оси вращения.

При этом целесообразно выполнение внешних сторон катушек, образующих одну секцию, с различным числом дополнительных изгибов.

Катушки с большим числом дополнительных изгибов выполнены из провода, поперечное сечение которого меньше поперечного сечения провода катушки с меньшим числом дополнительных изгибов.

Целесообразно: выполнение катушки

с большим числом дополнительных изгибов

с числом витков, меньшим чем у катушки с

меньшим числом дополнительных изгибов.

Часть витков внутренней стороны, по

крайней мере, одной катушки каждой секции может быть выполнена с дополнительными изгибами и содержит участки. разноудаленные от оси вращения.

Во всех вышеуказанных случаях индуктор может быть выполнен из двух половин, обращенных активными поверхностями к якорю, причем половины индукторов обращены друг к другу полюсами различной полярности.

Как будет видно из приведенного далее примера, за счет изменения формы катушек можно сформировать ЭДС трапецеидальной формы с заданным значением углового размера плоской вершины в условиях не- 5 стабильности характеристик постоянных магнитов и тем самым обеспечить высокое качество выходных параметров.

На фиг.1 представлена принципиальная схема вентильной электромашины с 10 конструкцией электромеханического преобразователя; на фиг.2 - расположение катушек обмотки якоря; на фиг.З - кривая распределения индукции в зазоре электромеханического преобразователя; на фиг.4 - 15 кривая ЭДС в секции обмотки якоря.

Вентильная электрическая машина содержит электромеханический преобразователь 1 торцевой конструкции с аксиальным зазором 2 между якорем 3 и активной по- 20 верхностью 4 первого переменно-полюсного индуктора 5, который установлен на оси 6 вращения и выполнен с возможностью создания в зазоре 2 магнитного поля, величина нормальной составляющей индукции 25 В(5 (поз.7 на фиг.З) которого в активной зоне 8 между активной поверхностью 4 индуктора 5 и якорем 3 распределена по окружности х по закону периодической функции, отличающейся от синусоидальной. На 30 якоре 3 в плоскости, параллельной и обращенной к активной поверхности 4 индуктора 5, расположены витки 9 (фиг.2) катушки 10, каждая из которых выполнена с боковыми 11 и 12, внутренней 13 и внешней 14 35 сторонами. Катушки соединены в секции, которые связаны через преобразователь 15 частоты, например, полупроводниковый с цепью 16 постоянного тока. Внешняя сторона 14, по крайней мере одной катушки 10 40 каждой секции выполнена с дополнительными изгибами и содержит участки 17, 18, 19, расположенные в активной зоне 8 электромеханического преобразователя и разноудаленные от оси 6 вращения. Возможно 45 выполнение катушек одинаковой формы типа катушки 10. Возможно выполнить внешние стороны 14 катушек 10 и 20, образующих одну секцию, с различным числом дополнительных изгибов. Внешняя сто- 50 рона катушки 20 также содержит участки 21, 22, 23, расположенные в активной зоне 8 и разноудаленные от оси 6 вращения. Возожно выполнение вентильной электромашины, у которой катушки 20 с большим 55 ислом дополнительных изгибов выполнены из провода, поперечное сечение которого меньше поперечного сечения провода катушки 10, имеющей меньшее число дополнительных изгибов, Возможно выполнение вентильной машины, при котором катушка 20 с большим числом дополнительных изгибов имеет меньше витков 21, чем число витков катушки 10 с меньшим числом дополнительных изгибов.

Часть витков 22 внутренней стороны 13, по крайней мере, одной катушки 10 каждой секции может быть выполнена -с дополнительными изгибами и с участками, разноудаленными от оси б. Возможно выполнение, при котором функции распределения нормальной составляющей индукции 7 (фиг.З) является нечетной, а знаки, по крайней мере, третьей 23, пятой 24 и седьмой 25 высших гармонических совпадают со знаком первой 26 гармонической, по крайней мере, для одноименных полюсов индуктора. Магнитопровод якоря 3 может быть установлен нэ оси вращения и вращаться вместе с индуктором. В этом случае катушки должны быть установлены на немагнитном каркасе в активной зоне 8 электромеханического преобразователя. Вентильная электрическая машина может быть снабжена вторым аналогичным первому переменно- полюсным индуктором (на чертеже не показан), обращенным активной поверхностью к якорю 3 и установленным на оси вращения. При этом индукторы обращены друг к другу полюсами различной полярности, а якорь выполнен немагнитным. Крайние внешние участки дополнительных изгибов могут находиться вне активной зоны индуктора.

Для замыкания магнитного потока переменно-полюсный индуктор 5 (в данном случае 2р 8) снабжен примыкающим к нему магнитомягким шунтом 27. Индуктор 5 вместе с шунтом 27 размещены в обойме 28, которая закреплена на оси 6, установленной в подшипниках 29 и 30, размещенных в корпусе 31. Для фиксации величины аксиального зазора 2 машина снабжена упорным подшипником 32. Для регулирования величины воздушного зазора предусмотрены прокладки 33. В данной конструкции корпус 31 соединен с якорем 3, который может быть выполнен из магнитомягкого материала. Противоположно лежащие катушки 10 и 20 соединены последовательно и образуют секцию. Концы трех секций объединены, а начала 34 секций выведены и подключены к трехканальному выходу 35 преобразователя частоты 15, выполненного по двухполупе- риодной схеме на транзисторах 36, диодах 37 моста обратного тока. Такие преобразователи частоты используются для вентильных электродвигателей. Цепи управления транзисторов подключены к чувствительным элементам 38,39,40, например, элементам Холла датчика положения ротора, через блок 41 формирования (усиления) сигналов управления. Формы выполнения датчика положения ротора, блока 41 формирования- усиления сигналов-управления несущественны и могут быть различны.

В случае использования вентильной электромашины в качестве генератора необходимость в датчике положения ротора и блока 41 отпадает, а преобразователь частоты 15 может быть выполнен в виде моста диодов 37. Вентильная электрическая машина может быть выполнена с различным числом катушек, а индуктор - с различной полюсностью, как цельной, так и сборной конструкции.

Вентильная электрическая машина работает следующим образом.

При вращении обоймы 28 изменяется потокосцепление индуктора 5 с катушками 10,20, в которых согласно закону электромагнитной индукции наводится ЭДС. Величина нормальной составляющей индукции 7 магнитного поля в зазоре 2 в активной зоне 8 между активной поверхностью 4 индуктора 5 и якорем 3 распределена в окружном направлении по несинусоидальному закону. Кривая 7 (фиг.З) может быть представлена как сумма гармонических составляющих, первые четыре из которых (первая 26, третья 23, пятая 24 и седьмая 25) представлены на фиг.З. Если бы все катушки обмотки якоря были выполнены без дополнительных изгибов, сосредоточенными и диаметральными, кривая наведенных в них ЭДС повторила бы форму индукции. Но в беспазовых электромеханических преобразователях такую обмотку применить невозможно, поскольку это привело бы к резкому снижению использования объема машины из-за низкого коэффициента заполнения воздушного зазора.

Выполнение катушек с конечной шириной приводит к распределению витков по окружности и, следовательно, к фильтрации высших гармоник кривой ЭДС. Так, если, например, каждая сторона катушки занимает электрический угол Л /3 на середине активной зоны, ее коэффициенты распределения составляют для первой гармоники 0,955, для третьей - 0, 0,636, для пятой - 0,191. Кривая ЭДС в секции приближается к синусоидальной. Разность между постоянным приложенным напряжением и синусоидальной формой ЭДС обуславливает пульсации тока и вращающего момента. Введение дополнительных изгибов с участками, частично или полностью рзсположен- ными в активной зоне, приводит к некоторому снижению величины первой

гармоники ЭДС и значительному увеличению высших гармоник по сравнению с трапецеидальной формой ЭДС в катушке. Степень деформации кривой ЭДС связана с

формой катушки и кривой поля по довольно сложной функциональной зависимости. Установлено, однако, что для большинства конструкций индукторов можно путем введения дополнительных изгибов получить форму ЭДС с полкой, равной или большей 120 электрических градусов.

В зависимости от формы кривой поля в зазоре вогнутая часть изгиба может занимать различное положение относительно

оси симметрии катушки,

На фиг.4 пунктиром изображены результирующая кривая 42 ЭДС ек. наведенной в распределенной катушке. Одна сторона катушки занимает в середине ак. тивной зоны электрический угловой промежуток равный п /3, Кривая может быть представлена как сумма гармонических первой 43, третьей 44 и пятой 45. Сплошными линиями изображены кривые ЭДС, наведенные в обмотке с дополнительными изгибами: результирующая кривая 46 и ее гармонические составляющие 47 (первая), 48 (третья) и 49 (пятая). Как видно из фиг.4, использование дополнительных изгибов позволило усилить третью и пятую гармонические в кривой ЭДС и тем приблизить ее форму к трапецеидальной с шириной вершины, близкой к 2 я /3. В этом случае при использовании как однополупериодного

коммутатора с межкоммутационным интервалом, равным In /3, так и мостового с межкоммутационным интервалом п /3, выпрямленная4 ЭДС имеет практически постоянную величину, потребляемой ток

также постоянен, вращающий момент почти не имеет пульсаций. Катушки, из которых состоят секции, могут быть как намотаны из провода, так и выполнены в виде многослойных печатных катушек.

Выполнение катушек с различным числом изгибов позволяет установит в ней обмоточные коэффициенты для различных гармонических составляющих, необходимые для формирования плоской вершины

достаточной ширины. Выполнение катушек из провода разного сечения либо с разным числом витков, равно как и выполнение с изгибами только части витков, позволяет максимально использовать полезный объем

электромагнитного зазора. Расположение магнитопровода якоря на оси индуктора позволяет снизить потери в стали. Выполнениеэлектромеханическогопреобразователя с двумя индукторами, обращенными друг к другу своими разноименными полюсами, позволяет повысить использование объема электрической машины.

Формула изобретения 1. Вентильная электрическая машина, содержащая электромеханический преобразователь с торцевым якорем и переменно-полюсным индуктором, установленным на оси вращения и служащим для создания магнитного поля с несинусоидальным распределением нормальной составляющей индукции в окружном направлении, на торцевой поверхности якоря, обращенной к ин- дуктору, расположены катушки с боковыми, внутренней и внешней сторонами, катушки соединены в секции, подключенные через преобразователь частоты к цепи питания, отличающаяся тем, что, с целью повышения качества выходных параметров машины, внешняя сторона по крайней мере одной катушки каждой секции выполнена с дополнительными изгибами и содержит участки, расположенные в активной зоне элек- тромеханического преобразователя и разноудаленные от оси вращения.

17

W

11/

10 22 12

20

. 10

ло

фс/г.2

Фиг. 5

Фиг.4

-4Ј