Вентильный электродвигатель-маховик с электромагнитным подвесом ротора Советский патент 1982 года по МПК H02K29/02 

(54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ-МАХОВИК С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОДВЕСОМ РОТОРА Изобретение относится к электронике, в частности к электрическг1М машинам и элейтромеханичесжим устройствам с бесконтактной коммутацией. Известен вентильный электроцвигатель с бесконтактной коммутацией, в кон струкции которого функциидвигатепя со&мешены с функциями системы электромагнитного подвеса ротора . Система подвеса выполнена с использованием сил отталкивангш постоянных магнитов, расположенных на статоре и роторе и обращенных аруг к другу одноименными полюсами ll. Наиболее близким по технической сущ ности к прецлагаемому изобретению является вентильный электродвигатель с электро магнитным подвесом ротора, содержащий ротор с переменно-полюсной системой возбуждения, статор с размещенными на нем обмотками, поакп1очен11ыми к цепи питания через вентильный коммутатор, управляющие цепи ключей которого соединены с датчиком углового положения ротора. Система подвеса ротора использует СИЛЫ взаимодействия электромагнита с постоянным магнитом , которые в завис11мости от направления и стшы тока в обмотке электромагнита могут быть как силами отталкивания, так и силами притяжения. Двигатель обладает достаточно больщим крутящим моментом Г2 Недостаток этой конструкции заключается в том, что не обеспеч юается устойчгшый подвес ротора без вспсфлогательной системы, компенсирующей сшты выталкивания ротора, возникающие 1фи его осевых смещениях от положения равновесия. Наличие такой вспомогательной системы существенно усложняет конструкцию электродвигателя и его схемы управления. Целью изобретения является улучшение качества электромагнитного подвеса ротора и упрощение конструкции эпектродвйгагеля. Указанная цель достигается тем, что ротор электродвигателя-маховика выполнен в вгще тороида и представляет индуктор с переменно-полюсной системо возбужаения, образованной радиально намагниченными кольцевыми постоянными магнитами, охватывающими тороидальный магнитопровоц ротора из ферромагнитного материала, а секции обмотки статора выполнены в виде катушек, охватывающих снаружи тороидальный ротор и равномерн распределенных вдоль окружности ротора. Такое электромеханическое устройство ф; нкционально объединяет в себе электроцвигательэ-маховик с вентильной коммутацией и систему электромагнтггного подвеса ротора. Электродвигатель подобной конструкции принципиально не может иметь выходного вала, поэтому полезным эффектом его применения являетс не наличие крутящего момента, а эффект накопления кинетической энергии вращающегося ротора, для разгона которого и используется электромагнитный крутящий момент. На фиг. 1 предсга1шен элек тродви- гатель, часпгчный поперечный разрез А.-А на фиг. 2, на . 2 - продольный разрез Б-Б на фш. 1, на фиг. 3 - кон струкция секции обмотки статоре, на фиг. 4 - магнитная система электродвигателя. Ротор электродвигателя-маховика выполнен в виде тороида и состоит из внутpeHHeio магнитопровода 1 (фиг. 1, 2, 4) выполненного из ферромагнитного дМатери ла, и охватывающтЕХ его радиально на- магнтгченных 1 :ольцевых постоянных маг- нитов, например, 2 и 3, образующих ин дуктор с переменно полюсной системой возбуждения, с величиной полюсного деле ния, равной . На фт1Г. 1, 3 и 4 показана восыхпщолюсная конструкция ротора Каждый кольцевой магнит может состоят например, из двух предварительно HajN/iai Шченго Х полуколец, соединяемых и за: крепляемых на магиитопроводе 1. Снаружи ротор охвачен тонкостенным немагнитным каркасом 4- (фиг. 1 и 2), который собирается из двух полутороидов и служит опорой для обмоток статора. Обмотки статора выполнены в виде катушек 5 (фиг. 1, 2 и 4), охватывающих тороидальный ротор и равномерн распределенных вдоль окружности ротора Обмотки статора (якоря) объединены в секции, например в секцию 6, как это по казано на фиг. 3. Секция представляет собой последовательное соединение каTyiiieK 5, отстоящих друг от друга на расстоя1ше, равное полюсному делениюt На фиг. 3 изображена только одна секци осталь пые выполнены совершенно аналоги НО. Общее число обмоток 5 равно произведению числа полюсов ротора на число секции обмотки статора. На фиг. 1 представлена четырехсекционная обмотка статора. Секции заключены в схему вентильного коммутатора, управляемого датчиком углового положения ротора. В данной конструкции затруднено применение трансформаторного датчика положения ротора, поскольку практически невозможно избежать взаимных магнитных связей обмоток датчика и обмоток статора. Одним из возможных вариантов является применение емкостного датчика, чувстви- тельнъ1е элементы которого - тонкие проводящие пластины - закрепляются в зазоре на внешней стороне ротора и В1тутренней стороне каркаса 4 (не показаны). При этом каркас необходимо выполнить из изоляционного материала, например, щшстмассы, что одновременно избавляет от возникновения в нем вихревых токов при вращении ротора и связанного с ними тормозного момента. На фиг. 4 внутри кружка изображены направления токов в секшшх обмотки статора в фикс1фованный момент времени, а пунктиром направления ошовых линий магнитных полей, создаваемых магнитами ротора и обмотками статора. Обмотки одной из секций, находящиеся в даннъ1Й момент на линтюх коммутации, например на лишга коммутации 7, от шючены коммутатором от источника питания. Электроцвигатель-маховик работает -« следуюоцим образом. При вращенгии ротора происходит последовательная во времени коммутация токов в секциях статора (обмотки якоря), осуществляемая вентильным коммутатором по сигналам датчика углового положения ротора. В результате магнитное поле, созданное токами .секций обмотки статора, вращается в пространстве со скоростью ротора, причем вза 1мное пространственное положение магнитного поля обмотки статора и поля, созданного переменно-полюоной системой возбуждения ротора, остается неизменным в процессе вращения ротора, как это показано на фиг. 4. При совпадении в пространстве осей одноименных мягт1тных полюсов ротора и статора (угол d- i-ia фиг. 4 равен нулю) возникают силы отталкивания между ротором и обмоткой статора, центрирующие ротор и осуществлялстаие его подвес. Система электромагнитного подвеса ротора устойчива по отношению к его возможным рад 1апьным или осевым смещениям, а так590

же при перекосах ротора, когда ось вращения ротора составляет некоторый угол с аксиальной осью симметрии статора. Таким образом, по отношению к этим возможным перемещениям ротор находитс в положении устойчивого равновесия.

При отсутствии коммутации токов в секциях о6мо ки статора единственным возможным перемещением, приводящим к потере устойчивости системы подвеса, является только вращение ротора вокруг своей аксиальной оси. Действительно, при любом повороте ротора, когда уголс1 не равен нулю, появляется крутящий электромагнитный момент, действующий в направлении поворота, причем с увеличением угла cL момент увеличттается, но центрирующие ротор усилия уменьшаются и в дальнейшем сменяются силами притяжения ротора к статору.

Но при наличии коммутатора, управляемого датчиком углового положения ротора, величина угла oL может удерживаться практически постоянной. Наибольшие циклические колебания величины d, связаны с конечным числом секций обмотки статора, в связи с чем осуществляется шаговое перемещет{е в пространстве магнитного поля обмотки статора npvi непрерывном вращении поля ротора. Таким образом, при каждой коммутации токов в секциях обмотки статора положение устойчивого ;поавёса ротора восстанав- ливается. Нормальным работы устройства является режим малых углов oL При этом обеспечиваются наилучшие условия работы системы подвеса, а крутящий момент является вполне достаточным для разгона ротора, поскольку электродвигатель-маховик используется в режи ме холостого хода, близкого к идеальном Таким образом, устройство объединяет в себе электродвигатель с вентильной коммутацией и систему подвеса ротора с использованием электромагнитных сил оттал кивания.

Так как. индуктор и обмотки статора необходимы ОЛЯ работы как собственно электродвигателя, так и системы электромагнитного подвеса ротора, можно считать, что электромагнитные системьт электродвигателя и поцвеса констру1ст-ивно и функционально полностью совмещены. Вентильный коммутатор и датчик угловог псчюжения ротора также можно считать устройствами, в равной мере принадлежащими как собственно электродвигателю (для создания постоянного действующего крутящего момента), так и системе под06

веса ротора (для восстановления положения устойчивого равновесия ротора дри его угловых смещениях вокруг оси вращения) . Это позволяет существенно yttростить конструкцию устройства и схему управления. Следует отметить, что система электромагнитного подвеса ротора способна работать без применения внешних регуляторов зазора между рото- ром и статором.

Улучшение качества электромагнитного подвеса при одновременном увеличении крутящего момента достигается также тем, что обмотки статора не имеют пассивных частей - контуры тока по всей их длине участвуют в создании элект ромагнитных сил, центр1фу ощих ротор и одновременно создающих крутящий момент

Рассмотренный принцип действия элект родв гателя может быть реализован в ряде конструктивных вариантов. Например, поперечное сечение тороидального ротора не обязательно должно быть круглым, для упрощения технологии изготовления можно пртмештть, например, ротор прямоугольного сечения. Линейную развертку такого электродвигателя можно рассмат ривать в качестве линейного электродвигателя, причем в этом случае в принципе возможен и обращенный варттнт с обмот ами якоря на подвижном элементе и потоянными магнитами индуктора на статоре.

Особенности конструкции состоят в отсутствии опорных подшипников и чрезвычайно малом моменте трения, который может быть уменьшен еще .за счет герметизации объема внутри статора с обеспечением вакуума. Она может прим& няться в точных системах р егулирования и управления, для создания высокооборотных электромеханических устройств.

Формула изобретения

Вентильный электродвигатель-маховик с электромагнитным подвесом ротора, содержащий ротор с переменно-полюсной системой возбуждения и статор с размещенными на нем обмотками, подключенными к источнику питания через вентильный коммутатор, управляющие цепи ключей которого соединены с датчиком углового положения ротора, отличаюшийс я тем, что, с целью улучшения качества электромагнитного подвеса ротора и упро7605шения конструкции, ротор выполнен в в де торовяа, переменно-полюсная система возбуждения образована радиально намарниченньпли кольцевыми постоянными магtmraiMii, охватывающими тороидальный магШггопровоц ротора из ферромагнитногт материала, а секшш обмотки статора выполнены в виде катушек, охватывающих сна/7-/708 ружи тороидальный ротор и равномерно распределенных вдоль окружности ротора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР №748702, кл. Н 02 К 29/О2, 1978. 2.Авторское свидетельство СССР № 762100, кл. Н 02 К 29/00, 1978.

.-/

Б-б

сриг.2