Линейный индукторный двигатель Советский патент 1992 года по МПК H02K41/03 

XI

X 00 00 00

го

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в линейном прецизионном электроприводе.

Известен линейный индукторный двигатель, содержащий ферромагнитный зубчатый статор и подвижный элемент, состоящий из фазных электромагнитных модулей, включающих в себя П-образные магнитопроводы, обмотки управления и постоянные магниты, причем, зубцовые зоны статора и подвижного элемента имеют одинаковый шаг.

При запитке обмоток управления синусоидальным и косинусоидальным токами равной амплитуды представляется возможным управлять силой тяги линейного двигателя путем регулирования амплитуды токов.

При подобном управлении линейным двигателем возникающая сила тяги содержит, помимо основной составляющей, про- порциональной амплитуде токов, дополнительную так называемую методическую паразитную силу тяги. Эта сила является знакопеременной периодической по пути и с амплитудой, пропорциональной квадрату амплитуды токов управления.

Кроме того, двигатель характеризуется тем, что и при обесточенных обмотках управления постоянные магниты электромагнитных модулей порождают так называемую инструментальную паразитную силу тяги. Эта сила является также знакопеременной и зависит от характеристик постоянных магнитов, параметров зубцо- вой зоны двигателя и т.п.

Недостатком известного устройства является невысокая точность регулирования силы тяги, обусловленная наличием значительных паразитных сил тяги.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является линейный индукторный двигатель, содержащий ферромагнитный зубчатый статор и подвижный элемент, состоящий из фазных электромагнитных модулей, включающих в себя П-образные магнитопроводы, обмотки управления и постоянные магниты, причем ферромагнитный зубчатый статор и П-образные магнитопроводы подвижного элемента, зубцовые зоны которых имеют одинаковый шаг f, разделены на магнито- проводящие секции в направлении, перпендикулярном направлению движения, и магнитопроводящие секции одной из частей двигателя смещены друг относительно друга вдоль направления движения на четверть шага т.

Известный двигатель характеризуется тем, что при регулировании силы тяги с помощью амплитуды токов управления методическая паразитная сила тяги не возникает. В силу этого двигатель обладает достаточно высокой точностью регулирования силы тяги в области больших и средних значений.

Недостатком известного устройства является невысокая точность регулирования силы тяги в области малых значений, обусловленная наличием инструментальной паразитной силы тяги.

Целью изобретения является повышение точности регулирования силы тяги в области малых значений за счет уменьшения

инструментальной паразитной силы тяги.

Поставленная цель достигается тем, что в известном линейном индукторном двигателе, содержащем ферромагнитный зубчатый статор и подвижный элемент,

состоящий из фазных электромагнитных модулей, включающих в себя П-образные магнитопроводы, обмотки управления и постоянные магниты, причем ферромагнитный зубчатый статор и П-образные

магнитопроводы подвижного элемента, зубцовые зоны которых имеют одинаковый шаг, разделены на магнитопроводящие секции в направлении, перпендикулярном направлениюдвижения,и

магнитопроводящие секции одной из частей двигателя смещены относительно друг друга вдоль направления движения, выполнено смещение указанных магнитопроводя- щих секций относительно первой

магнитопроводящей секции на

dj (J - 1) т--, где m - количество магнитопроводящих секций, j - порядковый номер секции, г - шаг зубцового деления рабочей

зоны двигателя.

Кроме того, электромагнитные модули, принадлежащие одной фазе, взаимно смещены на (п ±1/2)г , где п - любое целое число.

На фиг. 1 чертежей представлена схема линейного индукторного двигателя; на фиг. 2 - вид А-А на фиг.1; на фиг. 3 и 4 - вид В-В фиг.1 двигателя, у которого взаимно смещены магнитопроводящие секции статора соответственно при минимальном () и максимальном (т - оо ) количестве магни- топроводящих секций,

Двигатель содержит ферромагнитный зубчатый статор 1 и подвижный элемент,

состоящий из электромагнитных модулей 2,3,4 и 5. Каждый модуль включав г в себя П-образные магнитопроводы 6 и 7, обмотку 8 управления и постоянный магнит 9 возбуждения. Зубцовые зоны статора 1 и по- вдижного элемента имеют одниковый шаг г .

Электромагнитные модули 2 и 3,4 и 5, принадлежащие разным фазам, смещены относительно друг друга вдоль направления движения на (п+1/4) т . Ферромагнитный зубчатый статор 1 и П-образные магнито- проводы 6 и 7 электромагнитных модулей 2,3,4 и 5 подвижного элемента разделены на магнитопроводящие секции в направлении, перпендикулярном направлению движения.Взаимносмещены магнитопроводящие секции статора 1.

При минимальном количестве магнито- провоцящш: секций () секции 10 и 11 статора 1 взаимно смещены на f /8. При максимальном количестве магнитопроводя- щих секций (т - оо) секции статора 1 смещены относительно первой секции на

(Н)-д--;. В этом случае зубцовая зона статора 1 оказывается по существу скошенной вдоль направления движения на (п+1/2)г.

Электромагнитные модули 2 и 4, 3 и 5, принадлежащие одной фазе, смещены относительно друг друга вдоль направления движения на (п+1 /2) г.

Линейный индукторный двигатель работает следующим образом.

Для конкретности изложения рассмотрим двигатель, выполненный с максимальным количеством секций.

Управление двигателем осуществляется путем запитки его обмоток синусоидальным и косинусоидальным токами равной амплитуды

iA i0sin( + J), iB i0cos( + J), (1)

2л: где - угол, определяющий положение подвижного элемента двигателя относительно статора;

х - линейное положение подвижного элемента;

т- шаг зубцового деления рабочей зоны двигателя;

10 - амплитуда токов.

Токи управления 1д и IB формируются в соответствии с информацией о положении подвижного элемента в каждый момент времени. Сила тяги регулируется с помощью амплитуды токов управления.

Определим силу тяги, развиваемую двигателем.

Воспользуемся следующей методикой расчета.

Введем понятие секции линейного индукторного двигателя, включающего в себя магнитолроводящую секцию статора и соответствующую ей секцию подвижного элемента.

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Определим силу тяги двигателя как сумму тяговых усилий, создаваемых секциями двигателя

Определим тяговое усилие первой секции двигателя в соответствии с известной методикой расчета электромагнитных модулей.

Получим, что между первыми секциями электромагнитных модулей 2 и 3 и первой секцией статора 1 будут возникать тяговые усилия

Тт I FA Fm sln Р + FA Т sin 2 Рз || FB (Fm Am cos р - FB г sin 2 Р

где Ki g0+Am +AV, , РвНЛ/- IB,

Ал, и Аг- внутренняя магнитная проводимость и проводимость рассеяния постоянного магнита 9;

Fm - МДС постоянного магнита 9;

до и gi - постоянная составляющая и амплитуда изменения магнитной проводимости зазора.

Поскольку тяговое усилие первой секции двигателя равно сумме тяговых усилий, создаваемых первыми секциями всех электромагнитных модулей, а тяговые усилия секций злектромагнитных модулей 2 и 4, 3 и 5 равны,получим, что тяговое усилие,развиваемое первой секцией двигателя, равно

f ч Fd()2 - - - (Fm An (FA sin p + FB cos (p)+

+ (F&-F|)sin2p)).

В соответствии с полученным результатом для j-й секции двигателя запишем, что

{({..-.,,,,,,,,),

.««().

Учитывая, что сила тяги двигателя равна сумме тяговых усилий всех секций двигателя, приходим к следующему результату:

(( Ш(

Выполнив npsi m- сю переход от суммы к интегралу, получаем

..со.Ь 4()««.

После подстановки в данное выражение значений токов управления {1} приходим к следующему выражению силы тяги:

2Jp{0,901WloFnAn -0,637(Wi0)2 p sln 4p)

(2)

Двигатель развивает силу тяги, которая содержит, помимо основной составляющей, пропорциональной амплитуде 10 токов д и IB, дополнительную методическую паразитную силу тяги, пропорциональную квадрату амплитуды токов. Поскольку методическая паразитная сила тяги уменьшается с уменьшением амплитуды токов в квадратичной зависимости, то в области малых значений силы тяги можно пренебречь влиянием этой паразитной силы на точность регулирования силы тяги, Следовательно, в области малых значений сила тяги, развиваемая двигателем, будет с достаточной степенью точности равна

FH8|iWi0Fm Лп,

и точность регулирования силы тяги будет в полной мере определяться возникающей инструментальной паразитной силой тяги.

Определим возникающую инструментальную паразитную силу тяги.

Воспользуемся следующей методикой расчета.

Определим инструментальную паразитную силу тяги двигателя как сумму паразитных тяговых усилий, создаваемых всеми секциями двигателя.

Определим паразитное тяговое усилие секции двигателя как сумму паразитных тяговых усилий, создаваемых соответствующими секциями всех электромагнитных модулей.

Примем, что паразитные тяговые усилия секций электромагнитных модулей совпадают по форме, но смещены относительно друг друга на соответствующие углы.

Введем понятие паразитного тягового усилия Ф(у), создаваемого электромагнитным модулем 2, когда магнитопроводящие секции обоих частей двигателя выполнены без взаимного смещения вдоль направления движения.

Примем, что паразитное тяговое усилие, создаваемое первой секцией электромагнитного модуля 2, равно Ф(ф)/т.

Получим, что инструментальная паразитная сила тяги двигателя будет равной

,ф(« +|5+о-1)).

Выполнив при m - оо переход от суммы к интегралу, приходим к следующему результату:

,г 2.

чж

4F JT Wv-JfWJ. (3)

° feSif

Для случауя, когда электромагнитные модули 2 и 4, 3 и 5, принадлежащие одной

фазе, смещены относительно друг друга вдоль направления движения на целое число шагов. Инструментальная паразитная сила тяги равна 5

AF / Ф(0)Цр.(4)

9

Теперь для сравнения определим тяговые характеристики известного двигателя Ю Р. Получим, что развиваемая сила тяги и возникающая инструментальная паразитная сила тяги соответственно равны

F v jkwioFmAm. (5)

(р)+2Ф(р + 2)+Ф().

Представим паразитное тяговое усилие Ф((р) в виде ряда Фурье, т.е.

00

20ф( Р 2 fisin(lp + fpi).

иi 1

rflefi амплитуда и начальное смещение f-ой гармоники.

Тогда выражение инструментальной пара- 0( зитной силы тяги преобразуется к виду

«пп

30

45

00

. п

fi(coslf -f 1)sln(ip + iЈ+pi).

Из этого результата следует, что инструментальная паразитная сила тяги известного двигателя содержит все гармоники, характерные для паразитного тягового усилия Ф(#), за исключением половины четных гармоник

,6,10,14,.,.(6)

35 Полученные результаты (2) - (6) непосредственно подтверждают преимущество предлагаемого линейного двигателя.

Когда в предлагаемом двигателе электромагнитные модули 2 и 4, 3 и 5, принадле- 40 жащиеодной фазе, взаимно смещены вдоль направления движения на целое число шагов г, то за счет сглаживания (см. (4)) исключаются все четные гармоники, характерные для паразитного тягового усилия Ф(р). Когда же указанные электромагнитные модули

взаимно смещены на (п+1/2)г . то за счет сглаживания (см. (3)) исключаются все гармоники паразитного тягового усилия.

При этом предлагаемый двигатель в

50 сравнении с известным характеризуется более высоким коэффициентом пропорциональности между развиваемаой силой тяги и амплиитудой токов управления (см. (2) и (5)), т.е. обладает бошлее высокой удельной

55 силой тяги.

Таким образом, разделение статора и П-образных магнитопроводов подвижного элемента линейного индукторного двигателя на магнитопроводящие секции в направлении, перпендикулярном направлению движения, и выполнение предлагаемого смещения магнитопроводящих секций одной из частей двигателя относительно друг друга вдоль направления движения позволяет в сравнении с известным двигателем повысить точность регулирования силы тяги в области малых значений, а также увеличить удельную силу тяги.

Формула изобретения 1, Линейный индукторный двигатель, содержащий ферромагнитный статор и подвижный элемент, состоящий из фазных электромагнитных модулей, включающих в себя П-о5разные магнитопроводы, обмотки управления и постоянные магниты, причем ферромагнитный зубчатый статор и П-об- разные магнитопроводы подвижного элемента, зубцовые зоны которых имеют одинаковый шаг, разделены на магнитопро- водящие секции в направлении, перпендикулярном направлению движения, и

0

магнитопроводящие секции одной из частей двигателя смещены относительно друг друга вдоль направления движения, отличающийся тем. что, с целью повышения точности регулирования силы тяги в области малых значений за счет уменьшения инструментальной паразитной силы, указанные магнитопроводящие секции смещены относительно первой магнитопроводящей секции на

ao-D.

где m - количество магнитопроводящих секций;

J - порядковый номер секции; г- шаг зубцового деления зоны двигателя.

2. Двигатель по п.1,отличающийся тем, что электромагнитные модули, принадлежащие одной фазе, взаимно смещены на (п±1/2)г, где п - любое целое число.

Использование: в линейном прецизионном электроприводе. Сущность изобретения: двигатель содержит ферромагнитный зубчатый статор 1 и подвижный элемент, состоящий из модулей 2-5. Каждый модуль включает в себя П-образные магнитопрово- ды 6 и 7, обмотку управления 8 и постоянный магнит возбуждения 9. Зубцовые зоны статора 1 и подвижного элемента имеют одинаковый шаг т . Электромагнитные модули 2-5, принадлежащие разным фазам, смещены относительно друг друга вдоль направления движения на (п+1/4) г. Ферромагнитный зубчатый статор 1 и П-образные магнитопроводы 6 и 7 подвижного элемента разделены на магнитопроводящие секции в направлении, перпендикулярном направлению движения. При минимальном количестве магнитопроводящих секций () секции статора 1 взаимно смещены на г /8. При максимальном количестве мэгнитопроводя- щих секций (т - ) секции статора 1 смещены относительно первой секции на Q-1) r /4m, где: j - порядковый номер секции, т - шаг зубцового деления рабочей зоны двигателя; m - количество магнитопроводящих секций. При таком смещении магнитопроводящих секций обеспечивается взаимная компенсация составляющих инструментальной паразитной смлы двигателя, создаваемых его секциями. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. сл :С

10 11

Фиг.2

Риг.Ч

JL Ич