Трехфазный реактивный индукторный двигатель с малыми пульсациями момента

 

Использование: в сервоприводе при повышенных требованиях к уровню пульсаций вращающего момента. Трехфазный реактивный индукторный двигатель содержит безобмоточный ротор 1 с зубцами 2. Статор двигателя содержит магнитопровод 3 с зубцами 4, охваченными катушками 5. Зубцы статора размещены так, что образуется трехфазная магнитная система. Для снижения пульсаций момента в области малых частот вращения двигателя при 180-градусном питании обмоток предлагается следующая геометрия зубцового слоя : ширина коронки зубцов статора по воздушному зазору b_z1 = (0,3...0,36)t₂, ротора - b_z2 = (0,39. . .0,45)t₂, где t₂ - зубцовый шаг по ротору. Магнитная система двигателя выполнена со взаимным скосом зубцов ротора относительно зубцов статора на величину β = (0,05...0,25)t₂. 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к электрическим машинам и может быть использовано для сервопривода при повышенных требованиях к уровню пульсаций вращающего момента.

Известен трехфазный реактивный индукторный двигатель с пониженными пульсациями момента, содержащий зубчатый ротор без обмоток, статор с полюсами и расположенными на них обмотками. Для снижения пульсаций момента геометрия зубцового слоя выполнена такой, что отношение ширины коронки зубца ротора к ширине паза ротора по воздушному зазору находится в пределах (0,75... 0,9), то есть ширина коронки зубца ротора находится в пределах где t₂ - зубцовый шаг по ротору.

Ширина коронок зубцов статора выполняется равной ширине коронок роторных зубцов. Для обеспечения линейной связи момента и тока обмотки, а также для уменьшения влияния насыщения зубцов на уровень пульсаций момента в широком диапазоне изменения тока ширина основания зубцов выполняется больше ширины коронок зубцов. Для обеспечения малых пульсаций момента предлагается алгоритм питания обмоток, при котором каждая фаза оказывается запитанной током только в пределах 1/3 периода. В этом случае при отключении от источника питания фазной обмотки одновременно производится подключение следующей обмотки. Таким образом, в любой момент времени запитанной током может быть только одна из фазных обмоток. Это исключает режим работы, в котором одновременно возбуждены две фазы и момент на валу кратковременно практически удваивается. (Патент США N 4647802, H 02 K 37/00).

Недостатком такого технического решения является относительно высокий уровень пульсаций момента, а также чувствительность величины пульсаций момента к крутизне нарастающего и спадающего фронтов токов в фазных обмотках. Поэтому область применения этого технического решения ограничена и находится в зоне пусковых частот вращения.

Известен высокоскоростной трехфазный реактивный индукторный двигатель с низкими пульсациями момента, используемый в качестве серводвигателя. Двигатель содержит зубчатый ротор без обмоток, статор с зубчатыми полюсами, на которых размещены обмотки. Для уменьшения пульсаций момента отношение ширины коронки зубцов к ширине паза ротора предлагается выдерживать в диапазоне (0,7... 0,9), то есть ширина коронки зубца ротора находится в пределах Ширина коронок зубцов статора выполняется равной ширине коронок зубцов ротора. При этом в качестве наиболее предпочтительного соотношения предлагается 0,78, то есть ширина коронки зубцов ротора (статора) - 0,44t₂. Алгоритм питания обмоток предполагает подачу импульса тока в фазные обмотки в пределах 1/2 периода. В этом случае появляются интервалы времени, когда током запитаны две фазы. Это позволяет обеспечить уровень пульсаций момента на уровне 20%. (Патент США N 4947066, H 02 K 37/04).

Недостатком данного технического решения также является относительно высокий уровень пульсаций момента.

Предлагаемое изобретение направлено на изменение конфигурации зубцового слоя двигателя и за счет этого на снижение пульсаций момента на валу двигателя.

Решение указанной задачи обеспечивается конструкцией трехфазного реактивного индукторного двигателя, содержащего зубчатый статор с обмоткой и зубчатый безобмоточный ротор, в котором ширина коронки зубцов статора по воздушному зазору b_z1= (0,3...0,36)t₂, ротора - b_z2= (0,39...0,45)t₂. Кроме того, магнитная система двигателя выполняется со взаимным скосом зубцов ротора относительно зубцов статора на величину (0,05...0,25)t₂.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером выполнения со ссылкой на чертежи, на которых показаны: - Фиг. 1 - поперечное сечение трехфазного реактивного индукторного двигателя; - Фиг. 2 - фрагмент зубцовой зоны двигателя; - Фиг. 3 - продольный вид ротора со скосом зубцов; - Фиг. 4 - диаграмма фазных токов и сигналов датчиков положения в области малых частот вращения; - Фиг. 5 - результирующий момент двигателя и его фазные составляющие в зависимости от углового положения ротора.

Трехфазный реактивный индукторный двигатель с малыми пульсациями момента, показанный на Фиг. 1, содержит безобмоточный ротор 1 с зубцами 2. Статор двигателя содержит магнитопровод 3 с зубцами 4, охваченными катушками 5. Зубцы статора размещены так, что образуется трехфазная магнитная система. Ширина коронки зубцов статора (Фиг. 2) по воздушному зазору b_z1= (0,3... 0,36)t₂, ротора - b_z2= (0,39...0,45)t₂. Магнитная система двигателя выполнена со взаимным скосом зубцов ротора относительно зубцов статора на величину β = (0,05...0,25)t₂, причем скос выполнен на роторе (Фиг. 3).

Для снижения акустического шума магнитную систему двигателя предлагается выполнять с числом зубцов на статоре -12, на роторе - 8.

В области малых частот вращения ток фазных обмоток имеет достаточно крутые фронты. Фазные сигналы датчика положения ротора d-A, d-B, d-C и соответствующие фазные токи I_A, I_B, I_C показаны на Фиг.4. В этом режиме указанные соотношения геометрии коронок зубцов двигателя позволяют обеспечить такую форму момента от одной фазы M_A (см. Фиг. 5), что сумма моментов от трех фаз дает результирующий момент M_R с достаточно низким уровнем пульсаций. Питание обмоток двигателя осуществляется в течение 1/2 периода (Фиг. 4), причем ток I_A подается в обмотку фазы A при положении зубцов ротора по отношению к зубцам данной фазы - "зубец-паз" и протекает в обмотке до тех пор, пока ротор не займет положение - "зубец-зубец". Таким образом, в процессе питания обмоток образуются интервалы времени, в течение которых ток одновременно протекает в двух фазных обмотках.

Кроме того, данная геометрия зубцового слоя с разной шириной коронок зубцов статора и ротора обеспечивает относительно пологий характер поведения фазного момента (см. Фиг. 5), например, M_A, как в области "зубец-паз", так и в области "зубец-зубец". В этом случае двигатель оказывается менее чувствительным по пульсациям момента как к точности первоначальной установки датчика положения ротора, так и к форме нарастающего и спадающего фронтов фазных токов. Это способствует расширению диапазона работы двигателя по частоте вращения с малыми пульсациями момента.

Выполнение скоса зубцов в двигателе также способствует уменьшению пульсаций момента. Особенно это проявляется в конструкции двигателя с низким уровнем акустического шума с числом зубцов на статоре - 12, на роторе - 8, в котором на форме момента сильно сказывается насыщение вытянутых зубцов статора (см. Фиг. 1). Скос зубцов может быть выполнен как на роторе, так и на статоре. Для расширения диапазона магнитных нагрузок при сохранении низкого уровня пульсаций момента основание зубцов статора выбирается больше коронки соответствующих зубцов на величину (0,05...0,2)t₂ (см. Фиг.2).

Таким образов, положительный эффект предлагаемого изобретения состоит в снижении пульсаций момента и достигается за счет применения предлагаемой геометрии зубцового слоя и скоса зубцов.

Формула изобретения

1. Трехфазный реактивный индукторный двигатель с малыми пульсациями момента, содержащий зубчатый статор с обмоткой и зубчатый безобмоточный ротор, отличающийся тем, что ширина коронки зубцов статора по воздушному зазору b_z1 = (0,3 ... 0,36)t₂, ротора b_z2 = (0,39 ... 0,45)t₂, где t₂ - зубцовый шаг по ротору.

2. Трехфазный реактивный индукторный двигатель с малыми пульсациями момента по п.1, отличающийся тем, что магнитная система двигателя выполнена со взаимным скосом зубцов ротора и статора на величину β = (0,05 ... 0,25)t₂.

3. Трехфазный реактивный индукторный двигатель с малыми пульсациями момента по п. 1 или 2, отличающийся тем, что число зубцов на статоре - 12, на роторе - 8.

4. Трехфазный реактивный индукторный двигатель с малыми пульсациями момента по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что основания зубцов статора выполнены больше коронок соответствующих зубцов на величину (0,05 ... 0,2)t₂.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5