Линейный индукторный двигатель

 

Использование: в линейном прецизионном электроприводе. Сущность изобретения: двигатель содержит ферромагнитный зубчатый статор 1 и подвижный элемент, состоящий из модулей 2-5. Каждый модуль включает в себя П-образные магнитопроводы 6 и 7, обмотку управления 8 и постоянный магнит возбуждения 9. Зубцовые зоны статора 1 и подвижного элемента имеют одинаковый шаг т . Электромагнитные модули 2-5, принадлежащие разным фазам, смещены относительно друг друга вдоль направления движения на (п+1/4) г. Ферромагнитный зубчатый статор 1 и П-образные магнитопроводы 6 и 7 подвижного элемента разделены на магнитопроводящие секции в направлении, перпендикулярном направлению движения. При минимальном количестве магнитопроводящих секций () секции статора 1 взаимно смещены на г /8. При максимальном количестве мэгнитопроводящих секций (т - ) секции статора 1 смещены относительно первой секции на Q-1) r /4m, где: j - порядковый номер секции , т - шаг зубцового деления рабочей зоны двигателя; m - количество магнитопроводящих секций. При таком смещении магнитопроводящих секций обеспечивается взаимная компенсация составляющих инструментальной паразитной смлы двигателя , создаваемых его секциями. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. сл :С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з Н 02 К 41/03

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ6СТВУ б 8 Я 7

Фиг. 1 (21) 4883093/07 (22) 16.11.90 (46) 30.11.92. Бюл. № 44 (71) Научно-производственное объединение

"Ротор" (72) M.È,ßðîñëàâöåâ, И.М.Зильберг и Г.Д.Волков (56) Афонин А.А, и др. Электромагнитный привод робототехнических систем. Киев, Наукова думка, 1986, с,49-51.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1629905, кл, Н 02 К 41/02, 1988. (54) ЛИНЕЙНЫЙ ИНДУКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (57) Использование: в линейном прецизионном электроприводе. Сущность изобретения. двигатель содержит ферромагнитный зубчатый статор 1 и подвижный элемент, состоящий иэ модулей 2-5. Каждый модуль включает в себя П-образные магнитопроводы 6 и 7, обмотку управления 8 и постоянный магнит возбуждения 9. Зубцовые зоны . статора 1 и подвижного элемента имеют одинаковый шаг t. Электромагнитные мо Ы «1778882 А1 дули 2-5, принадлежащие разным фазам, смещены относительно друг друга вдоль направления движения на (и+1/4) t. Ферромагнитный зубчатый статор 1 и П-образные магнитопроводы 6 и 7 подвижного элемента разделены на магнитопроводящие секции в направлении, перпендикулярном направлению движения. При минимальном количестве магнитопроводящих секций (m=2) секции статора 1 взаимно смещены на г /8, При максимальном количестве магнитопроводящих секций (rn -> 0 ) секции статора 1 смещены относительно первой секции на

g-1) т /4m, где: J — порядковый номер секции, т — шаг эубцового деления рабочей зоны двигателя; m — количество ма -нитопроводящих секций. При таком смещении магнитопроводящих секций обеспечивается взаимная компенсация составляющих инструментальной паразитной силы двигателя, создаваемых его секциями. 1 э.п. ф-лы, 4 ил.

1778882

50

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в линейном прецизионном электроприводе.

Известен линейный индукторный двигатель, содержащий ферромагнитный зубчатый статор и подвижный элемент, состоящий иэ фазных электромагнитных модулей, включающих в себя П-образные магнитопроводы, обмотки управления и постоянные магниты, причем, зубцовые зоны статора и подвижного элемента имеют одинаковый шаг.

При запитке обмоток управления синусоидальным и косинусоидальным токами равной амплитуды представляется возможным управлять силой тяги линейного двигателя пу ем регулирования амплиту, ды токов, При подобном управлении линейным двигателем возникающая сила тяги содержит, помимо основной составляющей, пропорциональной амплитуде токов, дополнительную так называемую методическую паразитную силу тяги, Эта сила является знакопеременной периодической по пути и с амплитудой, пропорциональной квадрату амплитуды токов управления.

Кроме того, двигатель характеризуется тем, что и при обесточенных обмотках управления постоянные магниты электромагнитных модулей порождают так называемую инструментальную паразитную силу тяги, Эта сила является также знакопеременной и зависит от характеристик постоянных магнитов, параметров зубцовой зоны двигателя и т.п.

Недостатком известного устройства является невысокая точность регулирования силы тяги, обусловленная наличием значительных паразитных сил тяги.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является линейный индукторный двигатель, содержащий ферромагнитный зубчатый статор и подвижный элемент, состоящий из фаэных электромагнитных модулей, включающих в себя П-образные магнитопроводы, обмотки управления и постоянные магниты, причем ферромагнитный зубчатый статор и П-образные магнитопроводы подвижного элемента, зубцовые зоны которых имеют одинаковый шаг С, разделены на магнитопроводящие секции в направлении, перпендикулярном направлению движения, и магнитопроводящие секции одной из частей двигателя смещены друг относительно друга вдоль направления движения на четверть шага t.

Известный двигатель характеризуется тем, что при регулировании силы тяги с помощью амплитуды токов управления методическая паразитная сила тяги не возникает. В силу этого двигатель обладает достаточно высокой точностью регулирования силы тяги в области больших и средних значений.

Недостатком известного устройства является невысокая точность регулирования силы тяги в области малых значений, обусловленная наличием инструментальной паразитной силы тяги, Целью изобретения является повышение точности регулирования силы тяги в области малых значений за счет уменьшения инструментальной паразитной силы тяги.

Поставленная цель достигается тем, что в известном линейном индукторном двигателе, содержащем ферромагнитный зубчатый статор и подвижный элемент, состоящий из фазных электромагнитных модулей, включающих в себя П-образные магнитопроводы, обмотки управления и постоянные магниты, причем ферромагнитный зубчатый статор и П-образные магнитопроводы подвижного элемента, зубцовые эоны которых имеют одинаковый шаг, разделены на магнитопроводящие секции в направлении, перпендикулярном направлению движения, и магнитопроводящие секции одной из частей двигателя смещены относительно друг друга вдоль направления движения, выполнено смещение укаэанных магнитопроводящих секций относительно первой магнитопроводящей секции на

r д 0 — 1), где m — количество магнито4m проводящих секций,j — порядковый номер секции, т -шаг эубцового деления рабочей зоны двигателя.

Кроме того, электромагнитные модули, принадлежащие одной фазе, взаимно смещены íà (n +1/2)х, где и — любое целое число.

На фиг. 1 чертежей представлена схема линейного индукторного двигателя; на фиг, 2 — вид А-А на фиг,1; на фиг. 3 и 4 — вид В-В фиг.1 двигателя, у которого взаимно смещены магнитопроводящие секции статора соответственно при минимальном (m=2) и максимальном (m -> оо } количестве магнотопроводящих секций.

Двигатель содержит ферромагнитный зубчатый статор 1 и подвижный элемент, состоящий из электромагнитных модулей

2,3,4 и 5. Каждый модуль включает в себя

П-образные магнитопроводы 6 и 7, обмотку

8 управления и постоянный магнит 9 возбуждения. Зубцовые зоны статора 1 и повдижного элемента имеют одниковый шаг т .

1778882

Электромагнитные модули 2 и 3,4 и 5, принадлежащие разным фазам, смещены относительно друг друга вдоль направления движения на (и+1/4) t . Ферромагнитный зубчатый статор 1 и П-образные магнитопроводы б и 7 электромагнитных модулей

2,3,4 и 5 подвижного элемента разделены на магнитопроводящие секции в направлении, перпендикулярном направлению движения, Взаимно смещены магнитопроводящие секции статора 1.

При минимальном количестве магнитопроводящих секций (m=2) секции IO и 11 статора 1 взаимно смещены íà t /8. При максимальном количестве магнитопроводящих секций (m — pp) секции статора 1 смещены относительно первой секции на

t (j-1) —. В этом случае зубцовая эона статоч гп ра 1 оказывается по существу скошенной вдоль направления движения на (п+1/2) t.

Электромагнитные модули 2 и 4, 3 и 5, принадлежащие одной фазе, смещены относительно друг друга вдоль направления движения на (и+1/2) т, .

Линейный индукторный двигатель работает следующим образом.

Для конкретности изложения рассмотрим двигатель, выполненный с максимальным количеством секций, Управление двигателем осуществляется путем запитки его обмоток синусоидальным и косинусоидальным токами равной ам пл итуды

1д=ipSIA(P + p), Ig=lpC05(P + p), (1)

2л гдеp = х — угол, определяющийположет ние подвижного элемента двигателя относительно статора;

x — линейное положение подвижного элемента; в — шаг зубцового деления рабочей зоны двигателя;

10 амплитуда токов, Токи управления 1А и!в формируются в соответствии с информацией о положении подвижного элемента а каждый момент времени. Сила тяги регулируется с помощью амплитуды токов управления.

Определим силу тяги, развиваемую двигателем.

Воспользуемс следующей методикой расчета.

Введем понятие секции линейного индукторного двигателя, включающего B себя магнитопроводящую секцию статора и соответствующую ей секцию подвижного элемента.

Определим силу тяги двигателя как сумму тяговых усилий, создаваемых секциями двигателя.

Определим тяговое усилие первой сек5 ции двигателя а соответствии с известной методикой расчета электромагнитных модулей.

Получим, что между первыми секциями

10 электромагнитных модулей 2 и 3 и первой секцией статора 1 будут возникать тяговые усилия

15 — 1 g1 Я!

Fz- — — FA I Fn; «1 ;и sin p + FA — sin 2 p)

m K1 2

« — 1 91 =З= — — В (Ея«1 и со5 p — Fa — sin 2 р)

91 а К1 2 Ф гДе К1=gp+A +Ъ, FA--V .IA, Fa-W-1в, Q и 4.— внутренняя магнитная проводимость и проводимость рассеяния постоянного магнита 9;

F — МДС постоянного магнита 9;

gp и g1 — постоЯннаЯ составллюЩаЯ и амплитуда изменения магнитной проводимости зазора.

Поскольку тяговое усилие первой секции двигател pBBHG сумме тяговых усилий, создаваемых первыми секциями всех электромагнитных модулей, а тяговые усилия секций электрОР агнитиых модулей 2 и 4, 3 и

5 равны, получим, что тяговое усилие, развиваемое первой секцией двигателя, равна

1 01

35 Fc1(p)=2 — =- (п«4:.1 IFA sir> p+ FF со5 q;)+

m К1

+ — 2(FA — F$) sin 2 д1)), В соответствии с полученным результатом для I-й секции дви. ателя запишем, что! 1г / 1 1 «1

Учитывая, что сила тяги двигателя равна сумме тяговых усилий всех секций двигателя, приходим к следующему результату: г. L . (4- 2 — (Г ъ (Г, K < в (Ц () - <1 С)

3Ъ г и à — + 605(g > (< 1 — 1 + g (Fii Г y I + в «Я 1г ч g w ) l

Выполнив при m ю переход от суммы к интегралу, получаем

+ (Fp- гв ) сов 2(у).

После г1одстайовки в данное выражение значений токов управления (1) приходим к следующему выражению силы..гяги.

F=2@0Я01ВЧс Еп 4 -0,637(М,) 4" sin Фр).

1778882

Двигатель развивает силу тяги, которая содержит, помимо основной составляющей, пропорциональной амплитуде I> токов 1д и

1в, дополнительную методическую паразитную силу тяги, пропорциональную квадрату амплитуды токов. Поскольку методическая паразитная сила тяги уменьшается с уменьшением амплитуды токов в квадратичной зависимости, то в области малых значений силы тяги можно пренебречь влиянием этой паразитной силы на точность регулирования силы тяги. Следовательно, в области малых значений сила тяги, развиваемая двигателем, будет с достаточной степенью точности равна

F=1,8 — МоЕт Яв, К1 (2) и точность регулирования силы тяги будет в полной мере определяться возникающей инструментальной паразитной силой тяги.

Определим возникающую инструментальную паразитную силу тяги.

Воспользуемся следующей методикой расчета.

Определим инструментальную паразитную силу тяги двигателя как сумму паразитных тяговых усилий, создаваемых всеми секциями двигателя, Определим паразитное тяговое усилие секции двигателя как сумму паразитных тяговых усилий, создаваемых соответствующими секциями всех электромагнитных модулей.

Примем, что паразитиые тяговые усилия секций электромагнитных модулей совпадают по форме, но смещены относительно друг друга на соответствующие углы.

Введем понятие паразитного тягового усилия Ф(у>), создаваемого электромагнитным модулем 2, когда магнитопроводящие секции обоих частей двигателя выполнены без .взаимного смещения вдоль направления движения.

Примем, что паразитное тяговое усилие, создаваемое первой секцией электромагнитного модуля 2, равно Ф(р)/m.

Получим, что инструментальная паразитная сила тяги двигателя будет равной

AF= g (9(p + -+()-1) ), Выполнив при в - оо переход от суммы к интегралу, приходим к следующему результату: и "+ )г (4 )À - + I- (()}ау- j lvidq. Я е Р Ф

Для случауя, когда электромагнитные модули 2 и 4, 3 и 5, принадлежащие одной

20 фазе, смещены относительно друг друга вдоль направления движения на целое число шагов. Инструментальная паразитная сила тяги равна — «а р+

A F = j Ф(р) (1 ф . (4)

У

Теперь для сравнения определим тяговые характеристики известного двигателя

10 (2). Получим, что развиваемая сила тяги и возникающая инструментальная паразитная сила тяги соответственно равны

g)

Л, — МоРтЯ. (5)

К1

15 Ь F = Ф(р) + 2 Ф (р + ) + Ф((р + л).

Представим паразитное тяговое усилие

Ф(()()) в виде ряда Фурье, т,е, Ф(р)=,!". fisin(I p+ p), ! =1 где fi ир — амплитуда и начальное смещение

1-ой гармоники.

Тогда выражение инструментальной паразитной силы тяги преобразуется к виду

AF =2) . ((соз i — +1) sin(i p+ i +р)).

i=1

Из этого результата следует, что инструментальная паразитная сила тяги известиого двигателя содержит все гармоники, характерные для паразитного тягового усилия Ф (р), за исключением половины четных гармоник

i=2,6,10,14„,. (6)

Полученные результаты (2) — (6) непосредствен но подтвержда ют и ре имущество предлагаемого линейного двигателя.

Когда в предлагаемом двигателе электромагнитные модули 2 и 4, 3 и 5, принадле40 жащие одной фазе, взаимно смещены вдоль направления движения на целое число шагов т, то за счет сглаживания (см. (4)» исключаются все четные гармоники, характерные для паразитного тягового усилия Ф (р). Ког45 да же указанные электромагнитные модули взаимно смещены на (и+1/2)E, то за счет сглаживания (см. (3)) исключаются все гармоники паразитного тягового усилия.

При этом предлагаемый двигатель в

50 сравнении с известным характеризуется более высоким коэффициентом пропорциональности между развиваемаой силой тяги и амплиитудой токов управления (см. (2) и (5)), т.е. обладает бошлее высокой удельной силой тяги, Таким образом, разделение статора и

П-образных магнитопроводов подвижного элемента линейного индукторного двигателя на магнитопроводящие секции в направ1778882

9 иг. v

Составитель M. Ярославцев

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Е. Папп

Редактор С. Кулакова

Заказ 4200 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 лении, перпендикулярном направлению движения, и выполнение предлагаемого смещения магнитопроводящих секций одной из частей двигателя относительно друг друга вдоль направления движения позво- 5 ляет в сравнении с известным двигателем повысить точность регулирования силы тяги в области малых значений, а также увеличить удельную силу тяги.

Формула изобретения 10

1, Линейный индукторный двигатель; содержащий ферромагнитный статор и подвижный элемент, состоящий из фазных электромагнитных модулей, включающих в себя П-образные магнитопроводы, обмотки 15 управления и постоянные магниты, причем ферромагнитный зубчатый статор и П-образные магнитопроводы подвижного элемента, зубцовые зоны которых имеют одинаковый шаг, разделены на магнитопро- 20 водящие секции в направлении, перпендикулярном направлению движения, и магнитопроводящие секции одной из частей двигателя смещены относительно друг друга вдоль направления движения, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности регулирования силы тяги в области малых значений за счет уменьшения инструментальной параэитной силы, указанные магнитопроводящие секции смещены относительно первой магнитопроводящей секции на

4 0-1) 4m где m — количество магнитопроводящих секций;

J — порядковый номер секции; т — шаг зубцового деления зоны двигателя.

2.Двигатель поп. 1, отл и ч а ю щийс я тем, что электромагнитные модули, принадлежащие одной фазе, взаимно смещены на (n 1/2) r, где и — любое целое число.