SU1163422A1 - Электродвигатель с электромагнитным подвесом ротора - Google Patents

Abstract

1. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОДВЕСОМ РОТОРА , содержащий корпус, статор, ферромагнитный ротор с посто нными магнитами, систему электромагнитного подвеса ротора, имеющую электромагниты с полюсами, и систему разгрузки подвеса от сил веса и инерции , включающую в себ  подвижные элементы и установленные на них магниты, отличающийс  тем, что, с целью упрощени  конструкции , снижени  веса и габаритов двигател , подвижные элементы выполнены в виде расположенных снаружи ротора колец, св занных с корпусом при помощи упругих элементов, а образенные одна к другой поверхности колец и ротора выполнены коническими . 2.Электродвигатель по п. 1, отличающийс  тем, что упругие элементы выполнены в виде эллиптических пружин, св занных с корпусом регулировочными винтами . 3.Электродвигатель по п. 1, отличающийс  тем, что в кольцах между посто нными магнитами выполнены отверсти , в которых р размещены полюса электромагнитов системы (Л электромагнитного подвеса ротора. 05 оо NU to tN3

Description

Изобретение относитс  к электрическим машинам, в частности к машинам с магнитными опорами.

Цель изобретени  заключаетс  в упрощении конструкции, снижении веса и габаритов двигател .

На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство , разрез; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - подвижный элемент системы силовой разгрузки ротора - кольцо с конической рабочей поверхностью, вид изнутри; на фиг. 4 - вариант упругой св зи конического кольца с корпусом устройства при помощи пружины эллиптической формы; на фиг. 5 - положение электромагнита системы подвеса по отношению к ротору; на фиг. 6 - схема взаимного положени  активных элементов системы силовой разгрузки ротора при радиальной силе веса; на фиг. 7 - то же, при осевом направлении действи  силы веса; на фиг. 8 - графики силы веса ротора, а также электромагнитных и упругих сил, действующих в системе силовой разгрузки ротора, как функции перемещени  подвижных элементов этой системы .

На валу 1 электродвигател  закреплен магнитопровод 2, который может быть набран из кольцевых пластин, причем средн   часть магнитопровода,  вл юща с  активным элементов ротора собственно двигател , выполнена с цилиндрической рабочей поверхностью, а боковые части - с конической . В пазах цилиндрической части магнитопровода помещены радиально намагниченные посто нные магниты 3, образующие переменно-полюсную систему возбуждени  собственно электродвигател  (на фиг. 2 отмечены полюса магнитов 3, обращенные к внутренней поверхности статора). Магнитопровод 4 с помещенной в его пазах обмоткой 5 образуют статор собственно электродвигател  и закреплены в корпусе 6. С корпусом упруго св заны также кольца 7 и 8 с конической поверхностью, обращенной к ротору. Упруга  св зь осуществл етс  с помощью пружин 9 эллиптической формы, наход щихс  в предваритедьно сжатом состо нии и в противоположных точках, прикрепленных к кольцам 7 и 8 и к корпусу 6. Один из вариантов такого закреплени  представлен на фиг. 4. Регулировка сжати  пружин 9 может производитьс  с помощью нажимного винта 10, положение которого затем фиксируетс  стопорной гайкой 11. Количество пружин, св зывающих каждое кольцо с корпусом, ограничено только конструктивными соображени ми. Пружины должны, по .возможности, обладать одинаковыми характеристиками и располагатьс  равномерно по окружности кольца . Можно ограничитьс  четырьм  пружинами на кольце. Во внутренних пазах кольца располагаютс  распределенные равномерно по его окружности пары посто нных магнитов 12 и 13, намагниченные так, как это показано на фиг. 4. Между пазами с магни5 тами в кольцах выполнены отверсти  14, через которые пропущены магнитопроводы 15 с катушками 16, принадлежащие к системе электромагнитного подвеса ротора. С помощью переходной немагнитной детали 17

Q магнитопровод 15 крепитс  к корпусу 6. Раз меры отверстий 14 в кольцах 7 и 8 выбираютс  таким образом, чтобы в пределах рабочих перемещений колец не было касаний с ними магнитопроводов 15 и обмоток 16. Сами кольца лущче выполн ть из немагнит5 ных материалов во избежание по влени  силового взаимодействи  между кольцами и электромагнитами.

Электродвигатель с электромагнитным подвесом ротора работает следующим образом .

Собственно электродвигатель обеспечивает создание крут щего момента и представл ет собой вентильный электродвигатель с бесконтактной коммутацией токов в обмотках статора и системой возбуждени ,

5 использующей посто нные магниты 3 на роторе . В данной конструкции в системе возбуждени  использованы высококоэрцитивные посто нные магниты, что позвол ет существенно увеличить воздущный зазор между ротором и магнитопроводом 4, так что

0 этот воздушный зазор много больше максимально возможного радиального отклонени  ротора от его центрированного положени , поскольку это отклонение ограничено величиной зазора между магнитопроводом 2 ротора и магнитопроводами 15 системы подвеса . Указанна  особенность конструкции обеспечивает услови , когда при незначительных радиальных смещени х ротора относительно его центрированного положени  односторонние силы прит жени  между ротором и статором собственно электродвигател  практически отсутствуют. В то же врем  магнитный поток возбуждени  в основном замыкаетс  по ротору и магнитопроводу 4, так что не возникает и нежелательного электромагнитного взаимодействи  между магнитами системы возбуждени  и магнитами колец .

Система электромагнитного подвеса ротора , использующа  в качестве силовых

элементов электромагниты с магнитопроводами 15 и обмотками Ш, работает как замкнута  система автоматического регулировани  и строитс  по известным схемам резонансного или активного подвеса.

Система силовой разгрузки ротора содержит упруго св занные с корпусом кольца 7 и 8 с посто нными магнитами 12 и 13, создающими электромагнитные силы прит жени  между кольцами и коническими поверхност ми магнитопровода ротора. Таким образом, магнитопроводы ротора системы электромагнитиого подвеса и системы силовой разгрузки в этом устройстве полностью конструктивно совмещены. Основные принципы работы системы силовой разгрузки ротора иллюстрируютс  на фиг. 6 и 7, где схематически изображены только те элементы конструкции, которые имеют отношение к работе этой системы. Ротор изображен в центрированном положении (или, во вс ком случае, при наличии только незначительных отклонений от этого положени ). В рабочих системах электромагнитного подвеса удержание ротора в таком положении обеспечиваетс  только за счет регулируемых сил прит жени , развиваемых силовыми электромагнитами системы подвеса. Если сила веса ротора действует перпендикул рно к оси вращени  (горизонтальное положение осей - фиг. 6), то аналогичное направление имеют и силы веса, действующие на кольца 7 и 8 и заставл ющие их перемещатьс  на рассто ние лХ относительно их соосного с ротором положени , так что зазоры Si между кольцами и ротором в верхней части кольца и в нижней части не равны один другому. По мере такого смещени  кольца возникают и растут силы одностороннего прит жени  между кольцом и ротором, способные в конечном итоге полностью или частично компенсировать силу веса ротора. Указанному смещению колец под действием силы их веса и электромагнитных сил прит жени  преп тствуют также растущие по мере смещени  колец упругие силы сопротивлени  со стороны пружин 9. В идеальном случае геометрические весовые и электромагнитные параметры элементов системы разгрузки могут быть так рассчитаны, что в установивщемс  положении вес ротора может быть полностью скомпенсирован. Механизм работы системы разгрузки аналогичен при вертикальном положении оси вращени  ротора (фиг. 7) или при любом Другом промежуточном положении. Примененные в конструкции эллиптические пружины позвол ют создавать упругие силы сопротивлени  смещени м колец и в радиальном , и в осевом направлени х по отнощению к ротору. Таким образом, система силО: вой разгрузки с помощью одних и тех же простых элементов способна уравновешивать и радиальные, и осевые составл ющие сил веса, что выгодно отличает ее от известного устройства. Это относитс  и к компенсации сил инерции,-св занных с наличием механических ускорений, если только силы инерции не измен ютс  во времени по величине и направлению с достаточно высокой скоростью. Таким образом, система силовой разгрузки ротор:а работает как разомкнута  система автоматического регулировани , реагирующа  на вариации возмущающих воздействий - сил веса и инерции, и притом без потреблени  электроэнергии. Условие нормальной работы системы силовой разгрузки ротора, использующей электромагнитные силы прит жени  между ротором и подвижными элементами системы разгрузки , заключаетс  в том, что воздущные зазоры между ротором и магнитопроводами 15 должны быть существенно меньще, чем зазоры между кольцами 7 и 8 и ротором. В этом случае обеспечиваетс  эффективность работы системы электромагнитного подвеса, и в то же врем  возможные малые отклонени  ротора от центрированного положени  не привод т к сколько-нибудь заметному изменению сил прит жени , действующих между кольцами и ротором. Применение же высококоэрцитивных посто нных магнитов позвол ет получить больщие значени  электромагнитных сил даже при значительных зазорах . В таком случае силы одностороннего прит жени , действующие между кольцами и ротором при их несоосном положении, практически воспринимаютс  как посто нные или медленно мен ющиес  составл ющие сил, определ ющих работу системы силовой разгрузки ротора. На фиг. 8 нулевому значению отклонени  ДХ колец 7 и 8 соответствует их центрированное положение относительно ротора. Значени  электромагнитной силы Fj, силы веса кольца Р и упругой силы пружин FH считаютс  положительными, если их направление совпадает с направлением отклонени  АХ. Сила F9  вл етс  силой прит жени  кольца к ротору, сила Fn- противоположна  по направлению упруга  сила сопротивлени  пружин, котора  при любом отклонении ДХ должна по абсолютной величине превышать Fg. Условие равновеси  кол ьца РЭ, Ч- Fn + Р 0. В этом соотношении слагаемые могут иметь различные знаки и представл ют собой проекции соответствующих сил на направление перемещени . В таком случае установившеес  значение перемещени  Д X кольца соответствует точке а на фиг. 8 при значени х упругой силы Fg и электромагнитной силы FJ. Следовательно, обратна  по направлению .сила прит жени  ротора к кольцу также равна F.. Она и компенсирует частично силу веса ротора и может существенно превышать вес кольца Р. Последнее необходимо, так как кольца должны быть легче самого ротора. Сумг 1арное воздействие двух колец на ротор может привести и к полному его уравновешиванию. Дл  того, чтобы электромагнитна  сила, уравновешивающа  ротор, была существенно больще веса кольца, требуетс , чтобы при предельно допустимом отклонении кольца от нулевого положени  значение силы Fg, (а ело ювательно, и Гц) существенно превышало вес кольца Р, но при этом алгебраическа  сумма сил РЭ +FH превышала бы вес Р незначительно. При совместном действии системы силовой разгрузки ротора и системы электромагнитного подвеса обеспечиваютс  оптимальные услови  их работы. Система подвеса обеспечивает малые отклонени  ротора от положени  равновеси , а система силовой разгрузки, в свою очередь, существенно облегчает услови  работы системы электромагнитного подвеса, позвол   снизить потребл емую мощность и увеличить перегрузочную способность. Изобретени  могут быть реализованы и в некоторых других конструктивных вариантах . Например, могут быть применены различные упругие элементы св зи колец 7 и 8 с корпусом 6, от обычных витых пружин до прокладок из упругих материалов и надувных баллонов. Посто нные магниты могут располагатьс  на роторе: тогда кольца представл ютсобой магнитопроводы, набранные из пластин. Если применен полый ротор большого диаметра, что характерно дл  конструкции двигател -маховика, кольца могут располагатьс  внутри ротора и взаимодействовать с его внутренними поверхност ми. Предлагаема  система силовой разгрузки ротора может примен тьс  и в сочетании с опорами на подшипниках качени , облегча  услови  их работы и снижа  трение в опорах, особенно при наличии перегрузок, св занных со значительными ускорени ми. В предлагаемом устройстве в отличие от известных используетс  один и тот же магнктопровод ротора в системе электромагнитного подвеса и в системе силовой разгрузки ротора. Система силовой разгрузки способна с помощью одних и тех же конструктивно достаточно простых элементов компенсировать как радиальные, так и осевые составл ющие сил веса и инерции; при этом в ней не соверщаетс  сложных механических движений, св занных с обкаткой элементов и преодолением трени . Кроме того уменьшаетс  необходимое количество дорогосто щих посто нных магнитов .

П

Фиг. 3

/IX

Фмг.6

Claims (3)

1. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОДВЕСОМ РОТОРА, содержащий корпус, статор, ферромагнитный ротор с постоянными магнитами, систему электромагнитного подвеса ротора, имеющую электромагниты с полюсами, и систему разгрузки подвеса от сил веса и инерции, включающую в себя подвижные элемен ты и установленные на них магниты, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, снижения веса и габаритов двигателя, подвижные элементы выполнены в виде расположенных снаружи ротора колец, связанных с корпусом при помощи упругих элементов, а образенные одна к другой поверхности колец и ротора выполнены коническими.

2. Электродвигатель по π. 1, отличающийся тем, что упругие элементы выполнены в виде эллиптических пружин, связанных с корпусом регулировочными винтами.

3. Электродвигатель по π. 1, отличающий- ся тем, что в кольцах между постоянными магнитами выполнены отверстия, в которых о размещены полюса электромагнитов системы ,'·' электромагнитного подвеса ротора. |/

О

Од hU ю ю