Линейный электродвигатель Советский патент 1979 года по МПК H02K41/02 

1

Изобретение относится к электродвигателям с линейным перемещением, например, для трансиортиых устройств.

Известны линейные электродвигатели, содержащие в качестве вторичного элемента полосу металла, токи в которой индуктируются бегущим магнитным полем, созданным первичной обмоткой 1.

В таких электродвигателях передача энергии на вторичный элемент осундествляется с частотой скольжения, что энергетически невыгодно при наличии больщого немагнитного зазора в магнитной цепи линейного электродвигателя.

Известен и другой линейный электродвигатель, содержащий С-образный магнитопривод с размещенной на нем катушкой, подключенной к псточнику питания через вентильный коммутатор, и вторичный элемент в виде металлической полосы 2.

Данное устройство является наиболее близким к описываемому изобретению.

В этом электродвигателе первичная обмотка подключена г: сточнику однофазного перемеиного ток; ;рез встречно-параллельно управляемые вентили. Вторичный элемент представляет собой последовательность металлических пластин, разделенных непроводящими промежутками, щирина которых равна ширине самих пластин. При прохождении этих пластин между полюсами электромагнита возникает репульсионное усилие, изменяющееся по величине и

направлению. Для использования репульсионного усилия в качестве движущего предложено циклически выключать на определенное время первичную обмотку и обеспечить, таким образом, усилие только

одного направления. Чтобы избежать провала до нуля величины движущего усилия, можно применить например, два электромагнита, у которых интервалы выключения обмоток не совпадают по времени.

Конструкции иодобного линейного электродвигателя свойственны существенные недостатки, а именно: необходимость циклического выключения рабочих обмоток является прпчиной плохого использования

активных материалов электродвигателя; в интервале времени, когда обмотка включена, не может быть длительно использовано максимальное значение репульсионного усилия, так как в процессе движения оно

меняется по величине в весьма широких пределах, уменьшаясь по мере выталкивания пластин из-под полюсов электромагнита, что неизбежно ведет к снижению энергетических ноказателей электродвигателя.

Цель изобретения - улучшение энергетических показателей линейного электродвигателя репульсионного типа.

Указанная цель достигается тем, что электродвигатель снабжен .дополнительными несущими катушками С-образнъшимагнитопроводами, при этом /катушки, размеш.енные на расположенных через полюсное .деление магнитопроводах, соединены между собой последовательно, а вторичный элемент выполнен с отверстиями прямоугольной формы, ширина которых и расстояние между которыми равно половине полюсного деления.

Кроме того, электродвигатель имеет дополнительные катушки, расположенные на магнитопроводах соосно первым катушкам и соединенные между собой аналогично им.

Магнитопроводы электродвигателя в вертикальном направлении охватывают часть вторичного элемента, расположенную выше нижнего края отверстий.

На фиг. 1 представлен электродвигатель, обпхий вид; на фиг. 2 - поперечный разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - схема соединения катушек, расположенных на С-образных магнитопроводах первичного элемента, а также показана картина распределения силовых линий магнитного поля, создаваемого этими катушками, и направлеиия токов вторичного элемента; на фиг. 4 показан конструктивный вариант электродвигателя с дополнительными катушками, помешенными на магнитопроводах первичного элемента; на фиг. 5 - схема коммутатора электродвигателя с питанием от сети однофазного переменного тока; на фиг. 6- графики электромагнитных процессов электродвигателя как функции времени, в случае применения коммутатора по фиг. 5; на фиг. 7 - вариант коммутатора с питанием от сети постоянного тока; на фиг. 8 - графики электромагнитных процессов электродвигателя как функции времени, в случае применения коммутатора но фиг. 7.

Линейный электродвигатель состонт из первичного элемента, выполненного в виде ряда С-образных магнитопроводов 1, на которых размеи1,ены катушки 2, и вторичного элемента (направляющего полотна 3, расположенного в зазорах С-образных магнитопроводов. Вторичный элемент 3 представляет собой плоскую металлическую полосу с прямоугольными отверстиями (окнами) 4, отстоящими одио от другого на расстояние, равное половиие полюсного деления - электродвигателя, и шириной

т

также - Таким образом, суммарная ширина окна и. металлической перемычки составляет полюсное деление т. Вторичный элемент может быть собран, например, из отдельных частей. Линии их стыковки показаны на фиг. 1 пунктщром, иричей обеспеЧение электрического контакта между .соседними частями необязательно. Катушки, размещенные на расположенных через полюсное деление т магнитопроводах, соедииеиы между собой иоследовательно и составляют секции первичной обмотки. На фиг. 3 представлена в качестве примера четырехполюсная конструкция электродвигателя с четырьмя секциями 5, 6, 7 и 8 первичиой обмотки. Оби,ее число катушек в секции равно числу полюсов электродвигателя. Соседние катушки данной секции, непосредственно соединенные между собой, включены встречно. При обтекании током они создают магнитные поля разных направлений, силовые линии которых замыкаются в плоскостях, перпендикулярных

к илоскости вторичного элемента.

Таким образом, число С-образных магнитоироводов в пределах полюсного деления равно выбранному числу секций первичной обмотки. Общее число магнитопроводов равно произведению числа секций на число полюсов, в данном шестнадцать магнитопроводов.

На фиг. 4 представлен конструктивный вариант электродвигателя, у которого на

С-образных магнитопроводах помещены дополнительные катушки, соосные с первыми, соединенные между собой аналогично им, выполненные проводом того же сечения и с тем же числом витков и образующие дополнительные секции, например 9. Одноименные зажимы секций отмечены точками.

На фиг. 5 приведена одна из возможных схем коммутатора электродвигателя с питанием от сети однофазного переменного тока, рассчитанная на совместную работу с электродвигателем с двумя катушками на каждом магнитопроводе. Секция 8 включена в диагональ мостовой схемы, образованной управляемыми вентилями (тиристорами) 10-13. Дополнительная секция 9 включена в диагональ аналогичной мостовой схемы, образованной тиристорами 12- 15, причем тиристоры 12, 13 являются общнми для двух мостовых схем. Аналогично включены остальные секции и дополнительные секции первичпой обмотки.

На фиг. 6 представлены графики электромагнитиых процессов электродвигателя

как функции времени. Здесь 16 - напряжение источника питаиия; 17, 18 - последовательности импульсов управления тиристорами коммутатора, синхронизированные с наиряжением источника питания и сдвинутые по времени на половину периода. Последовательность 17 импульсов поступает, например, на управляющие электроды тиристоров 10, 11 (фиг. 5), последовательность 18 - на управляющие электроды тиристоров 14, 15. На управляющие электроды тнристороп 12, 13 подаются импул1)СЫ обеих последо1)атсльностей (т. е. в каждый полупериод напряжения питания). Аналогично управляются вентили остальных секций.

Управляющее напряжение 19, формируемое по сигналам датчика линейного перемещения, уиравляет логической схемой, осуществляющей переключение иоеледовательностей 17, 18 импульсов с одной пары тиристоров секции обмотки на другую. Позицией 20 на фиг. 6 обозначена носледовательность импулЕзСОв тока, например, в секции 8, позицией 21 - последовательность и.млульсов тока в дополнительной секции 9.

На фиг. 7 представлен вариант схемы коммутатора с питанием от сети постоянного тока. Вентили (тиристоры) 22 - 25 образуют мостовую схему инвертора, в диагональ которой включена коммутирующая емкость 26.

Секция 8 и дополнительная секция 9 включены в два плеча этой мостовой схемы и объединены в общей точке своими разноимепнымй зажимами. Электромагнитные .процессы электродвигателя иллюстрируются в этом случае графиками, изображеи1НЫМК на фиг. 8, где 27 - последовательность импульсов задающего генератора, регулируемого по частоте; 28, 29 - последовательности импульсов управления тиристорами коммутатора, аналогичные последовательностям 17, 18 на фиг. 5, но, в отличие от них, полученные в результате деления частоты задающего генератора на два. В фиксированный момент времени последовательность 28 импульсов подается, например, на управляющие электроды тиристоров 22, 25, а последовательность 29 - на управляющие электроды тиристоров 23, 24, благодаря чему образуемый суммарным действием двух секций 8, 9 магнитный поток будет переменным, изменяющимся с частотой, вдвое меньщей частоты следования импульсов задающего генератора.

Управляющее напряжение 30 формируется по сигналам датчика линейного перемещения, оно аналогично напряжению 19 на фиг. 6. Позицией 31 на фиг. 8 обозначена последовательность импульсов тока, например, в секции 8, а позицией 32 - последовательность импульсов тока в секции 9.

Электродвигатель работает следующим образом.

Коммутатор (фиг. 5) обеспечивает по сигналам датчика линейного перемещения коммутацию токов в секциях первичной обмотки, которая осуществляется следующим образом. При подаче последовательности 17 импульсов управления (фиг. 6) на тиристоры 10-13 в один из полупериодов напряжения питания ток замыкается, например, по цепи: тиристор 10, секция 8, тиристор 13. В следующий полупериод полярность напря кения питания на кле,мма.с изменяется и при подаче последовательности 18 импульсов управления на тиристоры 12-15 ток течет по цепи: тиристор 15, доГ1олнитсльиая секция 9, тиристор 12. Поэтому послсдовательиости 20, 21 импульсов тока в секциях 8, 9 имеют различное направление (если считать относительно одноименных зажимов обмоток). Магнитный поток, созданный суммарным действием токов в секциях 8, 9, является переменным, пульсирующим с частотой питания. Если осуществить переключение последовательности 17 импульсов управления с тиристоров 10, И на тиристоры 14, 15, а последовательности 18 - с тиристоров 14, 15 на тиристоры 10, 11, произойдет опрокидывание фазы суммарного магнитного потока секций 8 и 9 на 180 эл. град, (момент t на фиг. 6).

Аналогичный эффект опрокидывания фазы магнитного потока секций 8 и 9 обеспечивается и в коммутаторе, представленном на фиг. 7, если последовательность 28 импульсов управления переключить в момент

t с тиристоров 22, 25 на тиристоры 23,24, а последовательность 29 - с тиристоров 23, 24 на тиристоры 22, 25.

Подобная коммутация токов в секциях первичной обмотки в процессе движения

первичного элемента относительно направляющего полотна осуществляется следующим образом.

Каждый раз, когда магнитопроводы с помещенными на них катущками какой-либо

секции оказываются на боковой границе прямоугольного отверстия (окна) направляющего полотна при набегании магнитопроводов со стороны окна на металлическую перемычку между двумя соседними

окнами, схема регулирования по сигналам датчика линейного перемещения (функции которого аналогичны функциям датчика углового положения в электрических мащинах с вращающимся ротором) изменяет полярность управляющего напряжения 19 или 30. Это приводит к указанному переключению последовательностей 17, 18 (или 28, 29) импульсов с одной пары тиристоров данной секции на другую. При этом датчик

лпнейного перемещения, например трансформаторный, должен иметь число выходных обмоток, равное числу секций первичной обмотки электродвигателя, и обеспечивать формирование системой регулирования соответствуюп1его числа управляющих напряжений.

Указанный способ соединения катушек в секциях и циклическая коммутация токов в них обеспечивают в процессе движения

образование в каждый момент времени в пределах любых соседних полюсных делений магнитных полей разных направлений, силовые линии которых замыкаются в плоскостях, перпендикулярных к направляющему полотну. Взаимная пространственная.

7

ориентация магнитных иотоког, созданных совместным действием всех секций нервичной обмотки, и потоков, образуемых токами, индуктированными в короткозамкнутых контурах нанравляющего полотна, остается в процессе движения нрактическн неизменной (как это показано на фиг. 3). Первичная обмотка создает линейно перемещающееся магнитное поле, одновременно пульсирующее с частотой включения тиристоров (при питании от источника неременного тока - е частотой сети).

Работа электродвигателя характеризуется следующей особенностью. Если С-образные магнитонроводы перемещаются относительно вторичного ЭиТемеита---направляющего полотпа, напрпмер, елева направо, то магнитное поле, созданное токами первичной обмотки, перемещается относительно первичного элемента е той же скоростью справа палево и поэтому неподвижно относительно короткозамкнутых контуров с токами, индуктируемыми в направляющем полотне. (Исключение составляют крайние контуры, в связи е чем предпочтительна конструкция электродвигателя в многонолюсном исполненпп). Таким образодт, в первом приближении можгю считать, что в контурах направляющего олотяа индуктируется только трансформаторная ЭДС, а ЭДС перемещения наводится в основном только в первичной обмотке, в евязи е чем ее можно назвать обмоткой якоря. В процессе перемещения с В 51сокой скоростью на вторичный элемент электромагнитным нутем передается сравнительно небольщая часть нотребляемой мощности. Для линейного электродвигателя это существенное преимущество, если учитывать неизбежно большой немагнитный зазор в его магнитной цени.

Взаимодействие магнитных потоков, созданных первичной обмоткой (обмоткой якоря), с токами в короткозамкнутых контурах направляющего полотна приводит к возникновению движунсего усилия, по своей природе близкого к репульсионному. Наличие большого немагнитного зазора еущественно уменьшает индуктивноеть секций обмотки якоря, что дает возмон ноеть иснользовать сравнительно высокую частоту питания. Это, в свою очередь, позволяет создать высокоскоростной электродвигатель, улучшить уеловия передачи электромагнитной энергии на вторичный элемент и весогабаритные показатели.

Магнитоироводы охватывают но вертикали направляющее полотно от его верхнего края до нижнего края прямоугольных отверстий. Таким образом, в зоне действия магнитных потоков С-образных магнитопроводов находятся также верхние (горизонтальные) перемычки над окнами, причем взаимодействие указанных магнитных потоков с токами на этих участках приво8

дит к 1;озннкиоиеиию вортикальиои состав.Uijonieii усилия, действующего на нервичиый элемент снизу вверх. Эта составляюии1я обеспечивается как в процессе движеПИЯ, так и при скорости, равиой нулю, и может быт) непользована как для разгрузки направляющих рельсов, так, в принципе, и для создания системы электродинамического подвеса. В этом случае такая снстема по существу оказывается конструктивно совмещенной с собственно линейным электродвигателем, а ее работа не требует потребления дополнительной энергии от источника питания.

Реверс н регулирование скорости могут происходить за счет едвнга первичного элемента датчика линейного перемендения относительио первичного элемента электродвигателя. Регулирование скорости при питанин коммутатора от сети переменного тока может осуществляться также изменением фазового сдвига импульсов управления тиристорами относительно напряжения питания (широтно-имнульсное управление), а

при питании от источника постоянного тока - изменением частоты следования унравляощих импульсов (частотное регулированнс). Воз.мо/кно также н комбинированное регулирование скорости.

Предетавленные на фиг. 5, 7 схемы ком.мутаторов обеспечивают хорошее иснользование силовых вентилей и исключают возможность возникновения короткого замыкания источника иитания.

Данная конструкция предусматривает как перемещение первичного элемента относительно неподвижного направляющего полотна, так и обратное неремещение. В последнем случае реализуется возможность создания электродвигателя с врап.1ающимся, например, дисковым ротором с отверстиями, шириной в половину полюсного деления, охваченными снаружи С-образными магнитопроводами с помещенной на

них обмоткой якоря, а также возможность создания электрпчеекого транспортера или электрического гусеничного движителя.

Технико-экономнческая целесообразность применения предлагаемой конструкции состоит в повышении энергетических и весогабарнтных ноказателей линейного электродвигателя репульеионного тина, а также в улучшении использования его активных материалов.

Ф о р.м у л а изобретен и я

1. Линейный электродвигатель, содержащий С-образный магнитопровод с размеН- енной на нем катущкой, подключенной к

источнику питания через вентильный коммутатор, и вторичный элемент в виде металличеекой полосы, отличающийся тем, что, с целью улучщення энергетических показателей, он снабжен дополнительн)р.;и несущими катущки С-образнымн

магиитопроводами, при этом катушки, размещенные на расположенных через нолюспое деленне магнитопроводах, соединены между собой последовательно, а вторичный ;)лемент выполнен с отверстиями прямоугольной формы, ширина которых и расстояние между которыми равно половине полюсного делення.

2. Электродвигатель По п. 1, отличаюHi и и с я тем, что он снабжен дополнительными катушками, расположенными на магннтонроводах сооено первым катушкам и

согдннепными между собой аналогично им.

3. Электродвигатель по пп. -2, отли аюн1ийся тем, что магннтопроводы в вертикальном нанравленин охватывают чаеть вторичного элемента, расположенную выше нижнего края отверстий.

PicT04HHKH информации,

принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР АО 195540, кл. Н 02К 41/02, 1963.

2.Патент ФРГ № 2029462, кл. 21 d 23, оиублпк. 1973.

Фаг. /

.iJ

L.)

I I

I I I I

Mil LJ LJ

LJ LJ

0i44i i U A ii Jf i

10

У у f f f f

11

.5

Г71

h i I h I h

ft ft ri R a a м Д