SU905950A1 - Вентильный электродвигатель-маховик с электромагнитным подвесом ротора - Google Patents

Description

(54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ-МАХОВИК С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОДВЕСОМ РОТОРА Изобретение относитс  к электронике, в частности к электрическг1М машинам и элейтромеханичесжим устройствам с бесконтактной коммутацией. Известен вентильный электроцвигатель с бесконтактной коммутацией, в кон струкции которого функциидвигатеп  со&мешены с функци ми системы электромагнитного подвеса ротора . Система подвеса выполнена с использованием сил отталкивангш посто нных магнитов, расположенных на статоре и роторе и обращенных аруг к другу одноименными полюсами ll. Наиболее близким по технической сущ ности к прецлагаемому изобретению  вл етс  вентильный электродвигатель с электро магнитным подвесом ротора, содержащий ротор с переменно-полюсной системой возбуждени , статор с размещенными на нем обмотками, поакп1очен11ыми к цепи питани  через вентильный коммутатор, управл ющие цепи ключей которого соединены с датчиком углового положени  ротора . Система подвеса ротора использует СИЛЫ взаимодействи  электромагнита с посто нным магнитом , которые в завис11мости от направлени  и стшы тока в обмотке электромагнита могут быть как силами отталкивани , так и силами прит жени . Двигатель обладает достаточно больщим крут щим моментом Г2 Недостаток этой конструкции заключаетс  в том, что не обеспеч юаетс  устойчгшый подвес ротора без вспсфлогательной системы, компенсирующей сшты выталкивани  ротора, возникающие 1фи его осевых смещени х от положени  равновеси . Наличие такой вспомогательной системы существенно усложн ет конструкцию электродвигател  и его схемы управлени . Целью изобретени   вл етс  улучшение качества электромагнитного подвеса ротора и упрощение конструкции эпектродвйгагел . Указанна  цель достигаетс  тем, что ротор электродвигател -маховика выполнен в вгще тороида и представл ет индуктор с переменно-полюсной системо возбужаени , образованной радиально намагниченными кольцевыми посто нными 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 объедин ет 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 применени   вл етс не наличие крут щего момента, а эффект накоплени  кинетической энергии вращающегос  ротора, дл  разгона которого и используетс  электромагнитный крут щий 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 струкци  секции обмотки статоре, на фиг. 4 - магнитна  система электродвигател . Ротор электродвигател -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 посто нных маг- нитов, например, 2 и 3, образующих ин дуктор с переменно полюсной системой возбуждени , с величиной полюсного деле ни , равной . На фт1Г. 1, 3 и 4 показана восыхпщолюсна  конструкци  ротора Каждый кольцевой магнит может состо т например, из двух предварительно HajN/iai Шченго Х полуколец, соедин емых и за: крепл емых на магиитопроводе 1. Снаружи ротор охвачен тонкостенным немагнитным каркасом 4- (фиг. 1 и 2), который собираетс  из двух полутороидов и служит опорой дл  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 ( кор ) объединены в секции, например в секцию 6, как это по казано на фиг. 3. Секци  представл ет собой последовательное соединение каTyiiieK 5, отсто щих друг от друга на рассто 1ше, 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 четырехсекционна  обмотка статора. Секции заключены в схему вентильного коммутатора, управл емого датчиком углового положени  ротора. В данной конструкции затруднено применение трансформаторного датчика положени  ротора, поскольку практически невозможно избежать взаимных магнитных св зей обмоток датчика и обмоток статора. Одним из возможных вариантов  вл етс  применение емкостного датчика, чувстви- тельнъ1е элементы которого - тонкие провод щие пластины - закрепл ютс  в зазоре на внешней стороне ротора и В1тутренней стороне каркаса 4 (не показаны). При этом каркас необходимо выполнить из изол ционного материала, например, щшстмассы, что одновременно избавл ет от возникновени  в нем вихревых токов при вращении ротора и св занного с ними тормозного момента. На фиг. 4 внутри кружка изображены направлени  токов в секшшх обмотки статора в фикс1фованный момент времени, а пунктиром направлени  ошовых линий магнитных полей, создаваемых магнитами ротора и обмотками статора. Обмотки одной из секций, наход щиес  в даннъ1Й момент на линтюх коммутации, например на лишга коммутации 7, от шючены коммутатором от источника питани . Электроцвигатель-маховик работает -« следуюоцим образом. При вращенгии ротора происходит последовательна  во времени коммутаци  токов в секци х статора (обмотки  кор ), осуществл ема  вентильным коммутатором по сигналам датчика углового положени  ротора. В результате магнитное поле, созданное токами .секций обмотки статора, вращаетс  в пространстве со скоростью ротора, причем вза 1мное пространственное положение магнитного пол  обмотки статора и пол , созданного переменно-полюоной системой возбуждени  ротора, остаетс  неизменным в процессе вращени  ротора , как это показано на фиг. 4. При совпадении в пространстве осей одноименных м гт1тных полюсов ротора и статора (угол d- i-ia фиг. 4 равен нулю) возникают силы отталкивани  между ротором и обмоткой статора, центрирующие ротор и осуществл лстаие его подвес. Система электромагнитного подвеса ротора устойчива по отношению к его возможным рад 1апьным или осевым смещени м, а так590

же при перекосах ротора, когда ось вращени  ротора составл ет некоторый угол с аксиальной осью симметрии статора. Таким образом, по отношению к этим возможным перемещени м ротор находитс в положении устойчивого равновеси .

При отсутствии коммутации токов в секци х о6мо ки статора единственным возможным перемещением, привод щим к потере устойчивости системы подвеса,  вл етс  только вращение ротора вокруг своей аксиальной оси. Действительно, при любом повороте ротора, когда уголс1 не равен нулю, по вл етс  крут щий электромагнитный момент, действующий в направлении поворота, причем с увеличением угла cL момент увеличттаетс , но центрирующие ротор усили  уменьшаютс  и в дальнейшем смен ютс  силами прит жени  ротора к статору.

Но при наличии коммутатора, управл емого датчиком углового положени  ротора, величина угла oL может удерживатьс  практически посто нной. Наибольшие циклические колебани  величины d, св заны с конечным числом секций обмотки статора, в св зи с чем осуществл етс  шаговое перемещет{е в пространстве магнитного пол  обмотки статора npvi непрерывном вращении пол  ротора. Таким образом, при каждой коммутации токов в секци х обмотки статора положение устойчивого ;поавёса ротора восстанав- ливаетс . Нормальным работы устройства  вл етс  режим малых углов oL При этом обеспечиваютс  наилучшие услови  работы системы подвеса, а крут щий момент  вл етс  вполне достаточным дл  разгона ротора, поскольку электродвигатель-маховик используетс  в режи ме холостого хода, близкого к идеальном Таким образом, устройство объедин ет в себе электродвигатель с вентильной коммутацией и систему подвеса ротора с использованием электромагнитных сил оттал кивани .

Так как. индуктор и обмотки статора необходимы ОЛЯ работы как собственно электродвигател , так и системы электромагнитного подвеса ротора, можно считать , что электромагнитные системьт электродвигател  и поцвеса констру1ст-ивно и функционально полностью совмещены. Вентильный коммутатор и датчик угловог псчюжени  ротора также можно считать устройствами, в равной мере принадлежащими как собственно электродвигателю (дл  создани  посто нного действующего крут щего момента), так и системе под06

веса ротора (дл  восстановлени  положени  устойчивого равновеси  ротора дри его угловых смещени х вокруг оси вращени ) . Это позвол ет существенно yttростить конструкцию устройства и схему управлени . Следует отметить, что система электромагнитного подвеса ротора способна работать без применени  внешних регул торов зазора между рото- ром и статором.

Улучшение качества электромагнитного подвеса при одновременном увеличении крут щего момента достигаетс  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 крут щий момент

Рассмотренный принцип действи  элект родв гател  может быть реализован в р де конструктивных вариантов. Например, поперечное сечение тороидального ротора не об зательно должно быть круглым, дл  упрощени  технологии изготовлени  можно пртмештть, например, ротор пр моугольного сечени . Линейную развертку такого электродвигател  можно рассмат ривать в качестве линейного электродвигател , причем в этом случае в принципе возможен и обращенный варттнт с обмот ами  кор  на подвижном элементе и пото нными магнитами индуктора на статоре .

Особенности конструкции состо т в отсутствии опорных подшипников и чрезвычайно малом моменте трени , который может быть уменьшен еще .за счет герметизации объема внутри статора с обеспечением вакуума. Она может прим& н тьс  в точных системах р егулировани  и управлени , дл  создани  высокооборотных электромеханических устройств.

Claims (2)

1. Формула изобретени 

   Вентильный электродвигатель-маховик с электромагнитным подвесом ротора, содержащий ротор с переменно-полюсной системой возбуждени  и статор с размещенными на нем обмотками, подключенными к источнику питани  через вентильный коммутатор, управл ющие цепи ключей которого соединены с датчиком углового положени  ротора, отличаюшийс   тем, что, с целью улучшени  качества электромагнитного подвеса ротора и упро7605 шени  конструкции, ротор выполнен в в де торов а, переменно-полюсна  система возбуждени  образована радиально намарниченньпли кольцевыми посто нными магtmraiMii , охватывающими тороидальный магШггопровоц ротора из ферромагнитногт материала , а секшш обмотки статора выполнены в виде катушек, охватывающих сна/7-/7 08 ружи тороидальный ротор и равномерно распределенных вдоль окружности ротора. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР №748702, кл. Н 02 К 29/О2, 1978.
2. 2.Авторское свидетельство СССР № 762100, кл. Н 02 К 29/00, 1978.

   .-/

   Б-б

   сриг.2