Репульсионный вентильный электродвигатель Советский патент 1979 года по МПК H02K29/00 

Изобретение относится к области электрических машин, а именно к элекгродви- гателям переменного тока с бесконтактной коммутацией. Известны вентильные электродвигате- ли репульсионного типа первичная обмотка которых расположена на роторе и пита ется от источника однофазного переменно го тока через кольца и щетки, а BTopip ная обмотка (обмотка якоря) помещена в пазах статора. Токи в обмотке якоря коммутируются с помощью управляемых вентилей jll,X} Недостатком таких двигателей ЯБПяет ся наличие контактных устройств в токопойводе к парвичной обмотка . Известен также репульсионный вентиль ный двигатель, содерзкащий ротор с несиК метричной короткоаамкнутой обмоткой, статор с обмоткой якоря, .секции которой соединены с выходом вантильного преобре зсжателя 3J , Этот даигатель не содер жит контактов и по решаемой задаче и технической супшосги наиболее близок к изобретению. Однако изаестным конструкциям свойственны и определенные недостатки. Данный репульсионюзгй двигатель, обеспечивая возбуждение короткозамкнутой обмотки ротора пульсирующим магнитным полем статора, не позволяет тем самым (в oi личие, например, от синхронного ДБ шате- ля ипи двигагеля посто5шного тока) ЕСпо,ьзовать пространств8Ш1ь й сдваг между Магнитными осями обмоток статора н ротора, равкьШ половине полюсного деления, при котором обесг ечиваегся, при прочих равных , ма ;счмальное значение злектромшыягяого , ухудюает его энврге1 кчаскк9 н весо-Гй&арятк5йе показатели. Механическая характерастяка репульсионного злекгродвигателя вмее гш1ербод11ческий характер, тогда как д;ш исполнигельыого даигателя в системе ав- гомагязированного электропривода требуется, чтобы она бьиш достаточно жесткой, Реворс репульснонногх элекгро двигателя известных конструкций.обеспечивается только за счег пространственного сдвигаОСИ магнитного поля статора относительно ротора, что существенно усложняет конструкцию датчика углового положения ротора и систему управления. К недостаткам известных образцов этого ти па следует отнести также малое быстродей ствие электродвигателей с массивным ферромагнитным ротором. Целью настоящего изобретения являет ся устранение указанных недостатков, а именно улучшение энергетических и регулировочных характеристик репульсионного электродвигателя. Указанная цель достигается теМ; что двигатель снабжен дополнительно вторым статором с обмоткой, секции которой рас- положены со сдвигом на половину полюс-ного деления относительно секций обмот ки первого статора и. соединены с выходом преобразователя частоты, а ротор рас положен в воздушном зазоре между статорами и выполнен тонкостенным с равномерно расположенными отверстиями, ло которых равно числу полюсов обмоток статора. Ширина отверстий для обеспечения вы соких значений вращающего момента долж на быть равна половине полюсного деления, а промежутки между отверстиями могут быть снабжены прорезями в направлении, перпендикулярном тангенциальному к направлению вращения. . Таким образом, предлагаемый электродвигатель по принципу действия близок к репульсионному, но отличается от него тем, что возбуждение ротора осуществляется не магнитным полем обмотки якоря, а полем дополнительной обмотки, играющей роль независимой обмотки возбуж.Де ния. В результате использования такой конструкции удается, получить достаточно жесткие механические характеристики элек тродвигателя и улучшить .его энергетвгчес,.кие в весо г баритные показатели. ладнее достигается, во-первых, за счет .использования режима , при кото ;ром оси магниткьт пол эй внешнего статора и ротора слв знуты на угол, равный половйне полюсного деления электродаи гателя; во - вторых за счет того, что магнитопроводы, проводящие магнитные потоки, созданные обмотками якоря, воз- jj буждения и токами в короткозамкнутых контурах рогора, конструктивно совмешевы. При этом для реверса достаточно опрокидывания на 180 элекгрнческих гра усов фазы токов в секциях обмотки якоя по отношению к токам в соответствуюих секциях обмотки независимого возбужения, или наоборот. Диапазон регулироваия скорости возрастает за счет возмож-ости управления величиной токов в сакиях обмотки возбуждения в дополнение управлению токами в секциях обмотки коря, причем такое управление может быть осуществлено с использованием экономичного способа широтно-импульсной модуляции. Малый момент инерции ротора позволяет создать электродвигатель с высоким быстродействием. Предлагаемый вентильный электродвигатель для случая выполнения его с радиальным воздушным зазором изображен на чергезках. На фиг. 1 представлен продольный разрез- двигателя Б-Б на фиг. 2; на фиг, 2 показан поперечный разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 изображена обмотка якоря с указанием направления намотки и соединений обмотки якоря с ключами преобразователя; на фиг. 4 представлена картина распределения магнитных полей, создаваемых обмотками якоря и возбуждения в магннтопроводах внешнего и внутреннего статора а также в зазоре между ними; на фиг, 5 изображена развертка цилиндрической рабочей поверхности ротора на плоскость с указанием направлений силовых линий магнитного поля обмотки возбуждения и токов, наведенных этим полем в короткозамкнутых контурах ротора; на фиг. 6 изображена развертка дилиндрической рабочей поверхности ротора на плоскость с указанием направлений силовых линий магнитного поля обмотки якоря и токов в роторе. Активная часть статора электродвигателя состоит из цилиндрических пакетов внешнего статора 1 с уложенной в его пазах обмоткой якоря 2, и внутреннего сгатора 3с обмоткой независимого возбуждения 4 (фиг. 1, 2). Ротор 5 электродвигателя (фиг. 1, 2) выполнен в виде закрепленного на валу тонкостенного электропроводного стакана, цилиндрическая рабочая поверхность которого помещена в зазоре между внешним а внутренним статором. На цилиндрической поверхности ротора имеются сквозные отверстия прямоугольной формы шириной по окружности ротора в половину полюсного деления /2, с расстоянием между отверстиями, равным также половине полюсного деления (фиг. 1, 2, 4, 5, 6). Ширина отверстия в осе- BOM направлении равна ширине магнктопро вода внутреннего сгагора. Каждая секция обмогки якоря выполнена с шагом, равным полюсному делению Г , намотана двойным проводом и состоит таким образом, из двух одинаковых полусекции, активные проводники которых, например, 6 и 7 (фиг. 3) помешены в одних и тех же пазах внешнего статора. Полу секции обмотки якоря соединены между собой по изве-тной схеме волновой обмотки и включены в схему вентильного коммутатора, например, на тиристорах (фиг. 3) с питанием от источника однофазного переменного тока. На фиг. 3 представлена в качестве примера четырехсекционная обмотка якоря с числом пар полюсов, равным двум, и шагом, равным полюсному делению. В один полупериод напряжения питания включаются, например, тиристоры 8 и 9, в другой полупериод - тиристоры 1О и 11, -обеспечивая таким образом протекание в каждом полупёриоде токов в двух полусекциях одной секции в одинаковых направлениях, если считать относител но одноименных зажимов полуосей, причем каждая секция создает переменный магнитный поток, пульсируюший с частотой питания. На фиг. 3 показаны мгновенные направ ления токов в активных проводниках обмотки якоря 1ФИ включении тиристоров 8, 9. Если в следующий момент времен Ё вместо тиристоров 8, 9, 1О, Ц включить в такой же последовательности тиристоры 12, 13, 14, 15, произойдет опрокидывание фазы токов в активных проводниках одной секции якоря при неизменной фазе в остальных трах секциях, что приведет к пространственному сдвигу оси пульсирующего магнитного поля обмотки якоря. Если же вмес- . то тиристоров 8, 9, 10, 11 включить в .первый полупериод тиристоры 16, 17, а во второй - 18, 19, произойдет опрокидьюание фазы токов в активных проводниках всех секций одновременно, что необходимо, например, для обеспечения реверса двигателя. В аналогичный коммутатор включены секции обмотки независимого возбуждения соединенные между собой также по схеме волновой обмотки, причем их число выбира ется равным числу секций обмотки якоря. Оба коммутатора синхронно управляются общим для них датчиком углового положения ротора (на фиг, 1 не показан). Схема управления обеспечивает включение тиристоров двух коммутаторов в такой последовательности, что оси магнитных полей, созданных обмотками якоря и возбуждения, сдвинуты в пространстве на по-, ловину полюсного деления. На фиг. 4 силовые линии магнитного поля, созданного обмоткой возбуждения, показаны сплошными линиями, а силовые линии магннгкого поля обмотки якоря - пунктиром, На фиг. 5 и 6 условно показана {зазвертка цилиндрической рабочей поверхнос ти ротора на пл..,скость. Для уменьшения влияния ГОКОВ, наводимых в роторе пере менным магнитным потоком обмотки якоря, в поверхности ротора быть пре дусмотрены продольные прорези 20 (фнг. 5 на фиг. 6 не показаны). На фиг. 5 и6 пуш тиром показаны направления токов, индуктирсжаннух в короткозамкнутых контурах ротора потоком обмотки возбужде ния. Кроме того, на фиг. 5 условно показаны направления силовых линий магнитного поля, созданного обмоткой возбуждения (внутри отверстий), а на фиг. d направления силовых линий магнитного поля, созданного обмоткой якоря. Двигатель работает следующим образом. Циклическое переключение тиристоров, коммутирующих токи в секциях обмоток якоря и возбуждения, осуществляемое схемой управления по сигналам датчика угло вого положения ротора в указанной выше последовательности, привозит к созданию двух пульсирующих с частотой питания маг нитных прлей, оси которых вращаются синхронно с ротором (поскольку коммутация токов в обмотках происходит с частотой вращения), но сдвинуты в пространстве на половину полюсного деления. В каждый момент времени полусекции обмотки яко ря (и аналогично обмотки возбуждения) образуют замкнутую кольцевую схему, которая по отношению к точкам соединения с клеммами источника разделяется на д-зе параллельные ветви (фиг. 3). Таким образом, в процессе враивния пульсирующие магнитные поля, созданные обмотками якоря и возбуждения, неподвижны по отно шению к ротору, а следовательно, л по от ношению друг к другу. Вследствие пространственного сдвига их магнитных осей. на половину полюсного деления (фиг. 4), кепосредственмая магнитная связь между обмотками якоря и возбуждения отсутстзуег, что является необходимым условием нормальной работы электродвигателя при совмешении магнитопроводов систем якоря н возбуждения. Оси магнитного поля, создаваемого гокамн в обмогке возбуждения, в процессе вращения совпадают с центрами прямоугольных отверстий ротора (фиг. 5). Это пульсирующее магнитное поле индуктирует в короткозамкнутых контурах рогора переменные ЭДС и токи, мгновенное направление которых при возр астании магнитной индукции показано на фиг,- S и 6 пунктиром со стрелками. Оси магнитного поля, создаваемого токами в обмотке яко ря, в процессе вращения совпадают с цен рами перемычек между окнами (фиг. 6). Взаимодействие магнитных потоков обмот ки якоря с токами в корогкозамкнутых контурах ротора, изменяющихся во времени с одинако1вой частотой и практически син фазно, определяет возникновение вращающего электромагнитного момента двигателя.. При работе здектродвкгателя ЭДС вращения наводятся в обмотке статора (якоря), а в короткозамкнутых контурах рото ра они отсутствуют, так что в процессе вращения на ротор для его возбуждения передается сравнительно небольшая часть мощности, потребляемой двигателем от сети. Это особенно важно в связи с тем, что немагнитный зазор в конструкциях с полым ротором получается достаточно бол щим. С другой стороны, наличие еличен ного немагнитного зазора существенно уменьщает индуктивность секций обмотки якоря, что увеличивает надежность комму тации, особенно при поБышегшой частоте питания. (Надежность коммутации токов в секциях обмотки возбуждения повышается за счет размагничивающего действия токов в короткозамкнутых контурах ротора). Возможность регулирования величины ,токов в секциях якоря практически неаависима от величины токов в секциях обмотки возбуждения, и наоборот. Это позволяет увеличить диапазон регулирования скорости и реализовать различные мехаиачвские характеристики. Рассмотреякая ковструкаия дввгагвля с независимым воз буждением дает возможность получить жесгкую механическую характеристику, Есди ai« включить секции обмотки якоря в секции e Moi-KH возбуждения в общую схему вентильного коммутатора причем соединить яоследсжательно полусекции каж ДОИ секции якоря с соответствующими полусекциями обмотки возбуждения, пространстванво сдвинутыми относительно полу секций якоря на половину полюсного деле ния, то двигатель будет обладать мягкой (гиперболишской) механической характеристикой. Рассмотренный принцип действия электродвигателя может быть реализован в ряде конструктивных вариантов. Возможен, например, аналогичный электродвигатель с дисковым ротором с отверстиями и обмотками якоря и возбуждения, расположенными на тороидальных магнитопроводах статора и создающими аксиальные пуль- сирующие магнитные потоки. Фиг. 5 и 6 иллюстрируют также возможность реализации линейного вентильного электродвигателя подобного типа, у которого направляющее полотно представляет собой полосу металла с отверстиями, центры которых сдвинуты на величину полюсного деления. Формула изобретения 1.Репульсионный вентильный электродвигатель, содержащий ротор с несимметричной короткозамкнутой обмоткой, статор с обмоткой якоря, секции которой соединены с выходом вентильного преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения энергетических показателей и улучшения регулировочных характеристик, он снабжен дополнительно вторым статором с обмоткой, секции которой расположены со сдвигом на половину пюлюсного деления относительно секций обмотки первого статора и соединены с выходом преобразсжателя частоты, а ротор расположен в воздушном зазоре между статорами и выполнен тонкостенным с равномерно расположенными отверстиями, число которых равно числу полюсе© обмоток статора, 2.Двигатель по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что ширине отверстий равна полсшине полюсного деления. 3.Двигатель по п. 1, о г л и ч а ю щ и и с я тем, что промежутки между отверствями снабжены прсфеэями в напрешлении, перпендикулярн(% тангенцнальному к направлению вращения. Источники информации, принятые во внимание при гжспертиэе 1.ABTqpCKoe свидетельство СССР 2О67ОЗ, кл. Н О2 К 29/О4, 1965. J 2.Авторское етидетельство СССР М 421004, кл. Н 02 К 20/04, 1961. 3.Патент ФРГ Щ 12579S6, кл. 2irf 39, 1968.

Вб

л-к

Гг

tf ft

jX,X,Xj