БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Советский патент 1947 года по МПК H02K17/16 

Предметом изобретения является бесколлекторный регулируемый электропривод переменного тока с короткозамкнутым асинхронным двигателем, статор которого создает вращающееся магнитное поле, имеющее аксиальную (бегущую) составляющую.

В предлагаемом электроприводе, с целью осуществления регулирования скорости двигателя при неподвижном статоре, для питания последнего применено трансформаторное устройство с расположенными в параллельных плоскостях и поворотными одна относительно другой вокруг перпендикулярной им оси первичной и вторичной магнитными системами. Первая из магнитных систем возбуждает неизменно направленное бегущее магнитное поле, а вторая имеет ряд обмоток, расположенных аналогично обмоткам статора двигателя, и создает на выходе систему напряжений. Для осуществления изменения соотношения между вращающейся и бегущей составляющими магнитного потока статора двигателя, величина и фаза этих напряжений могут быть изменены путем поворота вторичной магнитной системы трансформатора относительно бегущего поля.

На фиг. 1-5 показан принцип работы предлагаемого электропривода, на фиг. 6-8 - конструкция одной из магнитных систем и на фиг. 9 и 10 - конструкция и развертка статора двигателя.

Плоское бегущее поле В=B_m sin(-ωt+kx) создается обмоткой, уложенной в пазах сборки S трансформаторной стали (фиг. 1 и 2). Магнитная система В, выполненная также из отдельных листов стали, имеет систему ячейковых обмоток, в которых наводятся соответственные э.д.с. Предположим, что другая магнитная система В′ имеет такое же устройство, как система В. Соединим попарно все соответственные обмотки системы В с обмотками системы В′. Тогда В′ превратится в возбудитель точно такого же бегущего поля, какое создается обмоткой сборки S, так как уравновешивающие в В′ э.д.с. должны быть равны э.д.с, возникающим в В. Систему В′ можно выполнить цилиндрически изогнутой и тогда она превратится в статор индукционного двигателя. При повороте S вокруг оси О бегущее поле этого статора из вращающегося будет превращаться в винтовое и, соответственно, ротор будет ускоряться.

Если (фиг. 3) - скорость бегущего поля, а стрелка U - направление движения ротора, то для сохранения постоянства уровня индукции mn, точка ротора должна двигаться со скоростью большей, чем скорость .

Для того чтобы совершить перенос поля, нельзя ограничиться системой ячейковых обмоток в виде плоской сетки. Если представить себе мгновенное токораспределение в обычном статоре, то соседние стержни будут обтекаться токами I₁, I₂, I₃ одного и того же направления, незначительно разнящимися между собой (как соседние ординаты синусоиды) по величине.

Согласно фиг. 4, I₃=i₀-i₁, I₂=i₁-i₂, I₁=i₂-i₃… и т.д., система встречных токов i такова, что Δi=I, a i=ΣI, т.е. ток i значительно больше работающего тока I, что ведет к недопустимым потерям. Ячейка обмотки должна быть выполнена в виде параллелепипеда (фиг. 5). Каждый параллелепипед состоит из четырех прямоугольных контуров (обмоток). Если взять n² таких параллелепипедов и поставить рядом, то в плане образуется сплошная система В из квадратов Δx-Δу. Предположим, что магнитный поток не может проходить вниз, а лишь через боковые и верхние стороны системы. Если сверху входит поток, переменный в пространстве и по времени: В (x, у, t)×Δx·Δу (например, бегущее поле), и интеграл по всей системе ∫∫ В×dx·dy равен нулю, т.е. потоки, входящие сверху в конце концов возвращаются вверх (четное число полюсов обмотки системы S по фиг. 1), то внутри системы параллелепипедов В установится вполне определенное распределение поля, соответствующее минимуму магнитной энергии. При этом вполне определенные потоки будут пронизывать боковые стороны. Если имеется другая, идентичная во всех отношениях, система В′, составленная из таких же параллелепипедов, и в обеих системах В (датчик) и В′ (статор) имеется по 4n² соответственно соединенных обмоток, то перенос поля В (x, у, t) будет совершаться без тех сверхтоков, которые имели бы место при плоской решетке, причем В (x, у, t) может быть бегущим полем переменного направления движения.

Конструктивное выполнение электропривода, разумеется, не может быть простым. На фиг. 6-8 схематически показана конструкция системы В. Для наглядности сечение меди уменьшено. Поле В (x, у, t) создается обмоткой S, которая на чертеже не показана (магнитопровод S поворачивается вокруг оси OO). Это поле имеет B_m sin(ωt+kx cosα+ky×sinα), где α - угол поворота вокруг оси OO. (В частности, при α=0 поле бежит в направлении оси у). Неподвижная часть системы состоит из двух слоев - «брусьев» из трансформаторной стали, сложенных накрест. Верхний слой ответвляет потоки в направлении оси X, а нижний - в направлении оси У. Из слоя в слой потоки попадают через тонкую изоляцию.

«Брусья» прорезаны пазами и обмотки наматываются в пазы «брусьев». Если n - число ячеек в одном измерении (например, в направлении X), то всего обмоток будет 4n².

Статор В′ устроен аналогично, лишь изогнут в виде цилиндра. На фиг. 9 показана одна проекция статора. Все 4n² обмоток статора соединены с 4n² обмоток системы В двухпроводными связями (впрочем, обратный провод можно сделать общим у всех обмоток). Таким образом, в статоре образуется бегущее поле и направление его движения поворачивается вместе с поворотом задающего поля, т.е. с поворотом магнитопровода S, лежащего на поверхности систем В.

В зависимости от величины поворота оси вращающегося поля, скорость вращения ротора повышается от синхронной скорости до более высоких скоростей.

На фиг. 10 схематически представлена развертка статора. Крестообразная зона - отображение задающего бегущего поля. Отображение может быть несколько растянуто тем, что в статоре можно взять Δx#Δу (см. фиг. 5) или тем, что с каждой обмоткой системы В соединяются две или больше обмоток статора В′.

Намотка обмоток в пазы на дугах статора производится с помощью несложных технологических приспособлений.

Внутри статора вращается ротор. Небольшая часть ротора, не входящая в крестообразную фигуру, не будет активной.

В принципе предлагаемый электропривод применим для больших мощностей, при которых электропривод с коллекторными машинами становится практически неосуществимым.

Бесколлекторный регулируемый электропривод переменного тока с короткозамкнутым асинхронным двигателем, имеющим статор, создающий вращающееся магнитное поле, имеющее аксиальную (бегущую) составляющую, отличающийся тем, что, с целью осуществления регулирования скорости двигателя при неподвижном статоре, для питания последнего применено трансформаторное устройство с расположенными в параллельных плоскостях и поворотными одна относительно другой вокруг перпендикулярной им оси первичной и вторичной магнитными системами, первая из которых возбуждает неизменно направленное бегущее магнитное поле, а вторая имеет систему обмоток, расположенную аналогично обмоткам статора двигателя, и создает на выходе систему напряжений, величина и фаза которых изменяется при повороте вторичной системы относительно бегущего поля, для осуществления изменений соотношения между вращающейся и бегущей составляющими магнитного потока статора двигателя.