Бесконтактный низкоскоростной высокомоментный двигатель постоянного тока

 

Использование: электромашиностроение, в частности, бесконтактные электродвигатели постоянного тока (БДПТ), а именно, высокомоментные и низкоскоростные электродвигатели малой мощности. Сущность изобретения: патентуемый БДПТ, помимо основного статора с рабочей обмоткой, основного ротора, первого электронного коммутатора и бесконтактного датчика положения, содержит дополнительно введенные вспомогательные явнополюсные статоры и ротор, второй электронный коммутатор, совокупность которых совместно с бесконтактным датчиком положения, контролирующим взаимное положение вспомогательного ротора и статора, создает автоколебательное движение вспомогательного ротора с постоянным частотой и амплитудой и жестко связанного со вспомогательным ротором второго подвижного магнитопровода основного статора с рабочей обмоткой, в которую с первого электронного коммутатора, связанного с через второй электронный коммутатор с бесконтактным датчиком положения, подается управляющий импульс в моменты, когда второй магнитопровод отклоняется от среднего положения в одном направлении. В эти же моменты магнитное поле, созданное рабочей обмоткой, наводит вихревые токи в основном роторе, расположенном в зазоре между первым неподвижным и вторым подвижным магнитопроводами основного статора, и при отклонении которого его магнитное поле увлекает за собой основной ротор, т. к. создает вращательное движение выходного вала в одном направлении. Причем скорость вращения выходного вала зависит от частоты взаимодействия магнитных полей второго магнитопровода и основного ротора, которая определяется частотой следования импульсов управления, задаваемой автоколебательным низкочастотным (обычно не превышающим нескольких герц) движением вспомогательного ротора. 10 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности, к бесконтактным электродвигателям постоянного тока (БДПТ), а именно, к высокомоментным и низкоскоростным электродвигателям малой мощности.

Известен БДПТ, содержащий ротор с цилиндрическим постоянным магнитом, полюса разной полярности которого чередуются по окружности, статор, с выступающими полюсами разных размеров, смещенных на заданный угол, и датчик положения, изменяющий направление тока в обмотках, размещенных на статоре.

Известен БДПТ, содержащий ротор с постоянным магнитом, статор, сердечники которого закреплены на корпусе с обмотками, причем часть обмоток расположена в воздушном зазоре между ротором и сердечниками, магнитопроводящий элемент, предназначенный для замыкания магнитной цепи, образованной корпусом и ротором, датчик положения и электронный коммутатор.

Известен БДПТ вентильный электродвигатель, содержащий электродвигатель, контур регулирования его скорости вращения, состоящий из датчика положения ротора электродвигателя и дополнительной электрической машины, обмотки которой соединены с датчиком положения, а ротор которого механически связан с датчиком положения.

Известен БДПТ, являющийся наиболее близким техническим решением к данному изобретению, содержащий бесконтактный двигатель переменного тока, включающий основной статор с рабочей обмоткой, подключенной к выходу электронного коммутатора, силовой вход которого подключен к источнику постоянного тока, и основной ротор с выходным валом и бесконтактный датчик положения ротора, образованный подвижным и неподвижным элементами, выход которого подключен к информационному входу электронного коммутатора.

Общим недостатком вышеуказанных известных БДПТ является относительно небольшая величина удельного момента двигателя, небольшая величина отношения максимального момента к пусковому моменту двигателя и практическая неустойчивость работы на низких скоростях работы. В указанных аналогах для повышения величины удельного момента двигателя можно или увеличить значения магнитной индукции в воздушном зазоре между статором и ротором за счет изменения параметров рабочей обмотки статора, например, путем увеличения числа витков или величины тока в рабочей обмотке статора, или за счет увеличения габаритных размеров двигателя.

Изобретение направлено на одновременное увеличение значения удельного момента двигателя и отношения максимального момента двигателя к пусковому, а также на обеспечение возможности устойчивой работы на низких скоростях вращения выходного вала без использования какой-либо редукции и без увеличения габаритов электродвигателя.

Патентуемый БДПТ, помимо основного статора с рабочей обмоткой, основного ротора, первого электронного коммутатора и бесконтактного датчика положения, содержит дополнительно введенные вспомогательные и явнополюсные статор и ротор, второй электронный коммутатор, совокупность которых совместно с бесконтактным датчиком положения, контролирующим взаимное положение вспомогательного ротора и статора, создает автоколебательное движение вспомогательного ротора с постоянными частотой и амплитудой и жестко связанного со вспомогательным ротором второго подвижного магнитопровода основного статора с рабочей обмоткой, в которую с первого электронного коммутатора, связанного через второй электронный коммутатор с бесконтактным датчиком положения, подается управляющий импульс в моменты, когда второй магнитопровод отклоняется от среднего положения в одном направлении. В эти же моменты магнитное поле, созданное рабочей обмоткой, наводит вихревые токи в основном роторе, расположенном в зазоре между первым неподвижным и вторым подвижным магнитопроводами основного статора, и при отклонении которого его магнитное поле увлекает за собой основной ротор, т.е. создается вращательное движение выходного вала в одном направлении. Причем скорость вращения выходного вала зависит от частоты взаимодействия магнитных полей второго магнитопровода и основного ротора, которая определяется частотой следования импульсов управления, задаваемой автоколебательным движением вспомогательного ротора. Вследствие инерционности электромеханической системы предлагаемого БДПТ его колебания будут низкочастотными (обычно не превышает нескольких герц), а так как в двигателе происходит преобразование автоколебательного движения во вращательное, то снижается номинальное значение скорости вращения выходного вала двигателя и одновременно увеличивается величина удельного момента на выходном валу.

На фиг. 1 представлена возможная реализация устройства бесконтактного низкоскоростного высокомоментного двигателя постоянного тока, при котором второй магнитопровод основного статора конструктивно расположен внутри первого магнитопровода; на фиг. 2 вариант выполнения двигателя, при котором первый магнитопровод основного статора конструктивно расположен внутри второго магнитопровода; на фиг. 3 вариант выполнения двигателя, при котором второй магнитопровод выполнен явнополюсным с полюсами, в межполюсном пространстве которого размещены секции рабочей обмотки, соединенные последовательно; на фиг. 4 вариант выполнения двигателя, при котором второй магнитопровод выполнен неявнополюсным, в пазах которого располагается основная рабочая обмотка; на фиг. 5 вариант выполнения двигателя, при котором элемент создания постоянного магнитного поля размещен на вспомогательном роторе и выполнен в виде постоянного магнита, а обмотка управления на вспомогательном статоре; на фиг. 6 вариант выполнения двигателя, при котором элемент создания постоянного магнитного поля выполнен в виде обмотки, подключенной к источнику постоянного тока; на фиг. 7 вариант выполнения двигателя, при котором элемент создания постоянного магнитного поля выполнен в виде обмотки, подключенной к третьему выходу второго электронного коммутатора, через элемент регулировки величины тока в ней; на фиг. 8 вариант выполнения двигателя, при котором второй магнитопровод, вспомогательный ротор и подвижный элемент датчика положения неподвижно закреплены на дополнительно введенном вспомогательном валу, установленным соосно с выходным валом с возможностью его поворота относительно корпуса в подшипниковых опорах, размещенных на крышке; на фиг. 9 временные диаграммы напряжений на выходах: а второго электронного коммутатора, б первого электронного коммутатора.

Бесконтактный низкоскоростной высокомоментный двигатель постоянного тока (фиг. 1-8) содержит основной статор, выполненный в виде первого кольцеобразного неподвижного магнитопровода 1-1, и второго подвижного магнитопровода 1-2, имеющего возможность совершать колебательное движение, относительно первого магнитопровода 1-1 в шарикоподшипниковых опорах 2 и 3 стоек 4 и 5 соответственно, на котором размещена основная рабочая обмотка 6, причем один из магнитопроводов размещен внутри другого с зазором, в котором помещен основной ротор 7, выполненный полым, вспомогательный явнополюсный статор 8 и вспомогательный явнополюсный ротор 9, жестко соединенный со вторым магнитопроводом 1-2 и подвижным элементом 10-1 датчика положения, имеющим также неподвижный элемент 10-2, причем на вспомогательном статоре 8 размещен элемент 11 создания постоянного магнитного поля, а на вспомогательном роторе 9 обмотка управления 12, подключенная к первому выходу дополнительно введенного второго электронного коммутатора (ЭК) 13, причем неподвижный элемент 10-2 датчика положения жестко закреплен на вспомогательном статоре 8 на крышке 14 и соединен с информационным входом второго электронного коммутатора 13, управляющий вход которого соединен с источником 15 постоянного тока, а второй выход с информационным входом первого электронного коммутатора 16, управляющий вход которого подключен к элементу 17 регулирования момента и скорости, а выход с рабочей обмоткой 6 второго магнитопровода 1-2. Сквозь крышку 14 проходит выходной вал 18 основного ротора 9, установленный в шарикоподшипниковых опорах 19 и 20. размещенных в подшипниковом щите 21 и крышке 14, соответственно, корпуса 22.

Второй магнитопровод 1-2 основного статора конструктивно может быть расположен внутри первого магнитопровода 1-1 (фиг. 1), при этом увеличивается поперечный размер двигателя и уменьшается его длина. Первый магнитопровод 1-1 основного статора конструктивно может быть расположен внутри второго магнитопровода 1-2 (фиг. 2), при этом уменьшается поперечный размер двигателя и увеличивается его длина. Второй магнитопровод 1-2 может быть выполнен явнополюсным с полюсами 23, в межполюсном пространстве которого размещены секции 24 рабочей обмотки 6, соединенные последовательно (фиг. 3). Второй магнитопровод 1-2 выполнен неявнополюсными, в пазах 25 которого располагается основная рабочая обмотка 6 (фиг. 4).

Элемент 11 создания постоянного магнитного поля может быть размещен на вспомогательном роторе 9, а обмотка управления 12 на вспомогательном статоре 8 (фиг. 5). Элемент 11 выполнен в виде постоянного магнита (фиг. 5) или в виде обмотки, подключенной к источнику постоянного тока 15 (фиг. 6), или к третьему выходу второго электронного коммутатора 13 через элемент 26 регулировки величины тока в ней (фиг. 7).

Второй магнитопровод 1-2, вспомогательный ротор 9 и подвижный элемент 10-1 датчика положения неподвижно закреплены на дополнительно введенном вспомогательном валу 27, установленным соосно с выходным валом 18 с возможностью его поворота относительно корпуса 22 в подшипниковых опорах 28 и 29, размещенных на крышке 14 (фиг. 8).

Двигатель работает следующим образом. Пусть в начальный момент подвижный элемент 10-1 датчика положения находится в таком положении, что на выходе формируется сигнал рассогласования, например, положительной полярности "+Upac", который поступает на управляющий вход второго ЭК 13, подключающий источник постоянного тока (ИПТ) 15 к обмотке управления 12, в результате чего в ней начинает протекать ток, например, положительный полярности. При взаимодействии магнитных полей, создаваемых обмоткой управления 12 и элементом 11 создания постоянного магнитного поля, дополнительно введенный вспомогательный явнополюсный ротор 9 начинает поворачиваться. При достижении максимального угла отклонения вспомогательного явнополюсного ротора 9 от среднего положения подвижный элемент 10-1 датчика положения перемещается так, что на выходе неподвижного элемента 10-2 датчика положения формируется сигнал отрицательной полярности "-Upac", переключающий второй ЭК 13 и подающий ток отрицательной полярности в обмотку управления 12 от ИПТ 15. В результате чего в обмотке управления создается магнитный поток, направление которого противоположно исходному, и вспомогательный явнополюсный ротор 9 начинает двигаться в противоположную сторону. По мере достижения максимального угла отклонения вспомогательного ротора 9 от среднего положения датчик положения переключается и на его выходе формируется сигнал "+Upac". Это вызывает новое переключение второго ЭК 13 и подачу тока положительной полярности в обмотку управления 12. В результате этого вспомогательный ротор 9 начинает двигаться в первоначальном направлении. Далее процесс переключения повторяется, в следствие чего вспомогательный ротор 9 совершает гармонические колебания с некоторыми постоянными амплитудой и частотой. Такое же колебательное движение совершает и второй магнитопровод 1-2 основного статора.

Второй ЭК 13 формирует в обмотке управления 12 прямоугольные импульсы тока, при наличии которых обеспечивается постоянство мощности, выделяемой в обмотке управления 12. Последовательность разнополярных импульсов с выхода второго ЭК 13 (фиг. 9а) поступают на информационный вход первого ЭК 16, в котором в интервале, определяемом срезом и фронтом разнополярного импульса формируется управляющий импульс длительностью t_упр, как показано на фиг. 9б. Причем период следования импульсов управления совпадает с периодом следования разнополярных импульсов и равен Т. Управляющий импульс U_упр с выхода первого ЭК 16 подается в рабочую обмотку 6 второго магнитопровода 1-2, в которой протекающий ток создает магнитный поток Ф_зм, проходящий сквозь полый основной ротор 7 и замыкающийся через первый кольцеобразный неподвижный магнитопровод 1-1 основного статора. Причем при возвратном движении второго магнитопровода 1-2 управляющий импульс U_упр в рабочей обмотке 6 отсутствует. Таким образом, магнитное поле, образованное подвижной магнитной системой вторым магнитопроводом 1-2 и рабочей обмоткой 6, вращается с некоторой угловой скоростью в одном направлении, вследствие чего в полом основном роторе 7 наводятся вихревые токи, которые создают магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем подвижной магнитной системы. В результате чего, возникает движущий момент, увлекающий основной ротор 7 вслед за вращающейся магнитной системой. Причем автоколебания вспомогательного ротора 9 формируют частоту следования импульсов управления, которая определяет частоту взаимодействия подвижной магнитной системы и основного ротора 7, а следовательно, и скорость вращения выходного вала 18. Изменяя длительность и амплитуду импульсов управления элементом 17 регулирования момента и скорости, можно соответствующим образом регулировать скорость вращения и величину создаваемого удельного момента на выходном валу электродвигателя. Таким образом, вследствие использования вспомогательного ротора 9 в совокупности со вторым ЭК 13 и бесконтактным датчиком положения создаются стабильные низкочастотные колебания, которые затем преобразовываются в устойчивое вращательное движение выходного вала предлагаемого БДПТ, номинальное значение скорости которого существенно ниже, чем в известных аналогах. А реализация раздельных цепей управления вспомогательного ротора 9, включающей второй ЭК 13, бесконтактный датчик положения, обмотку управления 12, и основного ротора 7, включающей первый ЭК 16, элемент 17 регулирования момента и скорости, позволяет исходно формировать величину удельного момента электродвигателя значительно большую, чем в известных БДПТ, при этом величина отношения максимального момента к пусковому моменту предлагаемого двигателя из принципа действия постоянна и равна единице.

При вариантах возможной реализации БДПТ указанных на фиг. 2-8, работа производится аналогичным образом.

Для получения прямоугольных импульсов на выходе второго ЭК 13 в экспериментальном макете БДПТ использован датчик положения, построенный на базе фотоэлементов (светодиод АЛ107А и оптрон АОУ103А). Второй ЭК 13 и источник 15 постоянного тока могут быть реализованы по одной из известных схем. Элементная база первого ЭК 16, элемента 17 регулирования момента и скорости, а также элемента 26 регулировки величины тока в обмотке была выполнена на микросхемах К176ТМ2, К555ЛН2.

Формула изобретения

1. Бесконтактный низкоскоростной высокомоментный двигатель постоянного тока, содержащий основной статор с рабочей обмоткой, подключенной к выходу первого электронного коммутатора, силовой вход которого подключен к источнику постоянного тока, основной ротор с выходным валом и бесконтактный датчик положения с подвижным и неподвижным элементами, отличающийся тем, что основной статор выполнен в виде первого кольцеобразного неподвижного магнитопровода и второго подвижного магнитопровода, имеющего возможность совершать колебательное движение относительно первого магнитопровода, на котором размещена рабочая обмотка, и один из магнитопроводов размещен внутри другого с зазором, в котором помещен основной ротор, выполненный полым, и двигатель дополнительно снабжен вспомогательными явнополюсными статором, жестко соединенным с вторым магнитопроводом основного статора и подвижным элементом датчика положения, и ротором, на одном из которых размещен элемент создания постоянного магнитного поля, а на другом обмотка управления, подключенная к выходу дополнительно введенного второго электронного коммутатора, причем сигнальный выход неподвижного элемента датчика положения соединен с информационным входом второго электронного коммутатора, управляющий вход которого соединен с источником постоянного тока, а выход с информационным входом первого электронного коммутатора, управляющий вход которого подключен к элементу регулирования момента и скорости, а выход с рабочей обмоткой второго магнитопровода основного статора.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что первый магнитопровод основного статора расположен внутри второго его магнитопровода.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что второй магнитопровод основного статора размещен внутри первого его магнитопровода.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что второй магнитопровод основного статора выполнен явнополюсным, а рабочая обмотка выполнена сосредоточенной.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что первый и второй магнитопроводы основного статора выполнены неявнополюсными, а рабочая обмотка выполнена распределенной.

6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что элемент создания постоянного магнитного поля размещен на вспомогательном статоре, а обмотка управления на вспомогательном роторе.

7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что элемент создания постоянного магнитного поля размещен на вспомогательном роторе, а обмотка управления на вспомогательном статоре.

8. Двигатель по пп.1,6,7, отличающийся тем, что элемент создания постоянного магнитного поля выполнен в виде постоянного магнита.

9. Двигатель по пп.1,6,7, отличающийся тем, что элемент создания постоянного магнитного поля выполнен в виде обмотки, подключенной к источнику постоянного тока.

10. Двигатель по пп.1,6,7, отличающийся тем, что обмотка подключена к элементу регулировки величины тока в ней, соединенного с третьим выходом второго электронного коммутатора.

11. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что второй магнитопровод основного статора, вспомогательный статор и подвижный элемент датчика положения неподвижно закреплены на дополнительно введенном вспомогательном валу, установленном соосно с выходным валом с возможностью его поворота относительно первого магнитопровода основного статора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9