ГИБРИДНЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ИНДУКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно, к области электрических тяговых систем с линейными машинами специального исполнения и может быть использована в тягово-левитационных системах высокоскоростных транспортных средств с магнитным подвесом.
Известен линейный реактивный индукторный двигатель, предназначенный для применения в тяговой системе для железнодорожного транспорта, содержащий первичную часть - индуктор с полюсами, на которых размещены катушки многофазной обмотки, и вторичную - безобмоточный магнитопровод с явно выраженными зубцами (Kolomeitsev L., Kraynov D., Pakhomin F., Kallenbach E., Kireev V., Schneider Т., Bocker J. “Linear Switched Reluctance Motor as High Efficiency Propulsion System for Railway Vehicles” SPEED AM 2008 pp 155-160, интернет ресурс: код доступа http://wwwlea.uni-paderborn.de/fileadmin/Elektrotechnik/AG-LEA/forschung/veroeffentlichungen/2008/08Speedam-schneider-boecker.pdf).
Недостатком такого двигателя является низкая энергетическая эффективность, обусловленная наличием большого рабочего воздушного зазора между статором и ротором, что требует создания большого значения намагничивающей силы и влечет за собой увеличение потерь. Кроме того, снижаются динамические свойства двигателя, что ограничивает возможность применения его на высоких скоростях движения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению, принятому за прототип, является гибридный реактивный индукторный двигатель (Патент EP 2693613 A1, МПК H02K 21/44 (2006.01), фигура 17) содержащий: зубчатый ротор и статор, образованный множеством линейно установленных на немагнитном основании, независимо друг от друга и отделенных немагнитным зазором, магнитных узлов, каждый из которых включает в себя магнитный сердечник U-образной формы, образующий полюса, между концами которых расположен постоянный магнит и катушка, намотанная на сердечник, а зубцы ротора отделены от полюсов магнитных узлов статора воздушным зазором, причем ротор выполнен с возможностью линейного перемещения относительно полюсов магнитных узлов статора, при этом, полюса, хотя бы одного магнитного узла, выравниваются с зубцами ротора соосно в положение минимального магнитного сопротивления сердечника.
Недостатком двигателя является низкая энергетическая эффективность, обусловленная необходимостью преобразования энергии путем регулирования рабочего магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом с помощью дополнительного источника магнитодвижущей силы, выполненного в виде катушки, расположенной на магнитопроводе магнитного узла. Это влечет за собой большие энергетические затраты, связанные с преобразованием энергии, а также ограничивает скорость линейного перемещения.
Задачей, решаемой полезной моделью, является повышение энергетической эффективности гибридного линейного реактивного индукторного двигателя при рабочих воздушных зазорах больших, чем у машин традиционного исполнения и увеличение максимальной скорости линейного перемещения.
Техническим результатом является уменьшение потерь в двигателе за счет снижения потерь мощности на коммутацию магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом в магнитных узлах двигателя и увеличения скорости его изменения.
Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что гибридный линейный реактивный индукторный двигатель содержит зубчатый ротор и статор, образованный множеством линейно установленных на немагнитном основании, независимо друг от друга и отделенных немагнитным зазором магнитных узлов, каждый из которых содержит магнитный сердечник, образующий два полюса, постоянный магнит, а зубцы ротора отделены от полюсов магнитных сердечников статора воздушным зазором, причем, ротор выполнен с возможностью линейного перемещения относительно полюсов магнитных узлов статора, при этом полюса хотя бы одного магнитного узла статора выравниваются с зубцами ротора соосно в положение минимального магнитного сопротивления сердечника. В отличие от прототипа, каждый магнитный сердечник содержит два ферромагнитных стержня, между которыми расположен постоянный магнит, связывающий их между собой, образуя Н-образную форму с дополнительной парой полюсов, между которыми располагаются ферромагнитные зубцы вращающегося зубчатого колеса, посаженного на вал дополнительно введенного вращающегося электрического двигателя, установленного на немагнитном основании статора.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами. На фигуре 1 изображен гибридный линейный реактивный индукторный двигатель в разрезе. На фигурах 2-4 представлены конструктивные схемы магнитного узла двигателя, поясняющие принцип работы в разных характерных случаях.
Гибридный линейный реактивный индукторный двигатель (Фиг. 1) содержит зубчатый ротор 1 и статор 2, образованный множеством линейно установленных на немагнитном основании 3, независимо друг от друга и отделенных немагнитным зазором магнитных узлов 4, каждый из которых содержит магнитный сердечник 5, образующий два полюса 5A и 5B, постоянный магнит 6 (показан на выносном элементе B), а зубцы 7 ротора 1 отделены от полюсов 5A и 5B магнитных сердечников 5 воздушным зазором, причем, магнитный сердечник 5 каждого магнитного узла 4 содержит по два ферромагнитных стержня 8 и 9, между которыми расположен постоянный магнит 6, связывающий их между собой, образуя Н-образную форму с дополнительной парой полюсов 5C и 5D, между которыми располагаются ферромагнитные зубцы 10 вращающегося зубчатого колеса 11 (показаны на разрезе А-А Фиг. 1), посаженного на вал 12 дополнительно введенного вращающегося электрического двигателя 13, установленного на немагнитном основании 3 статора 2.
Основу гибридного линейного реактивного индукторного двигателя составляют магнитные узлы 4. Упрощенная конструктивная схема магнитного узла гибридного линейного реактивного индукторного двигателя, поясняющая принцип работы показана на фигурах 2-4.
Магнитный узел работает следующим образом. Вращающийся электрический двигатель 13 приводит во вращение зубчатое колесо 11, ферромагнитные зубцы 10 которого, проходят между парой полюсов 5C и 5D, образованной ферромагнитными стержнями 8, 9, и создают дополнительный контур замыкания магнитного потока постоянного магнита 6. При этом периодически шунтируется контур замыкания рабочего магнитного потока, проходящий через рабочий воздушный зазор δ, и создающий тяговое усилие между полюсами 5A, 5B статора и зубцами 7 ротора 1, обеспечивая перемещение ротора 1 относительно статора 2.
Возможны три характерных случая взаимного расположения элементов двигателя, обеспечивающих: полное шунтирование рабочего магнитного потока, отсутствие шунтирования рабочего магнитного потока, частичное шунтирование рабочего магнитного потока, показанные на фигурах 2-4.
1
2
1
2
На фигуре 2 приведен характерный случай, когда ферромагнитный зубец 10 находится между парой полюсов 5C и 5D, а полюса 5A и 5B находятся в соосном положении с зубцами ротора 7 (в положении минимального магнитного сопротивления сердечника). Величина рабочего воздушного зазора δ выбирается значительно больше, чем величины технологических зазоров δ и δ между вращающимися зубцами 10 и боковыми поверхностями ферромагнитных стержней 8 и 9. В этом случае ферромагнитный зубец 10 шунтирует прохождение магнитного потока Ф, создаваемого постоянным магнитом 6, через рабочий зазор δ, замыкая его практически полностью по контуру (показан пунктиром): постоянный магнит 6 - ферромагнитный стержень 8 - воздушный зазор - δ, ферромагнитный зубец 10 - воздушный зазор δ - ферромагнитный стержень 9. В этом положении силовое взаимодействие между полюсами 5A и 5B и зубцами ротора 7 отсутствует.
На фигуре 3 приведен характерный случай, когда ферромагнитный зубец 10 не находится между парой полюсов 5C и 5D, образованных ферромагнитными стержнями 8 и 9, а полюса 5A и 5B смещены относительно зубцов 7 ротора 1. В этом случае рабочий магнитный поток Ф, создаваемый постоянным магнитом 6, практически полностью замыкается по контуру (показан пунктиром): постоянный магнит 6 - ферромагнитный стержень 8 - рабочий воздушный зазор δ - ферромагнитные зубцы 7 ротора 1 - рабочий воздушный зазор δ - ферромагнитный стержень 9. В этом положении возникает силовое взаимодействие между полюсами 5A и 5B и зубцами 7 ротора 1, в результате чего, ротор 1 перемещается в направлении, указанном стрелкой.
1
1
2
2
На фигуре 4 приведен случай, когда ферромагнитный зубец 10 частично находится между парой полюсов 5C и 5D, а полюса 5A и 5B смещены относительно зубцов 7 ротора 1. В этом случае магнитный поток Ф, создаваемый постоянным магнитом 6, расщепляется на два контура: Ф (постоянный магнит 6 - ферромагнитный стержень 8 - воздушный зазор δ - ферромагнитный зубец 10 - воздушный зазор δ - ферромагнитный стержень 9) и Ф, (постоянный магнит 6 - ферромагнитный стержень 8 - рабочий воздушный зазор δ - ферромагнитные зубцы 7 ротора 1 - рабочий воздушный зазор δ - ферромагнитный стержень 9). В этом положении возникает силовое взаимодействие между полюсами 5A и 5B и зубцами 7 ротора 1, в результате чего, ротор 1 перемещается в направлении, указанном стрелкой.
Аналогичным образом происходит работа остальных магнитных узлов 4, установленных на немагнитном основании 3 статора 2. Суммарное тяговое усилие двигателя складывается из усилий, создаваемых каждым магнитным узлом 4.
Таким образом, повышается энергетическая эффективность предлагаемого гибридного линейного реактивного индукторного двигателя, по сравнению с прототипом, благодаря снижению потерь мощности при регулирования рабочего магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом за счет введения в устройство магнитного сердечника Н-образной формы с дополнительной парой полюсов, между которыми располагаются ферромагнитные зубцы вращающегося зубчатого колеса, посаженного на вал дополнительно введенного вращающегося электрического двигателя традиционного исполнения. При этом потери мощности в обмотке электрического двигателя традиционного исполнения (с малым рабочим зазором) значительно ниже, чем потери мощности в катушке прототипа, расположенной на магнитном сердечнике при большом воздушном зазоре между статором и ротором линейного двигателя.
Кроме того, увеличивается максимальная скорость линейного перемещения двигателя по сравнению с прототипом благодаря возможности увеличения скорости изменения рабочего магнитного потока за счет того, что зубцы вращающегося зубчатого колеса, располагаясь между дополнительной парой полюсов магнитного сердечника, создают дополнительный контур замыкания магнитного потока постоянного магнита, шунтирующий контур замыкания рабочего магнитного потока. В предлагаемом техническом решении скорость изменения рабочего магнитного потока определяется в основном частотой вращения электрического двигателя и количеством зубцов зубчатого колеса и может быть увеличена выбором параметров двигателя и конструкции колеса. В прототипе такая возможность отсутствует, так как скорость изменения рабочего магнитного потока определяется скоростью изменения тока в катушке и ограничивается действием электродвижущей силы индукции, возникающей в катушке при изменении магнитного потока.
Положительный эффект от использования предлагаемого технического решения проявляется в экономии энергетических ресурсов и улучшении эксплуатационных характеристик гибридного линейного реактивного индукторного двигателя.