Патент на изобретение №2368053

(54) ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ ДВУХФАЗНЫЙ НЕРЕВЕРСИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах механизмов с переменной производительностью, например в вентиляторах, насосах, компрессорах, в высокоскоростных электрошпинделях и в бытовой технике. Предлагаемый высокоскоростной вентильно-ндукторный двухфазный нереверсивный двигатель, содержащий явнополюсный статор с четырьмя полюсами и сосредоточенными обмотками и ротор с двумя полюсами и клювообразными выступами на полюсах. При этом, согласно изобретению, ротор выполнен с двумя полюсами и с клювообразными выступами на полюсах, причем поверхность каждого полюса ротора с клювообразными выступами имеет форму трех цилиндрических поверхностей одинакового диаметра, при этом центр цилиндрической поверхности полюсов ротора совпадает с осью ротора, а центры двух цилиндрических поверхностей клювообразных выступов полюсов ротора не совпадают с осью ротора. Технический результат – увеличение коэффициента полезного действия и упрощение алгоритма управления высокоскоростного вентильно-ндукторного двухфазного нереверсивного двигателя. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах механизмов с переменной производительностью, например в вентиляторах, насосах, компрессорах, в высокоскоростных электрошпинделях и в бытовой технике.

Известен индукторный нереверсивный двигатель, содержащий явнополюсный статор, имеющий четыре полюса, и ротор в виде двух цилиндрических поверхностей, имеющих несовпадение осей, при этом поперечное сечение обеих поверхностей имеет высшую точку относительно центра ротора, каждая поверхность ограничена с краев выступом так, что нижние точки одного выступа и верхние точки другого выступа принадлежат одной поверхности, аналогично – для другой поверхности. Протяженность дуг обеих поверхностей составляет 180° [Патент США 3679953, МКИ Н02К 29/00. – Опубл. 25.07.1972 г.].

Основным недостатком этого двигателя является большой воздушный зазор между полюсами статора и ротора, имеющий высокое магнитное сопротивление, и как следствие этого – малый вращающий момент.

Известен нереверсивный двухфазный электродвигатель с переменным магнитным сопротивлением, содержащий явнополюсный статор с четырьмя полюсами, на которых размещены четыре сосредоточенные обмотки, и ротор с двумя полюсами, причем поверхность каждого из полюсов ротора выполнена в виде двух цилиндрических поверхностей разных диаметров, центры которых совпадают с осью ротора. [Патент РФ 2089034, МКИ Н02К 29/10. – Опубл. 27.08.97. Бюл. 24].

5].

Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому изобретению является двухтактный шаговый двигатель с искусственным расширением устойчивой зоны [Дискретный электропривод с шаговыми двигателями, под общ. ред. М.Г.Чиликина. М.: Энергия, 1971, с.94-103].

Двигатель содержит явнополюсный статор с четырьмя полюсами и сосредоточенными обмотками и явнополюсный ротор с двумя клювообразными полюсами, направленными в сторону вращения.

Недостатком этого двигателя является то, что ток фазы имеет резко несинусоидальный характер [Кузнецов В.А., Кузмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. – М.: Издательство МЭИ, 2003, с.16], то есть содержит наряду с первой гармонической составляющей много высших гармоник большой амплитуды, это увеличивает омические потери в «меди» и в «стали» и уменьшает коэффициент полезного действия, кроме того, для устранения тормозных моментов в этих двигателях приходится применять сложный алгоритм управления, предполагающий упреждение угла включения и выключения транзисторов управляющего инвертора в зависимости от скорости вращения и момента нагрузки.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение коэффициента полезного действия и упрощение алгоритма управления.

Поставленные цели достигаются тем, что в известном двухтактном шаговом двигателе с искусственным расширением устойчивой зоны, содержащем явнополюсный статор с четырьмя полюсами и сосредоточенными обмотками и ротор с двумя полюсами, имеющими клювообразные выступы, поверхность каждого полюса с клювообразными выступами имеет форму трех цилиндрических поверхностей одинакового диаметра, при этом центры цилиндрической поверхности полюсов ротора совпадают с осью ротора, а центры двух цилиндрических поверхностей клювообразных выступов полюсов ротора не совпадают с осью ротора. В результате чего момент двигателя, в зависимости от положения ротора, при постоянном токе в обмотке одной фазы в начале магнитного зацепления при угле поворота ротора 0<<45° линейно увеличивается, затем при угле поворота ротора 45°<<90° остается постоянным, а при угле поворота ротора 90°<<135° линейно уменьшается до нуля. При этом если подавать на обмотку фазы напряжение при угловом положении ротора, когда 0<<90°, а при положении ротора, когда 90°<<135°, замыкать электродвижущую силу самоиндукции на источник постоянного напряжения, равного напряжению, подаваемому в предыдущем случае, то под действием этих напряжений и электродвижущей силы самоиндукции ток в фазе меняется в соответствии с законом i=Isin+0,134sin3, где i – текущее значение тока, I – амплитуда первой гармоники тока, 0,134 – коэффициент, определяющий отношение амплитуды первой и третьей гармоник тока, при котором при угле 45°<<90° i=0,866I и постоянно. Таким образом, ток при разложении в ряд Фурье имеет минимальное число гармоник, что увеличивает коэффициент полезного действия за счет уменьшения потерь в «меди» и в «стали».

При угле поворота ротора 0<<90° напряжение, подаваемое на фазу где L – текущее значение индуктивности фазы, r – омическое сопротивление обмотки, U – напряжение, подаваемое на обмотку, t – время. При этом где М – текущее значение момента, развиваемое фазой, а где – частота вращения ротора, поэтому При угле поворота ротора 90°<<135° электродвижущая сила замыкается на источник постоянного тока, и напряжение на обмотке меняет знак, Поэтому для регулирования скорости и момента при неизменном гармоническом составе тока достаточно регулирования напряжения без сдвигов фронтов импульсов напряжения.

По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемое устройство имеет следующие новые признаки: поверхность ротора с клювообразными выступами на полюсах имеет форму трех цилиндрических поверхностей одинакового диаметра, при этом центр цилиндрической поверхности полюса ротора совпадает с осью ротора, а центры двух цилиндрических поверхностей клювообразных выступов полюсов ротора не совпадают с осью ротора.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».

При реализации предлагаемого изобретения увеличивается коэффициент полезного действия за счет уменьшения омических потерь в «меди», и упрощается алгоритм управления.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».

По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики и электропривода.

Высокоскоростных вентильно-индукторных двухфазных нереверсивных двигателей, имеющих четыре полюса на статоре с сосредоточенными обмотками и два полюса с клювообразными выступами на роторе, в которых поверхность каждого полюса с клювообразными выступами имеет форму трех цилиндрических поверхностей одинакового диаметра, и центр цилиндрической поверхности полюсов ротора совпадает с осью ротора, а центры двух цилиндрических поверхностей клювообразных выступов полюсов ротора не совпадают с осью ротора, не обнаружено.

Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1. показан высокоскоростной вентильно-индукторный двухфазный нереверсивный двигатель, где обозначено: 1 – статор; 2 – ротор; 3 – обмотка; 4 – ось ротора; 5, 6 – центры цилиндрических поверхностей клювообразных выступов полюсов ротора.

На фиг.2. показаны токи фаз и гармонические составляющие токов фаз двигателя: i_A – ток и гармонические составляющие фазы А; i_B – ток и гармонические составляющие фазы В.

На фиг.3. показаны диаграммы работы высокоскоростного вентильно-индукторного двухфазного нереверсивного двигателя, где обозначено: L – индуктивность фаз; L_A – индуктивность фазы A; L_B – индуктивность фазы В; – производная индуктивности фазы А по углу поворота ротора; – производная индуктивности фазы В по углу поворота ротора; U_A – напряжение фазы A; U_B – напряжение фазы В; i – токи фаз; i_A – ток фазы А; i_B – ток фазы В; М_А – момент, развиваемый фазой А; M_B – момент, развиваемый фазой В.

С целью подтверждения положительного эффекта, достигаемого при использовании предлагаемого технического решения, в ОАО «НИПТИЭМ» были проведены экспериментальные исследования высокоскоростного вентильно-индукторного двухфазного нереверсивного двигателя с конфигурацией активной части, изображенной на фиг.1. Исследования подтвердили увеличение коэффициента полезного действия и упрощение алгоритма управления.

Таким образом, использование в известном двухтактном шаговом двигателе с искусственным расширением устойчивой зоны, имеющем четыре полюса на статоре с сосредоточенными обмотками и два полюса с клювообразными выступами на роторе, ротор, в котором поверхность каждого полюса с клювообразными выступами имеет форму трех цилиндрических поверхностей одинакового диаметра, и центр цилиндрической поверхности полюсов ротора совпадает с осью ротора, а центры двух цилиндрических поверхностей клювообразных выступов полюсов ротора не совпадают с осью ротора, позволяет улучшить его техническую характеристику.

Формула изобретения

Высокоскоростной вентильно-ндукторный двухфазный нереверсивный двигатель, содержащий явнополюсный статор с четырьмя полюсами и сосредоточенными обмотками и ротор с двумя полюсами и клювообразными выступами на полюсах, отличающийся тем, что, с целью увеличения коэффициента полезного действия и упрощения алгоритма управления, используется ротор с двумя полюсами и с клювообразными выступами на полюсах, причем поверхность каждого полюса ротора с клювообразными выступами имеет форму трех цилиндрических поверхностей одинакового диаметра, при этом центр цилиндрической поверхности полюсов ротора совпадает с осью ротора, а центры двух цилиндрических поверхностей клювообразных выступов полюсов ротора не совпадают с осью ротора.

РИСУНКИ