RU2402857C1

RU2402857C1 - Controllable cascade electric drive

Info

Publication number: RU2402857C1
Application number: RU2009111708/09A
Authority: RU
Inventors: Борис Клавдиевич Попов (RU); Борис Клавдиевич Попов; Владимир Юрьевич Карандей (RU); Владимир Юрьевич Карандей
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2010-10-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to cascade electric rotary actuator drives and may be used for production of gearless drives with frequency adjusted from 0 to double nominal at stable nominal rotation speed including reversible and other type drives. The proposed controllable cascade electric drive contains two electric motors mounted coaxially on the housing. Each motor is composed of a rotor rigidly mounted on its shaft and a stator. The stator of one of the electric motors is designed as stationary and is mounted on the housing while the second motor stator is capable of free motion relative of the shaft. According to the invention concept, it additionally contains a fixture ring rigidly mounted on the shaft of the stationary stator motor. Mounted on the fixture ring are two e-magnetic clutches one of them capable of contact with the friction plate that has a projection fitting into the movable stator body concavity which is coaxial to the said projection. The other e-magnetic clutch is capable of contact with its friction plate and of connection, with the help of the said plate, to the movable stator electric motor shaft that has a splined recess for the friction plate to fit in. The working areas of the above two friction plates that come in contact with the above e-magnetic clutches are equal to provide for identical performance of the said e-magnetic clutches. Mounted on the drive housing is a third e-magnetic clutch capable of contact with a third friction plate that has a projection fitting into the movable stator body having a concavity which is coaxial to the said projection of the third friction plate.

EFFECT: extension of the range of the cascade electric drive adjustment due to provision for generation of high rotation speeds close to double the nominal one at constant torque value or possibility to generate a doubled torque value at constant rotation speed.

2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к каскадным электрическим приводам вращательного движения, состоящим из двух преимущественно асинхронных двигателей, и может найти применение при создании безредукторных приводов с регулируемой частой вращения от 0 до двойной номинальной при постоянном моменте или приводов с удвоенным моментом при постоянной номинальной скорости вращения, в том числе реверсивных, а также при использовании любых других типов электрических приводов.The invention relates to cascade electric rotary motion drives, consisting of two predominantly asynchronous motors, and can be used to create gearless drives with adjustable frequency rotation from 0 to double rated at constant torque or drives with double torque at constant rated speed of rotation, including reversible, as well as when using any other types of electric drives.

Современные электрические двигатели как постоянного тока, так и переменного с короткозамкнутым или фазным ротором имеют высокую частоту вращения в режимах, близких к номинальным. Низкие частоты вращения могут быть получены двумя способами. Первый способ заключается в применении различных редукторов, что усложняет привод, снижает его надежность и не решает проблем снижения частоты вращения. При этом частота вращения на выходе редуктора не может быть близкой к нулю, тем более изменить знак и осуществить реверс привода. Второй способ требует применения дорогостоящего частотно управляемого электропривода, который в свою очередь не решает проблемы получения очень низких скоростей вращения, близких к 0, а также получения удвоенной синхронной скорости вращения при постоянном моменте или удвоенного момента при постоянной синхронной скорости. При этом частотные преобразователи загрязняют питающую сеть гармониками высших порядков, приводящих к искажению синусоидальности напряжения, т.е. снижают качество электроэнергии.Modern electric motors, both direct current and alternating with a squirrel-cage or phase rotor, have a high rotational speed in close to nominal modes. Low speeds can be obtained in two ways. The first method consists in the use of various gearboxes, which complicates the drive, reduces its reliability and does not solve the problems of reducing the speed. At the same time, the rotation speed at the output of the gearbox cannot be close to zero, let alone change the sign and reverse the drive. The second method requires the use of an expensive frequency-controlled electric drive, which in turn does not solve the problem of obtaining very low rotational speeds close to 0, as well as obtaining a doubled synchronous rotation speed at a constant moment or doubled moment at a constant synchronous speed. In this case, the frequency converters pollute the supply network with higher-order harmonics, leading to distortion of the voltage sinusoidality, i.e. reduce the quality of electricity.

Известен асинхронный электрический двигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором и статором с фазными обмотками [Копылов И.П. Электрические машины: учеб. для вузов / И.П.Копылов. - 2-е изд., перераб. - М.: Высш. шк., Логос, 2000. - 607 с.] Такой асинхронный двигатель имеет высокую частоту вращения, определяемую числом "пар" полюсов и частотой тока и напряжения питающей сети. Однако частота вращения двигателя при рабочих режимах меньше синхронной, так как наклон рабочей характеристики двигателя (ее "жесткость") n=f(M) зависит от параметров двигателя, в частности от сопротивления внутреннего магнитопровода ротора и питающего напряжения сети.Known asynchronous AC electric motor with squirrel-cage rotor and stator with phase windings [Kopylov I.P. Electric cars: textbook. for universities / I.P. Kopylov. - 2nd ed., Revised. - M .: Higher. Shk., Logos, 2000. - 607 pp.] Such an asynchronous motor has a high rotational speed, determined by the number of "pairs" of poles and the frequency of the current and voltage of the supply network. However, the engine speed under operating conditions is less than synchronous, since the slope of the engine’s operating characteristic (its "rigidity") n = f (M) depends on the motor parameters, in particular, on the resistance of the internal rotor magnetic circuit and the supply voltage of the network.

Такой двигатель не обеспечивает низких частот вращения, так как в этом случае режим его работы будет неустойчивым, кроме того, в случае применения понижающего редуктора такой двигатель не обеспечивает широкого диапазона регулирования частоты вращения, тем более с низким пределом, равным нулю, и возможностью реверса. Также такой двигатель не обеспечивает получение удвоенного значения момента на валу при постоянной номинальной скорости вращения или получения удвоенного значения момента при постоянной номинальной частоте вращения.Such an engine does not provide low speeds, since in this case its operation mode will be unstable, in addition, in the case of using a reduction gear, such an engine does not provide a wide range of speed control, especially with a low limit of zero and the possibility of reverse. Also, such an engine does not provide a double value of the torque on the shaft at a constant nominal speed or to obtain a double value of the moment at a constant nominal speed.

Прототипом является каскадный электрический привод, состоящий из двух соосно установленных электродвигателей, каждый включает внутренний магнитопровод на валу и наружный магнитопровод. Одна пара одноименных магнитопроводов электродвигателей соединена между собой жестко, а один из одноименных магнитопроводов другой пары установлен неподвижно. При этом другой магнитопровод другой пары установлен с возможностью вращения и является выходным элементом привода. (Пат. №2050672, 1995 г.)The prototype is a cascade electric drive, consisting of two coaxially mounted electric motors, each including an internal magnetic circuit on the shaft and an external magnetic circuit. One pair of the same name magnetic circuits of electric motors is rigidly interconnected, and one of the same name magnetic circuits of the other pair is fixed. In this case, the other magnetic circuit of the other pair is mounted for rotation and is the output element of the drive. (Pat. No. 2050672, 1995)

И для этого устройства присущи недостатки. Устройство обеспечивает получение привода с высоким крутящим моментом только при низких частотах вращения, а также с широким диапазоном изменения частоты вращения с нижним пределом, равным нулю. Получение же больших скоростей вращения, близких к двойной номинальной, при постоянном значении величины момента или получение удвоенного момента при постоянной скорости вращения получить с помощью этого электропривода невозможно.And there are disadvantages to this device. The device provides a drive with high torque only at low speeds, as well as with a wide range of speed changes with a lower limit of zero. Obtaining high rotational speeds close to double the nominal value at a constant value of the moment or obtaining double the moment at a constant rotation speed cannot be obtained using this electric drive.

Задачей изобретения является расширение диапазона регулирования каскадного электрического привода.The objective of the invention is to expand the control range of the cascade electric drive.

Технический результат достигается тем, что обеспечивается получение больших скоростей вращения, близких к двойной номинальной, при постоянном значении величины момента или получение удвоенного момента при постоянной скорости вращения. Управляемый каскадный электрический привод, содержащий два установленных в корпусе соосно электродвигателя, каждый из которых состоит из ротора, жестко закрепленного на своем валу, и статора, причем статор одного электродвигателя неподвижный и закреплен на корпусе, статор другого подвижный и установлен с возможность вращения относительно вала, крепежное кольцо, установленное на валу электродвигателя с неподвижным статором, на кольце закреплены две электромагнитные муфты, одна с возможностью контакта с фрикционной прокладкой с выступом с корпусом подвижного статора, имеющего впадину, соосную с выступом, другая с возможностью контакта со своей фрикционной прокладкой с валом электродвигателя с подвижным статором, имеющим шлицевую выточку под фрикционную прокладку, кроме того, рабочие площади этих фрикционных прокладок, контактирующих с электромагнитными муфтами, выполнены равными для обеспечения одинаковой производительности электромагнитных муфт, а третья электромагнитная муфта закреплена на корпусе привода с возможностью контакта с фрикционной прокладкой с выступом с корпусом подвижного статора, имеющего впадину, соосную с выступом муфты.The technical result is achieved by the fact that it provides large rotational speeds close to double nominal at a constant value of the moment or double the moment at a constant speed. A controllable cascade electric drive comprising two coaxial electric motors installed in the housing, each of which consists of a rotor rigidly mounted on its shaft and a stator, the stator of one electric motor being fixed and fixed to the housing, the stator of the other moving and mounted for rotation relative to the shaft, a fixing ring mounted on the shaft of the electric motor with a fixed stator; two electromagnetic couplings are fixed on the ring, one with the possibility of contact with the friction pad with a protrusion ohm with a housing of a movable stator having a cavity coaxial with the protrusion, another with the possibility of contact with its friction pad with a motor shaft with a movable stator having a slotted groove under the friction pad, in addition, the working areas of these friction pads in contact with electromagnetic couplings are made equal to ensure the same performance of electromagnetic couplings, and the third electromagnetic clutch is mounted on the drive housing with the possibility of contact with the friction pad with dull rolling with a stator housing having a cavity coaxial to the coupling protrusion.

Предлагаемое устройство пояснено чертежами: на фиг.1 изображен общий вид устройства, на фиг.2 изображены характеристики асинхронного двигателя, на фит.3 изображены характеристики электропривода при разном напряжении питания, на фиг.4 изображены суммарные характеристики электропривода при одинаковых частотах вращения, на фиг.5 изображены суммарные характеристики электропривода при разных частотах вращения, на фиг.6 изображена схема автоматического регулирования частоты вращения электропривода.The proposed device is illustrated by drawings: Fig. 1 shows a general view of the device, Fig. 2 shows the characteristics of an induction motor, Fig. 3 shows the characteristics of an electric drive at different supply voltages, Fig. 4 shows the total characteristics of an electric drive at the same speeds, Fig. .5 shows the total characteristics of the drive at different speeds, figure 6 shows a diagram of automatic control of the speed of the drive.

Устройство состоит из электромагнитных муфт 1, 2, закрепленных на кольце 3. Кольцо 3 закреплено на валу 4, например, с помощью сварки и вращается вместе с валом 4. Электромагнитная муфта 5 закреплена на корпусе 6 и неподвижна. Статор 7 находится в неподвижном состоянии и закреплен на корпусе 6, а ротор 8 закреплен неподвижно и вращается с валом 4 на подшипниках 9 независимо от вращения вала 10. Статор 12 вращается свободно на валу 10 независимо от вращения вала на подшипниках 13. Ротор 14 жестко закреплен на валу 10 и вращается вместе с валом на подшипниках 11 и 13. Электромагнитная муфта 5 воздействует на корпус статора 12 при помощи фрикционной прокладки 15, имеющей выступ, заходящий в корпус статора 12. Электромагнитная муфта 1 соединяется с валом 10 при помощи фрикционной прокладки 16, а электромагнитная муфта 2 соединяется с корпусом статора 12 при помощи фрикционной прокладки 17. Причем фрикционная прокладка 17 имеет выступ, заходящий в корпус статора 12, а фрикционная прокладка 16 жестко закреплена шлицем вала 10. Рабочие площади фрикционных прокладок 16 и 17 должны быть одинаковы, для одинаковой производительности электромагнитных муфт 1 и 2. Корпус статора 7 жестко закреплен на корпусе 6.The device consists of electromagnetic couplings 1, 2, mounted on a ring 3. The ring 3 is mounted on the shaft 4, for example, by welding and rotates together with the shaft 4. The electromagnetic clutch 5 is mounted on the housing 6 and is stationary. The stator 7 is stationary and mounted on the housing 6, and the rotor 8 is fixedly mounted and rotates with the shaft 4 on the bearings 9 regardless of the rotation of the shaft 10. The stator 12 rotates freely on the shaft 10 regardless of the rotation of the shaft on the bearings 13. The rotor 14 is rigidly fixed on the shaft 10 and rotates together with the shaft on bearings 11 and 13. The electromagnetic clutch 5 acts on the stator housing 12 using a friction pad 15 having a protrusion extending into the stator housing 12. The electromagnetic clutch 1 is connected to the shaft 10 using a friction 16, and the electromagnetic clutch 2 is connected to the stator housing 12 by means of a friction gasket 17. Moreover, the friction gasket 17 has a protrusion extending into the stator housing 12, and the friction gasket 16 is rigidly fixed by the shaft slot 10. The working area of the friction gaskets 16 and 17 should be are the same, for the same performance of electromagnetic couplings 1 and 2. The stator housing 7 is rigidly fixed to the housing 6.

Принцип работыPrinciple of operation

Для получения удвоенного значения момента при одинаковой частоте вращения необходимо произвести управление электромагнитными муфтами в следующем порядке. Подаем питающее напряжение на электромагнитные муфты 1 и 5 и отключаем от питания электромагнитную муфту 2. При этом ротор 8 вращается на валу 4, а статор 12 остается неподвижным, так как электромагнитная муфта 5 тормозит корпус статора 12. При помощи электромагнитной муфты 1 происходит зацепление ротора 14, вращающегося на валу 10. В итоге получаем удвоенный момент на валу 10 от двух асинхронных двигателей при одинаковой частоте вращения.To obtain a double value of the torque at the same speed, it is necessary to control the electromagnetic couplings in the following order. We apply a supply voltage to the electromagnetic couplings 1 and 5 and disconnect the electromagnetic clutch 2. The rotor 8 rotates on the shaft 4 and the stator 12 remains stationary, since the electromagnetic clutch 5 slows down the stator housing 12. Using the electromagnetic clutch 1, the rotor engages 14, rotating on the shaft 10. As a result, we obtain twice the moment on the shaft 10 from two asynchronous motors at the same speed.

Для получения удвоенного значения скорости вращения при одинаковой величине вращающего момента необходимо произвести управление электромагнитными муфтами в следующем порядке. Подаем питающее напряжение на электромагнитную муфту 2 и отключаем электромагнитные муфты 1 и 5. При этом ротор 8 вращается на валу 4 и передает крутящий момент и скорость на статор 12 с помощью электромагнитной муфты 2. Ротор 14 вращается с асинхронной скоростью относительно статора 12. В итоге получаем на валу 10 удвоенное значение скорости вращения при одинаковой величине вращающего момента.To obtain a double value of the rotational speed with the same amount of torque, it is necessary to control the electromagnetic couplings in the following order. We apply a supply voltage to the electromagnetic clutch 2 and disconnect the electromagnetic clutches 1 and 5. In this case, the rotor 8 rotates on the shaft 4 and transmits torque and speed to the stator 12 using the electromagnetic clutch 2. The rotor 14 rotates with asynchronous speed relative to the stator 12. As a result we get on the shaft 10 twice the value of the rotational speed with the same amount of torque.

Получение плавных изменений, а также малых значений скорости и реверс осуществляется следующим образом.Obtaining smooth changes, as well as small values of speed and reverse, are as follows.

Изменяя напряжение питания U на каждом из двигателей привода, можно изменять наклон характеристики каждого двигателя n=f(M,U). Следовательно, возможно управлять наклоном рабочей характеристики n=f(М) всего привода. При одинаковом значении синхронных частот вращения двигателей эта характеристика проходит через точку М=0, n=0, фиг.4. При различных значениях синхронных частот вращения двигателей характеристика проходит через точку М=0, n=n_cI-n_cII, фиг.5.By changing the supply voltage U on each of the drive motors, it is possible to change the slope of the characteristics of each motor n = f (M, U). Therefore, it is possible to control the slope of the operating characteristic n = f (M) of the entire drive. With the same value of the synchronous engine speeds, this characteristic passes through the point M = 0, n = 0, Fig. 4. For various values of synchronous engine speeds, the characteristic passes through the point M = 0, n = n _cI -n _cII , _Fig.5 .

На фиг.2 показаны типовые характеристики асинхронного двигателя в зависимости от относительной величины питающего напряжения. На фиг.3, 4, 5 показан принцип формирования суммарной характеристики привода. Следует заметить, что параметры двигателя, в частности активное сопротивление ротора, влияют на жесткость характеристик, т.е. на их наклон. На фиг.3 представлены характеристики для каскада из двух двигателей. Здесь характеристики двигателя II относятся к его выходному элементу (либо к статору на фиг.1, либо к ротору на фиг.1), направление вращения которого противоположно принятому за положительное вращение. Соответственно и крутящий момент, развиваемый двигателем II на выходном элементе, также имеет противоположное направление. Так как при работе привода двигатели I и II развивают одинаковые по величине моменты, то их характеристики могут быть суммированы, фиг.4. Видно, что, изменяя напряжение питания, можно изменить наклон рабочих характеристик одного из двигателей и тем самым можно получить необходимую результирующую характеристику, согласованную с нагрузочной характеристикой рабочего механизма при заданной частоте вращения. Возможно также и одновременное изменение напряжения питания обоих двигателей в противоположных направлениях.Figure 2 shows typical characteristics of an induction motor depending on the relative magnitude of the supply voltage. Figure 3, 4, 5 shows the principle of formation of the total characteristics of the drive. It should be noted that the engine parameters, in particular the rotor resistance, affect the stiffness of the characteristics, i.e. on their slope. Figure 3 presents the characteristics for the cascade of two engines. Here, the characteristics of the engine II relate to its output element (either to the stator in figure 1, or to the rotor in figure 1), the direction of rotation of which is opposite to that adopted for positive rotation. Accordingly, the torque developed by the engine II on the output element also has the opposite direction. Since during the operation of the drive, engines I and II develop the same magnitude of moments, their characteristics can be summarized, figure 4. It can be seen that by changing the supply voltage, it is possible to change the slope of the operating characteristics of one of the engines, and thereby it is possible to obtain the necessary resulting characteristic, consistent with the load characteristic of the operating mechanism at a given speed. It is also possible to simultaneously change the supply voltage of both motors in opposite directions.

Если частоты вращения двигателей привода одинаковы, то результирующие характеристики привода проходят через точку М=0, n=0 с любым наклоном, фиг.4. Если наклон нулевой, то привод фактически превращается в упор, препятствующий повороту приводимого устройства под действием внешнего момента.If the rotational speeds of the drive motors are the same, then the resulting drive characteristics pass through the point M = 0, n = 0 with any slope, Fig. 4. If the slope is zero, then the drive actually turns into a stop, preventing the rotation of the driven device under the action of an external moment.

Если значения частот двигателей привода различны, то результирующая характеристика проходит через точку М=0, n=n_cI-n_cII, а наклон суммарной характеристики определяется наклоном характеристик двигателей. Результирующая характеристика может быть с положительным наклоном, отрицательным (падающая характеристика) или с нулевым наклоном (абсолютно жесткая характеристика), в последнем случае привод вращается с частотой n=n_cI-n_cII.If the frequency values of the drive motors are different, then the resulting characteristic passes through the point M = 0, n = n _cI -n _cII , and the slope of the total characteristic is determined by the slope of the motor characteristics. The resulting characteristic can be positive slope, negative (falling characteristic) or zero slope (absolutely rigid characteristic), in the latter case, the drive rotates with a frequency of n = n _cI -n _cII .

Из графиков на фиг.4, 5 видно, что привод может развивать максимальный крутящий момент при малых частотах вращения. Важно заметить то, что этот момент близок к моменту, развиваемому двигателями при номинальных значениях напряжения.From the graphs in figure 4, 5 shows that the drive can develop maximum torque at low speeds. It is important to note that this moment is close to the moment developed by the motors at rated voltage values.

Привод допускает реверсирование вращения без переключения фаз. Это достигается путем соответствующего изменения величин напряжений на двигателях I и II.The drive allows reverse rotation without phase switching. This is achieved by a corresponding change in the voltage values on the engines I and II.

Управление частотой вращения привода может быть решено, например, предложенной нами схемой автоматического регулирования устройствами, представленной на фиг.6. Система состоит из датчика 18 частоты вращения выходного элемента привода с преобразователем 19 текущей частоты n_m вращения в нормированный сигнал. Элемент 20 сравнивает сигналы, пропорциональные заданному n_зад и текущему n_m значениям частот вращения. Контроллер 21 вырабатывает управляющее воздействие по заданному закону регулирования (пропорциональному, интегральному, дифференциальному или их сочетаниям), осуществляет управление переключением фаз питания одного и пар полюсов одного из двигателей, а также вырабатывает управляющие сигналы на электромагнитные муфты 1, 2 и 5. Устройство 22 преобразует управляющее воздействие в изменение напряжения питания двигателя (например, с помощью магнитных усилителей).The control of the rotational speed of the drive can be solved, for example, by our proposed automatic control device circuit shown in Fig.6. The system consists of a speed sensor 18 of the output element of the drive with a converter 19 of the current frequency n _{m of} rotation into a normalized signal. Element 20 compares signals proportional to a given n _ass and current n _m rotational speed values. The controller 21 generates a control action according to a given regulation law (proportional, integral, differential or combinations thereof), controls the switching of the supply phases of one and the pole pairs of one of the motors, and also generates control signals to electromagnetic couplings 1, 2 and 5. The device 22 converts control action in changing the voltage of the motor (for example, using magnetic amplifiers).

Использование предложенных решений позволит расширить диапазон регулирования электропривода. Скорость вращения можно будет регулировать плавно от 0 до двойной номинальной при двухступенчатом каскаде. При увеличении ступеней каскада можно будет наращивать скорость вращения и расширять диапазон регулирования. Причем компоненты электропривода всегда будут работать режимах, близких к номинальному.Using the proposed solutions will expand the range of regulation of the electric drive. The speed of rotation can be continuously adjusted from 0 to double the nominal at a two-stage cascade. With increasing stages of the cascade, it will be possible to increase the speed of rotation and expand the range of regulation. Moreover, the components of the drive will always work in modes close to the nominal.

Изобретение найдет применение в промышленности, машиностроении, станкостроении, транспорте и т.д.The invention will find application in industry, engineering, machine tool, transport, etc.

Claims

1. A controllable cascade electric drive containing two electric motors mounted coaxially in the housing, each of which consists of a rotor rigidly mounted on its shaft and a stator, the stator of one electric motor being fixed and fixed to the housing, and the stator of the other made movable and installed with the possibility of free rotation relative to the shaft, characterized in that it further comprises a mounting ring rigidly fixed to the shaft of the electric motor with a fixed stator, while on the mounting ring Two electromagnetic couplings are fixed, one of which has the possibility of contact with a friction gasket having a protrusion extending into the cavity of the movable stator housing, coaxial with the specified protrusion, the other electromagnetic clutch has the ability to contact with its friction gasket and connect it with a slotted recess for this friction pad, the motor shaft, the stator of which is movable, and the working area of these two friction pads in contact with the specified electromagnet couplings made equal to ensure the same performance of these electromagnetic couplings, while a third electromagnetic clutch is mounted on the drive casing, having contact with a third friction pad having a protrusion that extends into the housing of the movable stator having a cavity coaxial with said protrusion of the third friction gaskets.

2. The controlled cascade electric drive according to claim 1, characterized in that the ring on which the electromagnetic couplings are mounted is rigidly fixed to the first shaft.