RU1774438C - Вентильна электрическа машина - Google Patents

Abstract

Использование: в высокоточных приводах с высокой стабильностью частоты вращени . Существо изобретени : машина содержит электромеханический преобразователь 1 с аксиальным зазором между  корем 3 и активной поверхностью 4 переменно-полюсного индикатора, который установлен на оси 6 вращени  и выполнен с несинусоидальным распределением нормальной составл ющей пол . Внешн   сторона катушек каждой секции выполнена с дополнительными изгибами, равноудаленными от оси вращени . Число изгибов в катушках , образующих одну секцию, может быть выполнено различным. Катушки с большим числом дополнительных изгибов могут быть выполнены из провода, поперечное сечение которого меньше поперечного сечени  провода катушки с меньшим числом дополнительных изгибов, катушка с большим числом этих изгибов может быть выполнена с числом витков, меньшим числа витков катушки с меньшим числом дополнительных изгибов. Индуктор может быть выполнен из двух частей, обращенных к  корю. 5 з.п.ф-лы, 4 ил.

Description

32

16

СО 00

Фиг. 1

Изобретение относитс  к области электротехники , в частности, к электрическим машинам с бесконтактной коммутацией секций обмотки  кор  по положению индуктора с помощью преобразовател  частоты, т.е. к вентильным электрическим машинам, получающим питание или генерирующим электроэнергию в цепь посто нного тока.

Применительно к вентильным электромашинам , работающим совместно с сетью посто нного тока, например, к маломощным прецизионным вентильным электромашинам , дл  обеспечени  высокого качества электромеханического преобразовани  энергии стрем тс  иметь трапецеидальную форму ЭДС в секци х обмотки  кор  с тем, чтобь- на интервале между двум  очередными переключени ми ключей преобразовател  частоты (межкоммутационный интервал) результирующа  ЭДС подключенных к сети посто нного тока секций обмотки  кор  была бы посто нна по величине. Это обеспечи- вает подобие форм тока и ЭДС на межкоммутационном интервале.

Известна вентильна  электрическа  машина с трапецеидальной формой ЭДС в секци х , содержаща  электромеханический преобразователь торцевой конструкции с аксиальным зазором между  корем и переменно-полюсным индуктором, причем секции обмотки  кор  выполнены сосредоточенными.

Недостатком такой конструкции  вл етс  неудовлетворительное использование обьема зазора и всего электромеханического преобразовател , в результате чего ухуд- шаютс  массогабаритные показатели машины.

Наиболее близкой  вл етс  вентильна  электрическа  машина, содержаща  электромеханический преобразователь с  корем торцевой конструкции и переменно-полюсным индуктором, установленным на оси вращени  и выполненным с возможностью в зазоре магнитного пол  с несинусоидальным распределением нормальной составл ющей индукции в окружном направлении. На торцевой поверхности  кор , обращенной к индуктору, расположены катушка с боковыми, внутренней и внешней сторонами . Катушки соединены в секции, которые св заны через преобразователь частоты, например, полупроводниковый с цепью посто нного тока.

Недостаток такой конструкции заключаетс  в неудовлетворительном качестве выходных параметров электрической машины . Это св зано с тем, что форма наведенной ЭДС в секци х обмотки  кор  пр мо за висит от формы пол  в зазоре, что требует

точного подбора и стабильности характеристик средств возбуждени  пол  индуктора (посто нных магнитов). Известно, что стабильность характеристик посто нных магнитов невысока. Поэтому обеспечение повтор емости от образца к образцу требуемой формы ЭДС затруднительно. Отклонение реальной формы ЭДС от трапецеидальной ведет к ухудшению качества электромеханического преобразовани  энергии, в частности, к увеличению пульсаций вращающего момента.

Целью изобретени   вл етс  повышение качества выходных параметров машин.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в вентильной электрической машине, содержащей электромеханический преобразователь с торцевым  корем и переменно-полюсным индуктором, установленным на оси вращени  и служащим дл  создани  магнитного пол  с несинусоидальным распределением нормальной составл ющей индукции в окружном направлении, расположенные на торцевой

поверхности  кор  катушки с боковыми, внутренней и внешней сторонами, причем катушки соединены в секции, подключенные через преобразователь частоты к цепи питани , согласно изобретению, внешн  

сторона, по крайней мере одной катушки каждой секции выполнена с дополнительными изгибами и содержит участки, расположенные в активной зоне электромеханического преобразовател  и

разноудаленные от оси вращени .

При этом целесообразно выполнение внешних сторон катушек, образующих одну секцию, с различным числом дополнительных изгибов.

Катушки с большим числом дополнительных изгибов выполнены из провода, поперечное сечение которого меньше поперечного сечени  провода катушки с меньшим числом дополнительных изгибов.

Целесообразно: выполнение катушки

с большим числом дополнительных изгибов

с числом витков, меньшим чем у катушки с

меньшим числом дополнительных изгибов.

Часть витков внутренней стороны, по

крайней мере, одной катушки каждой секции может быть выполнена с дополнительными изгибами и содержит участки. разноудаленные от оси вращени .

Во всех вышеуказанных случа х индуктор может быть выполнен из двух половин, обращенных активными поверхност ми к  корю, причем половины индукторов обращены друг к другу полюсами различной пол рности .

Как будет видно из приведенного далее примера, за счет изменени  формы катушек можно сформировать ЭДС трапецеидальной формы с заданным значением углового размера плоской вершины в услови х не- 5 стабильности характеристик посто нных магнитов и тем самым обеспечить высокое качество выходных параметров.

На фиг.1 представлена принципиальна  схема вентильной электромашины с 10 конструкцией электромеханического преобразовател ; на фиг.2 - расположение катушек обмотки  кор ; на фиг.З - крива  распределени  индукции в зазоре электромеханического преобразовател ; на фиг.4 - 15 крива  ЭДС в секции обмотки  кор .

Вентильна  электрическа  машина содержит электромеханический преобразователь 1 торцевой конструкции с аксиальным зазором 2 между  корем 3 и активной по- 20 верхностью 4 первого переменно-полюсного индуктора 5, который установлен на оси 6 вращени  и выполнен с возможностью создани  в зазоре 2 магнитного пол , величина нормальной составл ющей индукции 25 В(5 (поз.7 на фиг.З) которого в активной зоне 8 между активной поверхностью 4 индуктора 5 и  корем 3 распределена по окружности х по закону периодической функции , отличающейс  от синусоидальной. На 30  коре 3 в плоскости, параллельной и обращенной к активной поверхности 4 индуктора 5, расположены витки 9 (фиг.2) катушки 10, кажда  из которых выполнена с боковыми 11 и 12, внутренней 13 и внешней 14 35 сторонами. Катушки соединены в секции, которые св заны через преобразователь 15 частоты, например, полупроводниковый с цепью 16 посто нного тока. Внешн   сторона 14, по крайней мере одной катушки 10 40 каждой секции выполнена с дополнительными изгибами и содержит участки 17, 18, 19, расположенные в активной зоне 8 электромеханического преобразовател  и разноудаленные от оси 6 вращени . Возможно 45 выполнение катушек одинаковой формы типа катушки 10. Возможно выполнить внешние стороны 14 катушек 10 и 20, образующих одну секцию, с различным числом дополнительных изгибов. Внешн   сто- 50 рона катушки 20 также содержит участки 21, 22, 23, расположенные в активной зоне 8 и разноудаленные от оси 6 вращени . Возожно выполнение вентильной электромашины , у которой катушки 20 с большим 55 ислом дополнительных изгибов выполнены из провода, поперечное сечение которого меньше поперечного сечени  провода катушки 10, имеющей меньшее число дополнительных изгибов, Возможно выполнение вентильной машины, при котором катушка 20 с большим числом дополнительных изгибов имеет меньше витков 21, чем число витков катушки 10 с меньшим числом дополнительных изгибов.

Часть витков 22 внутренней стороны 13, по крайней мере, одной катушки 10 каждой секции может быть выполнена -с дополнительными изгибами и с участками, разноудаленными от оси б. Возможно выполнение, при котором функции распределени  нормальной составл ющей индукции 7 (фиг.З)  вл етс  нечетной, а знаки, по крайней мере, третьей 23, п той 24 и седьмой 25 высших гармонических совпадают со знаком первой 26 гармонической, по крайней мере, дл  одноименных полюсов индуктора . Магнитопровод  кор  3 может быть установлен нэ оси вращени  и вращатьс  вместе с индуктором. В этом случае катушки должны быть установлены на немагнитном каркасе в активной зоне 8 электромеханического преобразовател . Вентильна  электрическа  машина может быть снабжена вторым аналогичным первому переменно- полюсным индуктором (на чертеже не показан ), обращенным активной поверхностью к  корю 3 и установленным на оси вращени . При этом индукторы обращены друг к другу полюсами различной пол рности, а  корь выполнен немагнитным. Крайние внешние участки дополнительных изгибов могут находитьс  вне активной зоны индуктора.

Дл  замыкани  магнитного потока переменно-полюсный индуктор 5 (в данном случае 2р 8) снабжен примыкающим к нему магнитом гким шунтом 27. Индуктор 5 вместе с шунтом 27 размещены в обойме 28, котора  закреплена на оси 6, установленной в подшипниках 29 и 30, размещенных в корпусе 31. Дл  фиксации величины аксиального зазора 2 машина снабжена упорным подшипником 32. Дл  регулировани  величины воздушного зазора предусмотрены прокладки 33. В данной конструкции корпус 31 соединен с  корем 3, который может быть выполнен из магнитом гкого материала. Противоположно лежащие катушки 10 и 20 соединены последовательно и образуют секцию. Концы трех секций объединены, а начала 34 секций выведены и подключены к трехканальному выходу 35 преобразовател  частоты 15, выполненного по двухполупе- риодной схеме на транзисторах 36, диодах 37 моста обратного тока. Такие преобразователи частоты используютс  дл  вентильных электродвигателей. Цепи управлени  транзисторов подключены к чувствительным элементам 38,39,40, например, элементам Холла датчика положени  ротора, через блок 41 формировани  (усилени ) сигналов управлени . Формы выполнени  датчика положени  ротора, блока 41 формировани - усилени  сигналов-управлени  несущественны и могут быть различны.

В случае использовани  вентильной электромашины в качестве генератора необходимость в датчике положени  ротора и блока 41 отпадает, а преобразователь частоты 15 может быть выполнен в виде моста диодов 37. Вентильна  электрическа  машина может быть выполнена с различным числом катушек, а индуктор - с различной полюсностью, как цельной, так и сборной конструкции.

Вентильна  электрическа  машина работает следующим образом.

При вращении обоймы 28 измен етс  потокосцепление индуктора 5 с катушками 10,20, в которых согласно закону электромагнитной индукции наводитс  ЭДС. Величина нормальной составл ющей индукции 7 магнитного пол  в зазоре 2 в активной зоне 8 между активной поверхностью 4 индуктора 5 и  корем 3 распределена в окружном направлении по несинусоидальному закону . Крива  7 (фиг.З) может быть представлена как сумма гармонических составл ющих, первые четыре из которых (перва  26, треть  23, п та  24 и седьма  25) представлены на фиг.З. Если бы все катушки обмотки  кор  были выполнены без дополнительных изгибов, сосредоточенными и диаметральными , крива  наведенных в них ЭДС повторила бы форму индукции. Но в беспазовых электромеханических преобразовател х такую обмотку применить невозможно, поскольку это привело бы к резкому снижению использовани  объема машины из-за низкого коэффициента заполнени  воздушного зазора.

Выполнение катушек с конечной шириной приводит к распределению витков по окружности и, следовательно, к фильтрации высших гармоник кривой ЭДС. Так, если, например, кажда  сторона катушки занимает электрический угол Л /3 на середине активной зоны, ее коэффициенты распределени  составл ют дл  первой гармоники 0,955, дл  третьей - 0, 0,636, дл  п той - 0,191. Крива  ЭДС в секции приближаетс  к синусоидальной. Разность между посто нным приложенным напр жением и синусоидальной формой ЭДС обуславливает пульсации тока и вращающего момента. Введение дополнительных изгибов с участками , частично или полностью рзсположен- ными в активной зоне, приводит к некоторому снижению величины первой

гармоники ЭДС и значительному увеличению высших гармоник по сравнению с трапецеидальной формой ЭДС в катушке. Степень деформации кривой ЭДС св зана с

формой катушки и кривой пол  по довольно сложной функциональной зависимости. Установлено , однако, что дл  большинства конструкций индукторов можно путем введени  дополнительных изгибов получить форму ЭДС с полкой, равной или большей 120 электрических градусов.

В зависимости от формы кривой пол  в зазоре вогнута  часть изгиба может занимать различное положение относительно

оси симметрии катушки,

На фиг.4 пунктиром изображены результирующа  крива  42 ЭДС ек. наведенной в распределенной катушке. Одна сторона катушки занимает в середине ак . тивной зоны электрический угловой промежуток равный п /3, Крива  может быть представлена как сумма гармонических первой 43, третьей 44 и п той 45. Сплошными лини ми изображены кривые ЭДС, наведенные в обмотке с дополнительными изгибами: результирующа  крива  46 и ее гармонические составл ющие 47 (перва ), 48 (треть ) и 49 (п та ). Как видно из фиг.4, использование дополнительных изгибов позволило усилить третью и п тую гармонические в кривой ЭДС и тем приблизить ее форму к трапецеидальной с шириной вершины , близкой к 2   /3. В этом случае при использовании как однополупериодного

коммутатора с межкоммутационным интервалом , равным In /3, так и мостового с межкоммутационным интервалом п /3, выпр мленна 4 ЭДС имеет практически посто нную величину, потребл емой ток

также посто нен, вращающий момент почти не имеет пульсаций. Катушки, из которых состо т секции, могут быть как намотаны из провода, так и выполнены в виде многослойных печатных катушек.

Выполнение катушек с различным числом изгибов позвол ет установит в ней обмоточные коэффициенты дл  различных гармонических составл ющих, необходимые дл  формировани  плоской вершины

достаточной ширины. Выполнение катушек из провода разного сечени  либо с разным числом витков, равно как и выполнение с изгибами только части витков, позвол ет максимально использовать полезный объем

электромагнитного зазора. Расположение магнитопровода  кор  на оси индуктора позвол ет снизить потери в стали. Выполнениеэлектромеханического преобразовател  с двум  индукторами, обращенными друг к другу своими разноименными полюсами, позвол ет повысить использование объема электрической машины.

Claims (6)

1. Формула изобретени  1. Вентильна  электрическа  машина, содержаща  электромеханический преобразователь с торцевым  корем и переменно-полюсным индуктором, установленным на оси вращени  и служащим дл  создани  магнитного пол  с несинусоидальным распределением нормальной составл ющей индукции в окружном направлении, на торцевой поверхности  кор , обращенной к ин- дуктору, расположены катушки с боковыми, внутренней и внешней сторонами, катушки соединены в секции, подключенные через преобразователь частоты к цепи питани , отличающа с  тем, что, с целью повышени  качества выходных параметров машины, внешн   сторона по крайней мере одной катушки каждой секции выполнена с дополнительными изгибами и содержит участки , расположенные в активной зоне элек- тромеханического преобразовател  и разноудаленные от оси вращени .

   17

   W

   11/
2. 2.Машина по п.1,отличающа с  тем, что внешние стороны катушек, образующих одну секцию, выполнены с различным числом дополнительных изгибов.
3. 3.Машина по п.2, отличающа с  тем, что катушки с большим числом дополнительных изгибов выполнены из провода, поперечное сечение которого меньше поперечного сечени  провода катушки с меньшим числом дополнительных изгибов.
4. 4.Машина по п.2 или 3, отличающа с  тем, что катушка с большим числом дополнительных изгибов выполнена с числом витков, меньшим витков катушки с меньшим числом дополнительных изгибов.
5. 5.Машина по п.1 или 2, отличающа с  тем, что часть витков внутренней стороны по крайней мере одной катушки каждой секции выполнена с дополнительными изгибами и содержит участки, разноудаленные от оси вращени .
6. 6.Машина по пп.1-5, отличающа - с   тем, что индуктор выполнен из двух половин, обращенных активными поверхност ми к  корю, половины индукторов обращены одна к другой полюсами различной пол рности.

   10 22 12

   20

   . 10

   ло

   фс/г.2

   Фиг. 5

   Фиг.4

   -4Ј