Вентильный электродвигатель Советский патент 1980 года по МПК H02K29/04 

(.54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

1

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электродвигателям с бесконтактной коммутацией.

Известны вентильные электродвигатели с питанием от сети однофазного переменного тока, содержащие реверсивный вентильный преобразователь частоты и числа фаз и электрическую мащину с обмоткой якоря на статоре 1. Бесконтактное возбуждение ротора подобных машин может осуществляться с использованием специальных возбудителей трансформаторного типа или, например, за счет применения постоянных магнитов. Эти электродвигатели имеют невысокие энергетические показатели.

Известен также электродвигатель, на роторе которого помещена основная обмотка возбуждения и две вспомогательные обмотки, связанные с основной через выпрямители. Оси вспомогательных обмоток смещены относительно оси основной обмотки возбуждения на угол, обеспечивающий возникновение трансформаторной магнитной связи этих обмоток с обмоткой якоря, причем ЭДС во вспомогательных обмотках индуктируются переменной составляющей потока реакции якоря 2.

Этот электродвигатель наиболее близкий к изобретению по технической сущности и получаемому результату. Кроме своей основной функции - возбуждения ротора - дополнительные обмотки частично компенсируют также поток реакции якоря и тем самым позволяют существенно повысить качество и надежность коммутационных процессов, особенно при высокой частоте вращения, а также увеличить коэффициент мощности.

Целью изобретения является улучшение

10 энергетических и регулировочных характеристик.

Это достигается тем, что в роторе электродвигателя выполнены диаметрально расположенные вырезы, в которых помещены

15 постоянные магниты,имеющие центральный и два симметрично расположенных боковых паза, причем в центральных пазах двух постоянных магнитов помещена вспомогательная обмотка ротора, а основная обмотка 20 возбуждения образована последовательным и согласным соединением двух катушек, причем в боковых пазах каждого постоянного магнита размещена одна катущка основной обмотки возбуждения.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез электродвигателя; на фиг. 2 приведена схема коммутатора и схема соединения обмоток ротора; на фиг. 3 - распределение магнитных полей электродвигателя при заданных мгновенных направлениях токов в его обмотках.

В пазах магнитопровода статора 1 помен.ена обмотка якоря 2, состоящая из отдельных секций. Ротор электродвигателя выполнен в виде закрепленного на валу ферромагнитного пакета 3, собранного из листов магнитомягкого материала с двумя диаметрально расположенными вырезами. В вырезах помещены постоянные магниты 4, 5, намагниченные в радиальном направлении и образующие переменно-полюсную систему. Каждый постоянный магнит имеет центральный наз и два симметрично расположенных но краям боковых паза. В центральных пазах -двух постоянных .магнитов помещена вспомогательная обмотка 6 ротора. Основная обмотка возбу/к |.емия образована после;и)1 ательным и сог.лагным соединением .,чвух катушек 7 и 8. Каждая из этих двух обмоток размс1цена в боковых пазах одного из постоянных магнитов. Ось катушек обмотки возбуждения 7, 8 и ось вспомогательной обмоткм б сдвинуты в пространстве на угол, равный половине по.люсного деления ма ниH1I, т.е. при двухполюсном исполнении на 90 градусов. Обмотка 6 связана с обмотками во;5буждения через выпрямительный мост.

Каждая секция обмотки якоря намотана днойны.м проводом с inaroM, равным нолюсно.му делению, и состоит из двух одинаковых f)6MOTOK, напри.мер, 9 и К), по.мещенных в одних и тех же пазах. Полусекции подключаются к источнику гштания неременного гока через нару встречно-наралле;1ьных тиристоров, например, 11 и 12, 13 и 14. Каждой паре об.моток, составляющих данную секцию, соответствует одна выходная обмотка датчика углового ноложения ротора. Начала нолусскций нодключены к различным зажи.мам источника. Таки.м образом, напряжения питания оказываются для них в противофазе, если отсчитЕявать их относительно одноименных зажимов этих об.моток.

Электродвигатель работает следующим образом.

Каждая секция обмотки якоря, соответствующий ей управляемые вентили и датчик ноложения ротора образуют враодающийся управляемый фазочувствительный выпрямитель, для которого опорным нанряжением является неременное напряжение питания обмотки якоря, а сигнальным - напряжение соответствуюп1,ей выходной обмотки датчика положения ротора. Для коммутации тока в секциях якоря используется явление опрокидывания фазы переменных ЭДС, наводимых в выходных обмотках трансформаторного датчика в процессе вращения ротора.

Принцип действия вентильного коммутатора заключается в следующем. Магнитные оси обмоток секции якоря и соответствующей выходной обмотки датчика положения ротора ориентированы в пространстве таким

образом, чтобы оцрокидывание фазы ЭДС выходной обмотки происходило в моменты времени, когда активные проводники соответствующей секции обмотки якоря находятся на линии геометрической нейтрали, т.е. между полюсами возбуждения. Напряжение

каждой выходной обмотки датчика положения используется для формирования двух последовательностей импульсов управления, синхронизированных с напряжением питания и сдвинутых одна относительно другой на половину периода. Одна последовательность импульсов подается, например, одновременно на тиристоры 11, 12, регулирующие ток в обмотке 9, другая - на тиристоры 13. 14, регулирующие ток в обмотке 10. Аналогично управляются тиристоры остальных секНИИ.

Для каждой из двух обмоток, составляюН1ИХ данную секцию, совпадение во времени положительной полуволны напряжения питания и импульса на управляющем электроде обеспечивается лишь для одного из двух

тиристоров, относящихся к данной обмотке. Поэтому в каждой обмотке протекает выпрямленный пульсирующий ток. Так как и.мнульсы управления двумя обмотками каждой секции сдвинуты во времени на половину

д периода напряжения 1итания, то соответственно сдвинуты во времени п и.мнульсы тока в этих об.мотках. Поэтому суммарная намагничивающая сила каждой секции якоря получается такой же, как если бы она создавалась одной обмоткой, питаемой токо.м,

J нолученным в результате двухполуперподного выпрямления. Из.менение полярности импульсов тока в обеих обмотках секции осуществляется в момент нахождения секции на линии нейтрали.

Регулирование величины тока в секциях об.мотки якоря, а следовательно, и скорости вращения построено на принципе широтноимнульсного управления. Бесконтактный реверс двигателя, а также торможение противовключением обеспечивается онрокидыва5 нием по фазе напряжения, поступающего на первичную обмотку датчика положения ротора, что приводит к смене последовательностей управляющих импульсов.

В данной конструкции применен нрин цип смещанного возбуждения ротора. Независимое возбуждение обеспечивается применением постоянных магнитов 4, 5. а поток возбуждения, зависящий от тока якоря, создается катущками обмотки возбуждения 7, 8, j питаемыми через выпрямитель от вспомогательной обмотки 6 ротора. Особенностью вентильного электродвигателя является сохранение в процессе работы взаимного пространственного положения магнитной оси обмотки 1К)збу/к,1еяия и оси Mai-нитносо поля, создаваемого токами в обмотке статора. Поток реакции якоря по отношению к потоку возбуждения - поперечный, содержит значительную переменную составляющую, первая гармоника которой изменяется с двойной частотой по сравнению с частотой питания. Эта пере.менная составляющая потока реакции якоря и используется для дополнительного возбуждения ротора, поскольку сцепляется с вспомогательной обмоткой 6 ротора и наводит в ней переменную ЭДС.

Постоянные магниты 4, 5 могут быть изготовлены, например, из сравнительно дещевой стали с содержанием хрома или вольфрама. Как материал лля изготовления постоянных магнитов, такая сталь отличается высоким значением остаточной индукции (до i,l Т) и с)авнителько низкой коэрцитивной силой {0X0по 5000 А/м). Двигатель, возбужчаемый го;:ь о эти.ми постоянными магнитами, -оо.здал бы низкими эксплуатационными качествгу:и ИЗ-ЗЕ их постепенного размагни4HBaf Hf;. Олцако в .оанной конструкции посгоя1ные У1агн.чты кодмагкичиваются потоком обмогок возбуждения 7, 8, ток в которых зависит в конечном счете от тока якоря. Для снижения потерь от вихревых токов в теле постоянных магнитов в конструкции предусмотрен ферромагнитный пакет 3 из магнитомягкого материале, прелставлиющий собой CHoeic магнитный шунт, обладающий в сотни раз меньшим магнитны.м сопротивлением внешнему потоку по сравнению с магнитным сопротивлением материала постоянных магнитов. Поэтому поток реакции якоря замыкается главны образом через гакет 3. Кроме того, он частично компенсируется за счет размагничивающего действия обмотки 6. Уменьшению величины потока реакции siKOpj; в челе постоянных магнитов способствует таклче 1аличие центральКых назов с об.моткой б, яв.пяющихся немагнитным , зазором на пути этого потока.

Основная обмотка возбуждения в данной конструкции представляет собой последовательное ii согласное соединение двух катушек 7 и 8, помещенных в боковых пазах постоянных MaiHHioB. В этом случае основная обмотка возбуждения создает магнитный поток, замыкающийся по телу постоянных магнитов или, другими словами, намагничивающая сила этой обмотки суммируется с внутренней намагничивающей силой постоянных магнитов.

По сравнению с электродвигателем, возбуждаемым только постоянными магнитами, данная конструкция обладает преимуществами, состоящими в уменьшении потерь в роторе от вихревых токов, в возможности применения для возбуждения сравнительно дещевых постоянных магнитов без риска и постепенного размагничивания, в увеличеНИИ сумматорного потока возбуждения, улучшении пускового момента вследствие зависимости потока возбуждения от тока якоря, в существенном улучшении качества и надежности коммутационных процессов, особенно при больших скоростях вращения ротора. По сравнению с электродвигателем, возбуждаемым только переменной составляющей потока реакции якоря, данная конструкция обладает преимуществами, состоящими в увеличении потока возбуждения за счет введения составляющей, не зависящей от тока якоря, и вследствие этого в увеличении жесткости механических характеристик, быстродействия и энергетических показателей электродвигателя.

Формула изобретения

Вентильный электродвигатель однофазного переменного тока, содержащий статор, в пазах которого по.мещены секции об.мотки

якоря, включенные в схему вентильного коммутатора, и ротор с основной обмоткой возбуждения, соединенной через выпрямитель .МО вспомогательной обмоткой ротора, ось которой сдвинута относительно оси основд ной обмотки на половину полюсного деления, отличающийся тем. что, с целью улучшения энергетических и регулировочных характеристик, в роторе электродвигателя выполнены диаметрально расположенные вырезы, в которых помещены постоянные магниты с центральным и двумя симметрично расположенными боковыми пазами, причем в центральных пазах постоянных магнитов помещена вспо.могательная обмотка потора, а основная обмотка возбуждения содержит две последовательно-согласно соединенные катушки. Каждая из которых размещенав бо ковых пазах одного из двух постоянных .магнитов, причем в боковых пазах каждого постоянного магнита размещена одна катушка основной обмотки возбуждения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

с. 15-17.