Линейный асинхронный двигатель

ЛИНЕЙНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

RU (11) 2211524 (13) C2

Линейный асинхронный двигатель между собой

(51) 7 H02K41/025

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Статус: по данным на 20.11.2007 - прекратил действие

(21) Заявка: 2001109799/09

(22) Дата подачи заявки: 2001.04.11

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2001.04.11

(43) Дата публикации заявки: 2003.03.27

(45) Опубликовано: 2003.08.27

(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU 696579 A, 05.08.1980. SU 743135 A, 14.10.1980. GB 1371266 A, 23.10.1974. DE 2655780 A, 15.06.1978.

(71) Заявитель(и): Соломин Андрей Владимирович; Соломин Владимир Александрович; Голубев Денис Фёдорович

(72) Автор(ы): Соломин А.В.; Соломин В.А.; Голубев Д.Ф.

(73) Патентообладатель(и): Соломин Андрей Владимирович; Соломин Владимир Александрович; Голубев Денис Фёдорович

Адрес для переписки: 344038, г.Ростов-на-Дону, пл. Народного Ополчения, 2, РГУПС, пат. отд.

(54) ЛИНЕЙНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования электрической энергии в поступательное перемещение. Устройство содержит индуктор, образованный сочетанием шихтованных в поперечном направлении сердечников, соединенных между собой шихтованными в продольном направлении сердечниками. Сердечники имеют форму гребенки. Катушки трехфазной обмотки охватывают зубцы как поперечных, так и продольных магнитопроводов. Катушки обмотки каждого ряда в продольном направлении имеют одинаковое чередование фаз, а в поперечном направлении до середины ряда одно, а после середины - противоположное чередование фаз. Якорь состоит из магнитопроводящей и опирающейся на нее электропроводной частей. Электропроводная часть имеет в поперечном сечении форму равнобедренной трапеции, большее основание которой обращено к индуктору. Технический результат заключается в плавном саморегулировании усилий поперечной стабилизации. 2 ил.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Линейный асинхронный двигатель продольном направлении

Изобретение относится к области электротехники, а более точно к линейным двигателям, преобразующим электрическую энергию непосредственно в поступательное перемещение.

Известны линейные асинхронные двигатели (ЛАД), содержащие индукторы с магнитопроводами, выполненными из ряда отдельных шихтованных в поперечном направлении сердечников, соединенных между собой сердечниками, шихтованными в продольном направлении, и многофазными сосредоточенными обмотками, каждая катушка которых охватывает поперечно и продольно шихтованные сердечники, и якори, состоящие из электропроводных и магнитопроводящих частей (см. а.с. СССР МПК Н 02 К 41/04, 743135, 1980 г.; 801197, 1981 г.; 868942, 1981 г.).

Не плавная стабилизация, приводящая к боковым колебаниям индуктора на магнитном подвесе, - недостаток данных ЛАД.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному является ЛАД, содержащий индуктор с магнитопроводом, выполненным из ряда отдельных шихтованных в поперечном направлении сердечников, соединенных между собой сердечниками, шихтованными в продольном направлении, имеющими форму гребенки, и многофазной сосредоточенной обмоткой, выполненной в виде катушек, охватывающих поперечные и продольные магнитопроводы, и якорь, состоящий из электропроводной и магнитопроводящей частей (см. а.с. СССР МПК Н 02 К 41/04, 696579, 1979 г.). Данный ЛАД выбран нами в качестве прототипа.

Недостаток прототипа - не плавная стабилизация, приводящая к боковым колебаниям индуктора на магнитном подвесе.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка линейного асинхронного двигателя с плавным саморегулированием усилий поперечной стабилизации.

Решение технической задачи достигается тем, что в линейном асинхронном двигателе, содержащем индуктор с магнитопроводом, выполненным из ряда отдельных шихтованных в поперечном направлении сердечников, имеющих форму гребенки, соединенных между собой сердечниками, шихтованными в продольном направлении, и многофазную обмотку, выполненную в виде катушек, охватывающих зубцы поперечных и продольных сердечников и образующих продольные и поперечные ряды, причем в продольном направлении катушки каждого ряда образуют одинаковый порядок следования фаз, а в поперечном направлении катушки обмотки имеют до середины ряда один, а после середины - противоположный порядок следования фаз, и якорь, состоящий из электропроводной и магнитопроводящей частей, согласно изобретению электропроводная часть имеет в поперечном сечении форму равнобедренной трапеции, большее основание которой обращено к индуктору двигателя.

В дальнейшем изобретение поясняется примером его конкретного выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает предлагаемый двигатель, общий вид;

фиг. 2 показывает один из вариантов подключения катушек трехфазной обмотки.

Линейный асинхронный двигатель между собой

Линейный асинхронный двигатель (фиг.1) содержит индуктор, образованный сочетанием шихтованных в поперечном направлении сердечников 1, соединенных между собой шихтованными в продольной направлении сердечниками 2, имеющими форму гребенки.

Катушки 3 многофазной обмотки охватывают зубцы как поперечных, так и продольных магнитопроводов.

У якоря электропроводная часть 4 имеет в поперечном сечении форму равнобедренной трапеции, большее основание которой обращено к индуктору, а меньшее опирается на магнитопроводящую часть 5. Катушки обмотки каждого ряда в продольном направлении имеют одинаковое чередование фаз, а в поперечном направлении до середины ряда одно, а после середины другое (противоположное) чередование фаз.

На фиг.2 прописными буквами обозначена принадлежность катушек обмотки к фазам А, В и С.

Рассмотрим принцип действия предложенного линейного асинхронного двигателя.

При подключении обмотки индуктора к источнику трехфазного тока по ней протекает ток, создающий магнитные потоки индуктора. Магнитный поток индуктора, бегущий в направлении движения, при взаимодействии с токами якоря создает тяговое и подъемное усилия двигателя. Магнитные потоки, бегущие поперек направления движения, при своем взаимодействии с токами вторичного элемента создают одинаковые по величине, но противоположные по направлению усилия F1 и F2, которые при отсутствии боковых возмущений уравновешивают друг друга и не оказывают влияния на работу линейной машины (фиг.1 и фиг.2).

При смещении индуктора в поперечном направлении под действием каких-либо возмущений (например, сильный боковой ветер, действующий на транспортный экипаж с ЛАД, или вписывание в кривой участок пути) равновесие боковых сил F1 и F2 нарушается, т.к. часть индуктора располагается над участком якоря, сопротивление которого будет больше (сечение электропроводной части якоря при поперечном смещении индуктора от центра к краю уменьшается). При этом боковое усилие, возникающее в результате взаимодействия бегущего в поперечном направлении магнитного поля с токами электропроводной части якоря, имеющей большее сопротивление, увеличится. В то же время боковое усилие, создающееся при взаимодействии магнитного поля, бегущего в поперечном направлении, с точками центральной части якоря и имеющее меньшее сопротивление, будет оставаться на прежнем уровне (как и до бокового смещения).

Под действием возникшей разности боковых сил индуктор плавно возвратится в исходное положение (по центру якоря). Трапецеидальная форма поперечного сечения электропроводной части обеспечивает плавное увеличение его сопротивления при смещении индуктора от центра к любому из краев. Тем самым достигается плавность усилий поперечной стабилизации, которая исключает поперечные колебания движущегося индуктора ЛАД.

По сравнению с прототипом обеспечена плавность при поперечной стабилизации индуктора ЛАД относительно якоря.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Линейный асинхронный двигатель, содержащий индуктор с магнитопроводом, выполненным из ряда отдельных, шихтованных в поперечном направлении сердечников, имеющих форму гребенки, соединенных между собой сердечниками, шихтованными в продольном направлении, и многофазную обмотку, при этом многофазная обмотка выполнена в виде катушек, охватывающих зубцы поперечных и продольных сердечников и образующих продольные и поперечные ряды, причем в продольном направлении катушки каждого ряда образуют одинаковый порядок следования фаз, а в поперечном направлении катушки обмотки имеют до середины ряда один, а после середины - противоположный порядок следования фаз, и якорь, состоящий из электропроводной и магнитопроводящей частей, отличающийся тем, что электропроводная часть имеет в поперечном сечении форму равнобедренной трапеции, большее основание которой обращено к индуктору двигателя, а меньшее опирается на магнитопроводящую часть.

Линейные двигатели нового поколения

Приводы подач всех современных металлообрабатывающих станков с ЧПУ, в том числе и электроэрозионных (ЭЭ) строятся по традиционной схеме. Так, в одном из типажей ЭЭ станков перемещения рабочего органа РО (каретки подач) осуществляется от двигателя постоянного тока через ременную передачу на ходовой винт. Через шариковую гайку (она скреплена с РО пружинами механизма защиты от соударений) вращение винта трансформируется в продольное перемещение РО.

Ременный привод станков

Более надежные и современные приводы выполнены без ременной передачи. В этих приводах высокомоментный двигатель переменного тока непосредственно соединен с ходовым винтом.

Непосредственный привод

Недостатки указанных видов приводов достаточно известны и очевидны:

  • большое количество промежуточных элементов от источника энергии до РО;
  • громадная инерционность этих элементов, особенно в крупногабаритных станках;
  • наличие зазоров в передающих устройствах;
  • >трение во множестве сопрягаемых деталей (резко изменяющееся при переходе системы из состояния покоя в состояние движения);
  • температурные и упругие деформации практически всех передающих звеньев;
  • износ сопрягаемых элементов в процессе эксплуатации и потеря исходной точности;
  • погрешности в шаге ходового винта и накопленная погрешность по длине.

    Поскольку эти недостатки определяют основные качественные характеристики приводов (точность и равномерность хода РО, величину мертвого хода при реверсе, допустимые ускорения и скорости РО), конструкторская мысль станкостроителей давно пытается как-то уменьшить их влияние на работу приводов и оборудования в целом. Например, в соединении ходового винта с гайкой для уменьшения трения уже давно используют дорогое и сложное шариковинтовое соединение; для ликвидации зазоров в соединение винта с гайкой вводятся специальные устройства натяга соединения; ходовые винты особо точных станков изготавливают по классу эталонных; погрешности шага винтов пытаются скомпенсировать системами компенсаторов; в борьбе с температурными деформациями создаются изощрённые системы охлаждения и т.д. Проблемы, проблемы, проблемы. И уже давно ясно, что проблемы приводов с ходовыми винтами не решить никогда из-за их физико-технической сущности и построенного типа, как такового.

    Архаичность рассмотренных приводов давно очевидна и передовая конструкторская мысль уже много лет работала над задачей кардинальной замены типовых приводов в металлообрабатывающем оборудовании на какие-то другие, более совершенные. Как говорят, гениальное - просто. И таким гениальным решением было использовать в качестве приводов подач станков линейные двигатели .

    Электромагнитная система

    Принцип линейного двигателя (ЛД) не нов и, в общем, известен даже школьнику, поскольку прототипом ЛД является простейшая электромагнитная система. Такая система состоит из металлического сердечника-магнита и статорной обмотки. При подаче тока определенной полярности в обмотку сердечник сместится в ту или иную сторону, причем практически мгновенно. Изменение полярности сигнала на обмотку приведет к обратному ходу сердечника. Как видим, от источника энергии к РО нет никаких промежуточных элементов, передача энергии осуществляется через воздушный зазор, ничего не надо вращать, сразу возможно осуществление главной задачи - продольного движения РО. Гениальность решения, естественно, сразу была оценена по достоинству. На рассмотренном принципе уже десятилетия работают все элементы электроавтоматики, системы электротормозов, системы защиты, специальное оборудование ударного типа и т.д. Громадный опыт использования электромагнитных систем четко выявил их потрясающие достоинства: удивительная простота конструкции и применения, почти мгновенная остановка, мгновенный реверс, сверх быстрота срабатывания, большие усилия, простота настройки. Но не было только одного - возможности регулировать скорость РО в электромагнитной системе и обеспечивать тем самым регулируемое поступательное движение РО (сердечника). А без этой возможности применить электромагнитный привод (несмотря на его гениальность), как движитель в оборудовании, было невозможно.

    Линейный электродвигатель

    Потребовались многие годы работы ученых и конструкторов в разных странах, прежде чем был достигнут успех. Особенно интенсивно велись работы в Японии, где электромагнитный привод (уже как линейный привод) был впервые успешно использован как движитель для сверхскоростных поездов. Там же были попытки создания линейных приводов для металлообрабатывающих станков, но они имели существенные недостатки: создавали сильные магнитные поля, грелись, а главное не обеспечивали равномерности в движении РО. Лишь на пороге нового тысячелетия начался серийный выпуск станков (пока в основном электроискровых (электроэрозионных)) с принципиально новыми линейными двигателями, в которых решены все проблемы по обеспечению равномерным движением РО станков со сверхвысокой точностью, с большим диапазоном регулирования скорости, с громадными ускорениями, мгновенным реверсом, с простотой обслуживания и наладки и др.

    В принципе, конструкция ЛД изменилась не сильно. Собственно двигатель состоит всего из 2 (!) элементов: электромагнитного статора и плоского ротора, между которыми лишь воздушный зазор. Третий обязательный элемент – оптическая или другая измерительная линейка с высокой дискретностью (0,1 мкм). Без нее система управления станка не может определить текущие координаты. И статор, и ротор выполнены в виде плоских, легко снимаемых блоков: статор крепится к станине или колонне станка, ротор - к рабочему органу (РО). Ротор элементарно прост: он состоит из ряда прямоугольных сильных (редкоземельных) постоянных магнитов. Закреплены магниты на тонкой плите из специальной высокопрочной керамики, коэффициент температурного расширения которой в два раза меньше чем у гранита. Использование керамики совместно с эффективной системой охлаждения решило многие проблемы линейных приводов, связанные с температурными факторами, с наличием сильных магнитных полей, с жесткостью конструкции и т.п.

    Точная и равномерная подача РО во всем диапазоне скоростей и нагрузок обеспечивается двумя техническими решениями:

    • крепление постоянных магнитов под определенным фиксированным углом, который был открыт в ходе длительных экспериментов;
    • реализация высокоэффективной 6-ти фазной импульсной системы управления (система SMC).
    • Компания "СОДИК" организовала на своих заводах серийный выпуск широкой гаммы ЛД с характеристиками: с ходом подач от 100 до 2220 мм, с максимальной скоростью перемещения РО до 180 м/мин с ускорениями до 20G (. ) при точности исполнения заданных перемещений (в нормальном режиме работ) равной 0,0001мм (0,1 мкм). Нагрев этих ЛД при работе не превышает + 2° С от температуры помещения. Обеспечивается практически мгновенная остановка РО, реверс, моментальная реакция привода на команды системы ЧПУ и т.д. На один и тот же рабочий орган монтируется (например, для увеличения мощности) несколько линейных двигателей. Так, в частности, устроен привод оси Z всех ЭЭ прошивочных станков "СОДИК".

      Как указывалось, и статор, и ротор ЛД предельно просты. Статор исполнен в виде прямоугольного блока и крепится несколькими болтами к несущей конструкции станка. В приводе оси Z - два статора. Они размещены по обе стороны вертикального ползуна. К каждому статору крепятся два патрубка системы охлаждения статора и кабели подвода энергии и управления. Пластина ротора жестко крепится болтами к подвижной каретке (РО ). Так как в приводе оси Z два ЛД, то на каретке крепятся, соответственно, два ротора. каждый напротив своего статора. Система специальных направляющих и пневмопротивовес обеспечивают исключительную легкость хода каретки, практически без усилий. Приводы по осям X, Y прошивочных станков и в приводах X, Y, U, V проволочно-вырезных станков проще - в них всего по одному ЛД.

      Линейный двигатель

      Лине́йный дви́гатель — электродвигатель, у которого один из элементов магнитной системы разомкнут и имеет развёрнутую обмотку, создающую магнитное поле, а другой взаимодействует с ним и выполнен в виде направляющей, обеспечивающей линейное перемещение подвижной части двигателя.

        1 - Асинхронный линейный двигатель

      Асинхронный линейный двигатель

      Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя можно получить, если мысленно разрезать статор и ротор с обмотками обычного асинхронного двигателя вдоль оси по образующей и развернуть в плоскость. Образовавшаяся плоская конструкция представляет собой принципиальную схему линейного двигателя. Если теперь обмотки статора такого двигателя подключить к сети трехфазного переменного тока. то образуется магнитное поле. ось которого будет перемещаться вдоль воздушного зазора со скорость ю V, пропорциональной частоте питающего напряжения f и длине полюсного деления t: V = 2пf. Это перемещающееся вдоль зазора магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС. под действием которой по обмотке начнут протекать токи. Взаимодействие токов с магнитным полем приведет к появлению силы, действующей, по правилу Ленца. в направлении перемещения магнитного поля. Ротор — в дальнейшем будем называть его уже вторичным элементом — под действием этой силы начнет двигаться. Как и в обычном асинхронном двигателе, перемещение элемента происходит с некоторым скольжением относительно поля S = (V - v)/V, где v — скорость движения элемента. Номинальное скольжение линейного двигателя равно 2-6%.<ref>Линейные асинхронные двигатели - Принцип действия<!-- Заголовок добавлен ботом --> </ref>

      Вторичный элемент линейного двигателя не всегда снабжается обмоткой. Одно из достоинств линейного асинхронного двигателя заключается в том, что в качестве вторичного элемента может использоваться обычный металлический лист. Вторичный элемент при этом может располагаться также между двумя статорами, или между статором и ферромагнитным сердечником. Вторичный элемент выполняется из меди, алюминия или стали, причем использование немагнитного вторичного элемента предполагает применение конструктивных схем с замыканием магнитного потока через ферромагнитные элементы.

      Принцип действия линейных двигателей со вторичным элементом в виде полосы повторяет работу обычного асинхронного двигателя с массивным ферромагнитным или полым немагнитным ротором. Обмотки статора линейных двигателей имеют те же схемы соединения, что и обычные асинхронные двигатели, и подключаются обычно к сети трехфазного переменного тока.

      Линейные двигатели очень часто работают в так называемом обращенном режиме движения, когда вторичный элемент неподвижен, а передвигается статор. Такой линейный двигатель, получивший название двигателя с подвижным статором, находит, в частности, широкое применение на электрическом транспорте. Например, статор неподвижно закреплен под полом вагона, а вторичный элемент представляет собой металлическую полосу между рельс, а иногда вторичным элементом служат сами рельсы.

      Одной из разновидностей линейных асинхронных двигателей являются трубчатый (коаксиальный) двигатель. Статор такого двигателя имеет вид трубы, внутри которой располагаются перемежающиеся между собой плоские дисковые катушки (обмотки статора) и металлические шайбы, являющиеся частью магнитопровод а. Катушки двигателя соединяются группами и образуют обмотки отдельных фаз двигателя. Внутри статора помещается вторичный элемент также трубчатой формы, выполненный из ферромагнитного материала. При подключении к сети обмоток статора вдоль его внутренней поверхности образуется бегущее магнитное поле, которое индуцирует в теле вторичного элемента токи, направленные по его окружности. Взаимодействие этих токов с магнитным полем двигателя создает на вторичном элементе силу, действующую вдоль трубы, которая и вызывает (при закрепленном статоре) движение вторичного элемента в этом направлении. Трубчатая конструкция линейных двигателей характеризуется аксиальным направлением магнитного потока во вторичном элементе в отличие от плоского линейного двигателя, в котором магнитный поток имеет радиальное направление.

      2 - Синхронный линейный двигатель

      Синхронный линейный двигатель

      Теги: 

      Рекомендуем также прочитать

      Электродвигатели двухскоростные. Двухскоростные электродвигатели серии АИС - предназначены для привода механизмов, требующих ступенчатого регулирования частоты вращения.
      Электродвигатели асинхронные Взрывозащищенные электродвигатели (76) от 5 189 р.