RU2279173C2

RU2279173C2 - Inductor engine (variants)

Info

Publication number: RU2279173C2
Application number: RU2004128638/09A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Давыдов (RU); Владимир Николаевич Давыдов; Борис Владимирович Никифоров (RU); Борис Владимирович Никифоров; Вадим Рубенович Апиков (RU); Вадим Рубенович Апиков; Алексей Петрович Темирев (RU); Алексей Петрович Темирев; Олег Евгеньевич Лозицкий (RU); Олег Евгеньевич Лозицкий; Павел Семенович Метекин (RU); Павел Семенович Метекин; Владимир Адольфович Луговец (RU); Владимир Адольфович Луговец; Валерий Михайлович Павлюков (RU); Валерий Михайлович Павлюков; Алексей Александрович Цветков (RU); Алексей Александрович Цветков
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Производственно-конструкторское предприятие "ИРИС"
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2006-06-27
Also published as: RU2004128638A

Abstract

FIELD: electric engineering, possible use in all controllable drives: propeller screws, electricity-driven transportation means, power plants of aircrafts, engines for conveyors, pumps, including down-pumps, hoisting equipment, mining machines, plants, tools, home appliances and the like.

SUBSTANCE: inductor engine consists of salient-pole rotor and salient-pole stator with phase windings concentrated at its poles, connected to direct current network through inverter with two controllable semiconductor keys in each phase. Phase windings in the engine are made with even number of phases, which are connected in pairs in parallel circuits, in each branch of which diodes are enabled in accordance to relation to current in circuit. Parallel circuits of windings are connected in accordance to star or triangle schematic and are connected to diagonals of inverter bridge. During operation of engine voltage pulses from inverter are sent to phases in alternating order, and current flows in phases, which after closure of keys is routed in parallel circuits to adjacent phases, powers them and decreases magnetization current. As a result number of inverter power keys is decreased two times, and number of output conductors is decreased four times.

EFFECT: increased power coefficient of inductor engine, decreased dimensions and costs of transformer for powering the engine and decreased number of output conductors.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к управляемым электродвигателям индукторного типа, и может быть использовано во всех управляемых приводах: гребных винтов, электроподвижных транспортных средств, силовых установках летательных аппаратов, приводах конвейеров, насосов, в том числе погружных, подъемных средств, добывающих машин, станков, инструмента, бытовой техники.The invention relates to electrical engineering, in particular to controlled electric motors of inductor type, and can be used in all controlled drives: propellers, electromotive vehicles, power plants of aircraft, drives of conveyors, pumps, including submersible, lifting means, mining machines, machine tools, tools, household appliances.

Известны классические управляемые двигатели синхронного и асинхронного типа, статор которых содержит фазную обмотку, подключенную к регулируемому источнику - преобразователю частоты, а ротор содержит короткозамкнутую обмотку или обмотку возбуждения постоянного тока (Копылов И.П. Электрические машины. М., 2002).Classical controlled synchronous and asynchronous motors are known, the stator of which contains a phase winding connected to an adjustable source - a frequency converter, and the rotor contains a short-circuited winding or a direct current excitation winding (IP Kopylov Electric machines. M., 2002).

Синхронные двигатели имеют высокий коэффициент мощности благодаря использованию для создания магнитного поля системы возбуждения постоянным током или постоянными магнитами. Асинхронные двигатели имеют более низкие показатели коэффициента мощности и коэффициента полезного действия (КПД), так как потребляют намагничивающий ток из сети, создающий потери и увеличивающий габариты преобразователя.Synchronous motors have a high power factor due to the use of a direct current excitation system or permanent magnets to create a magnetic field. Induction motors have lower power factor and coefficient of performance (COP), since they consume magnetizing current from the network, creating losses and increasing the dimensions of the converter.

Недостатками известных электродвигателей являются также конструктивная сложность и ненадежность обмоток переменного тока и необходимость формирования напряжения синусоидальной формы на выходе преобразователя частоты.The disadvantages of the known electric motors are also the structural complexity and unreliability of the AC windings and the need to generate a sinusoidal voltage at the output of the frequency converter.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому решению является электродвигатель индукторного типа, содержащий явнополюсный безобмоточный ротор и явнополюсный статор с сосредоточенными фазными катушками, подключенными к коммутатору постоянного тока, работающему по сигналам датчика положения (Бочаров В.И. и др. Тяговые электродвигатели электровозов, Новочеркасск, Агентство "Наутилус", 1998, с.374-403).Closest to the technical nature of the claimed solution is an induction-type electric motor containing an open-pole non-winding rotor and an open-pole stator with concentrated phase coils connected to a direct current switch operating by position sensor signals (Bocharov V.I. et al. Traction electric motors of electric locomotives, Novocherkassk, Agency "Nautilus", 1998, p.374-403).

Индукторные двигатели имеют простую и надежную конструкцию, так как на роторе отсутствуют активные элементы, а обмотка статора, совмещающая функции якоря и возбуждения, состоит из простых полюсных катушек и питается импульсами напряжения прямоугольной формы от полумостового инвертора напряжения.Induction motors have a simple and reliable design, since there are no active elements on the rotor, and the stator winding, combining the functions of an armature and excitation, consists of simple pole coils and is fed by rectangular voltage pulses from a half-bridge voltage inverter.

Недостатком этих двигателей является низкий коэффициент мощности (0,4÷0,6) из-за намагничивающего тока, потребляемого из сети и приводящего к повышенной установленной мощности полупроводниковых ключей инвертора напряжения и увеличению его габаритов. Кроме этого, индукторный двигатель, в сравнении с асинхронным, имеет вдвое большее количество проводников (выводов), соединяющих двигатель с инвертором, так как каждая его фаза подключается к соответствующей диагонали полумоста фазы инвертора двумя проводниками. Так, например, трехфазный индукторный двигатель имеет шесть выводных проводников, а шестифазный двигатель имеет двенадцать выводных проводников, что требует больших размеров коробки выводов двигателя, увеличения массы проводников (кабеля) и их стоимости. При этом значительно возрастает стоимость погружных электродвигателей, для которых расстояние от дна скважины до преобразователя, расположенного на поверхности земли, а значит, и длина кабеля составляет несколько километров.The disadvantage of these motors is a low power factor (0.4 ÷ 0.6) due to the magnetizing current consumed from the network and leading to increased installed power of the voltage inverter semiconductor switches and an increase in its size. In addition, the induction motor, in comparison with the asynchronous one, has twice as many conductors (outputs) connecting the motor to the inverter, since each of its phases is connected to the corresponding diagonal of the half-bridge of the inverter phase by two conductors. So, for example, a three-phase induction motor has six output conductors, and a six-phase motor has twelve output conductors, which requires large sizes of the motor terminal box, an increase in the mass of conductors (cable) and their cost. At the same time, the cost of submersible motors increases significantly, for which the distance from the bottom of the well to the transducer located on the surface of the earth, and therefore the cable length is several kilometers.

Задачей настоящего изобретения является увеличение коэффициента мощности индукторного двигателя, уменьшение габаритов и стоимости преобразователя для питания двигателя и уменьшение количества его выводных проводников.The objective of the present invention is to increase the power factor of the induction motor, reducing the size and cost of the converter for powering the motor and reducing the number of its output conductors.

Указанная задача решается тем, что в известном индукторном двигателе, состоящем из явнополюсного ротора и явнополюсного статора с сосредоточенными на его полюсах фазными обмотками, подсоединенными к сети постоянного тока через инвертор, содержащий в каждой фазе по два управляемых полупроводниковых ключа, число фаз двигателя четное, фазные обмотки в двигателе попарно соединены в параллельные цепи, в каждой ветви которых включены диоды согласно по отношению к току цепи, а параллельные цепи обмоток соединены звездой или треугольником и подключены к диагоналям моста инвертора.This problem is solved by the fact that in the well-known induction motor, consisting of an explicitly polar rotor and an explicitly polar stator with phase windings concentrated at its poles, connected to a direct current network through an inverter containing two controlled semiconductor switches in each phase, the number of motor phases is even, phase the windings in the motor are paired in parallel circuits, in each branch of which diodes are connected according to the current of the circuit, and the parallel winding circuits are connected by a star or a triangle and dklyucheny to the diagonals of the inverter bridge.

Индукторный двигатель также может состоять из нескольких роторов и статоров, фазные обмотки которых, соединенные в параллельные цепи, связаны с разными статорами, а полюса роторов (статоров) смещены друг относительно друга на угол t_z/n, где t_z - угловое полюсное деление ротора (статора); n - количество роторов (статоров).The inductor motor can also consist of several rotors and stators, the phase windings of which are connected in parallel circuits, connected with different stators, and the poles of the rotors (stators) are offset from each other by an angle t _z / n, where t _z is the angular pole division of the rotor (stator); n is the number of rotors (stators).

Двигатель может быть выполнен линейным в виде плоского или цилиндрического явнополюсного статора с фазными обмотками и явнополюсного ротора, установленного с зазором относительно статора.The motor can be made linear in the form of a flat or cylindrical explicit pole stator with phase windings and an explicit pole rotor mounted with a gap relative to the stator.

Положительный эффект состоит в том, что в предлагаемом индукторном двигателе за счет соединения фазных обмоток попарно в параллельные цепи энергия, запасенная индуктивностью отработавшей фазы, передается другой фазе цепи, в которой ток увеличивается и потребление намагничивающего тока из сети снижается. При этом коэффициент мощности двигателя при прямоугольной форме питающего напряжения повышается до 0,8-0,9. За счет соединения фазных обмоток в параллельные цепи также уменьшается в два раза количество управляемых полупроводниковых ключей инвертора и в четыре раза уменьшается количество соединительных (выводных) проводников между двигателем и инвертором. Например, в шестифазном двигателе соединенные попарно фазные обмотки подключаются к мостовому инвертору, состоящему из шести управляемых ключей, в отличие от шестифазного прототипа, инвертор которого содержит двенадцать управляемых ключей. Таким образом, примерно в два раза снижаются габариты и стоимость преобразователя для питания двигателя. Положительный эффект подтверждается испытаниями изготовленного образца шестифазного индукторного двигателя мощностью 3 кВт.The positive effect is that in the proposed induction motor due to the connection of the phase windings in pairs in parallel circuits, the energy stored by the inductance of the spent phase is transferred to another phase of the circuit, in which the current increases and the consumption of the magnetizing current from the network decreases. In this case, the engine power factor with a rectangular shape of the supply voltage increases to 0.8-0.9. By connecting the phase windings to parallel circuits, the number of controlled inverter semiconductor switches is also halved and the number of connecting (output) conductors between the motor and the inverter is reduced four times. For example, in a six-phase motor, coupled phase windings are connected to a bridge inverter consisting of six controlled keys, in contrast to a six-phase prototype, the inverter of which contains twelve controlled keys. Thus, the size and cost of the converter for powering the motor are reduced by about half. The positive effect is confirmed by tests of the manufactured sample of a three-phase induction motor with a power of 3 kW.

На фиг.1 представлено схематичное изображение предложенного шестифазного индукторного двигателя и схема подключения его к инвертору напряжения.Figure 1 presents a schematic illustration of the proposed six-phase induction motor and a circuit for connecting it to a voltage inverter.

На фиг.2 представлено схематичное изображение шестифазного индукторного двигателя, состоящего из двух роторов и двух статоров.Figure 2 presents a schematic illustration of a six-phase induction motor, consisting of two rotors and two stators.

На фиг.3 приведены осциллограммы тока I и напряжения U на выходе инвертора предложенного двигателя мощностью 3 кВт.Figure 3 shows the waveforms of current I and voltage U at the inverter output of the proposed engine with a power of 3 kW.

На фиг.4 приведены зависимости тока I и напряжения U известного двигателя мощностью 3 кВт от углового положения ротора.Figure 4 shows the dependence of current I and voltage U of a known motor with a power of 3 kW from the angular position of the rotor.

Предложенный индукторный двигатель 1 (фиг.1) содержит шесть фазных обмоток 3...8 на полюсах статора, которые попарно соединены в три параллельные цепи, в каждую из которых последовательно с фазными обмотками включены диоды 9...14 согласно по отношению к току, протекающему внутри каждой цепи обмоток. Диоды 9...14 у двигателей малой мощности устанавливаются непосредственно на выводах катушек обмоток 3...8 при их монтаже на двигателе, а у двигателей большой мощности диоды устанавливаются в коробке выводов на корпусе двигателя. Параллельные цепи обмоток двигателя в данном примере соединены в "треугольник" (при соединении в "звезду" изменится только соотношение величин тока и напряжения в двигателе), вершины которого проводниками 15, 16 и 17 подсоединены к диагоналям полупроводникового моста преобразователя (инвертора) 2 для питания от сети постоянного тока. Мост инвертора 2 состоит из шести полупроводниковых ключей 18...23, управляемых по сигналам датчиков положения ротора.The proposed induction motor 1 (Fig. 1) contains six phase windings 3 ... 8 at the poles of the stator, which are paired in three parallel circuits, each of which is connected in series with the phase windings diodes 9 ... 14 according to the current flowing inside each winding circuit. Diodes 9 ... 14 for low-power engines are installed directly on the terminals of the winding coils 3 ... 8 when they are mounted on the motor, and for high-power engines, diodes are installed in the terminal box on the motor housing. The parallel circuits of the motor windings in this example are connected in a "triangle" (when connected to a "star" only the ratio of the current and voltage in the motor will change), the vertices of which are connected to the diagonals of the semiconductor bridge of the converter (inverter) 2 by wires 15, 16 and 17 from a direct current network. The bridge of the inverter 2 consists of six semiconductor switches 18 ... 23, controlled by the signals of the rotor position sensors.

В многостаторном исполнении (фиг.2), применяющемся с целью снижения пульсации вращающего момента, вибрации и шумов, двигатель содержит два ротора на одном валу и два статора, на первом из которых находятся фазные обмотки 24, 25, 26, а на втором - обмотки 27, 28, 29. При этом обмотки 24 и 27, 25 и 28, 26 и 29, находящиеся на разных статорах, попарно соединены в параллельные цепи, а полюса роторов по окружности смещены друг относительно друга на угол t_z/2, где t_z - угловое полюсное деление ротора.In a multi-stator version (Fig. 2), which is used to reduce torque ripple, vibration and noise, the engine contains two rotors on one shaft and two stators, the first of which contains phase windings 24, 25, 26, and the second - windings 27, 28, 29. In this case, the windings 24 and 27, 25 and 28, 26 and 29, located on different stators, are paired in parallel circuits, and the rotor poles are circumferentially displaced from each other by an angle t _z / 2, where t _z is the angular pole division of the rotor.

В линейном исполнении двигателя (не показано) явнополюсный статор с фазными обмотками и явнополюсный ротор (подвижная часть двигателя) выполнены плоскими или цилиндрическими с линейным перемещением ротора относительно статора с воздушным зазором между ними. Схема соединений обмоток линейного двигателя такая же, как на фиг.1 и 2.In a linear motor design (not shown), the explicit pole stator with phase windings and the explicit pole rotor (moving part of the motor) are made flat or cylindrical with linear movement of the rotor relative to the stator with an air gap between them. The connection diagram of the windings of the linear motor is the same as in figures 1 and 2.

При работе двигателя (фиг.1, фиг.2 аналогично), например, на фазную обмотку 3 от сети постоянного тока открытием ключей 18 и 22 инвертора по проводникам 15 и 16 через диод 9 подается напряжение U (фиг.3) и по обмотке течет ток I. В магнитопроводе двигателя образуется рабочий магнитный поток, который вызывает притяжение полюса ротора к полюсу статора и создает вращающий момент на валу двигателя. Затем по сигналу датчика положения ротора ключи 18 и 22 закрываются, а ключи 19 и 21 открываются и напряжение U обратного знака подается через диод 10 на фазную обмотку 4, в которой также возникает ток. Ток обмотки 3 после закрытия ключей 18 и 22 под действием индуктивности не сразу спадает до нуля и, замыкаясь по цепи обмоток 3 и 4 через согласно включенные диоды 9 и 10, подпитывает обмотку 4. По следующему сигналу датчика положения ротора закрываются ключи 19 и 21, а ключи 20 и 22 открываются и напряжение питания по проводникам 16 и 17 подается через диод 11 на обмотку 5, в которой возникает ток. Обмотка 5 также подпитывается от обмотки 4 через диоды 13 и 11. Далее цикл коммутации ключей и подачи напряжения на фазные обмотки других цепей двигателя повторяется аналогично вышеописанному циклу.When the engine is running (Fig. 1, Fig. 2 similarly), for example, to the phase winding 3 from the DC network, by opening the keys 18 and 22 of the inverter, voltage U is applied through the diode 9 through diode 9 (Fig. 3) and flows through the winding current I. A working magnetic flux is formed in the motor magnetic circuit, which causes the rotor pole to be attracted to the stator pole and creates a torque on the motor shaft. Then, according to the signal of the rotor position sensor, the keys 18 and 22 are closed, and the keys 19 and 21 are opened and the voltage U of the opposite sign is supplied through the diode 10 to the phase winding 4, in which current also occurs. The current of the winding 3 after closing the keys 18 and 22 under the inductance does not immediately drop to zero and, closing along the circuit of the windings 3 and 4 through, according to the included diodes 9 and 10, energizes the winding 4. At the next signal from the rotor position sensor, the keys 19 and 21 are closed, and the keys 20 and 22 are opened and the supply voltage through the conductors 16 and 17 is supplied through the diode 11 to the winding 5, in which current is generated. The winding 5 is also fed from the winding 4 through the diodes 13 and 11. Next, the cycle of switching the keys and applying voltage to the phase windings of other motor circuits is repeated similarly to the above cycle.

Осциллограмма тока в проводниках 15, 16, и 17 на выходе инвертора, питающего предложенный индукторный двигатель, имеет форму, близкую к синусоидальной, в отличие от известного индукторного двигателя с "импульсной" формой тока.The waveform of the current in the conductors 15, 16, and 17 at the output of the inverter supplying the proposed induction motor has a shape that is close to sinusoidal, in contrast to the known induction motor with a "pulsed" current shape.

Благодаря синусоидальной форме тока коэффициент мощности предложенного двигателя достигает 0,8-0,9 даже в условиях прямоугольной формы питающего напряжения. Из схемы фиг.1 видно, что для предложенного шестифазного индукторного двигателя использовано всего шесть управляемых ключей и три выводных (соединительных) проводника вместо двенадцати ключей и двенадцати соединительных проводников известного индукторного двигателя, что значительно уменьшает габариты и стоимость преобразователя для питания двигателя.Due to the sinusoidal shape of the current, the power factor of the proposed motor reaches 0.8-0.9 even in the conditions of a rectangular shape of the supply voltage. From the diagram of figure 1 it is seen that for the proposed six-phase induction motor, only six controlled keys and three output (connecting) conductors were used instead of twelve keys and twelve connecting conductors of the known induction motor, which significantly reduces the size and cost of the converter for powering the motor.

На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый нами индукторный двигатель отвечает критериям "Новизна", "Изобретательский уровень", "Промышленная применимость" и может быть защищен патентом Российской Федерации.Based on the foregoing and the results of our patent information search, we believe that our induction motor meets the criteria of "Novelty", "Inventive step", "Industrial applicability" and can be protected by a patent of the Russian Federation.

Claims

1. An induction motor, consisting of an explicitly polar rotor and an explicitly polar stator with phase windings concentrated at its poles, connected to a direct current network through an inverter containing two controllable semiconductor switches in each phase, characterized in that the number of motor phases is even, phase windings in the motor are paired in parallel circuits, in each branch of which diodes are connected according to the current of the circuit, and the conclusions of the parallel winding circuits are connected to the diagonals of bridges assembled from s semiconductor switches.

2. An induction motor, consisting of several explicitly polar rotors and explicitly polar stators with phase windings concentrated at their poles connected to the DC network through an inverter containing two controllable semiconductor switches in each phase, characterized in that the phase windings in the motor associated with different stators, paired in parallel circuits, in each branch of which diodes are connected according to the current of the circuit, the leads of the parallel winding circuits are connected to the diagonals of the bridges assembled of controlled semiconductor switches, and the rotor poles are offset from each other by an angle t _z / n, where t _z - angular rotor pole division; n is the number of rotors (stators).