Линейный вентильный электродвигатель
LINEAR VALVE ELECTRIC MOTOR

Заявляемое изобретение относится к области машиностроения, в частности, к линейным вентильным электродвигателям, а именно, к конструктивною выполнению магнитной системы линейного вентильного электродвигателя (ЛВЭД).
Из уровня техники известно, что на сегодняшний день линейные электродвигатели нашли применение во многих отраслях промышленности, в частности, в нефтедобывающей промышленности, где эффективно используются в качестве приводов для плунжерных погружных насосов. Из патентов на изобретения: UA115401 от 25.10.2017, UA118287 от 26.12.2018, UA118520 от 25.01.2019, RU2615775 от 11.04.2017, а также заявок на изобретения WO/2019/108160 от 11.07.2018, US20170284177A1 от 05.10.2017 известны погружные насосные установки с трехфазным линейным вентильным электродвигателем, где в расточке статора установлена подвижная часть (слайдер), который выполнен из постоянных магнитов и приводится в движение под воздействием бегущего магнитного поля статора.
Также из уровня техники известны магнито-винтовые и спиральные шаговые двигатели, где подвижная часть выполняет поступательное движение с одновременным спиральным вращением. Ниже приведены примеры известных технических решений. Основными преимуществами такого типа двигателей является высокая мощность электродвигателя, а также возможность точного позиционирования подвижной части.
На ряду с указанными преимуществами известные решения магнито-винтовых двигателей имеют и недостатки, такие как: наличие паразитного вращения ротора при поступательном движении, излишний нагрев, не возможность применения в высокочастотных двигателях, многодетальность и сложность сборки конструкции.
Заявленное изобретение призвано решить известные недостатки уровня техники.
Из патента на изобретение РФ № 2183773 от 20.02.2002 известна бесконтактная магнитная винтовая передача. Известное изобретение предназначено для создания сверхточного линейного привода в станкостроении, метрологии, оптике и электронной промышленности.
Бесконтактная магнитная винтовая передача содержит винт 1 и гайку 2, включающую постоянный магнит 3, выполненный в виде кольца с направлением намагничивания вдоль его оси, установленный между магнитопроводами 14 с полюсными наконечниками 4. На винте 1 и полюсных наконечниках 4 выполнена мелкомодульная резьба, канавки которой заполнены твердым немагнитным материалом заподлицо с вершинами гребней резьбы. Винт 1 и гайка 2 взаимодействуют между собой через радиальный зазор, в который через аэростатические дроссельные узлы 12, установленные на краях гайки 2, по подводящим каналам 13 подается сжатая текучая среда от внешнего источника. В качестве аэростатических дроссельных элементов 12 могут быть использованы кольца из пористого материала, жиклеры, калиброванные щелевые отверстия. В описанном изобретении повышена кинематическая точность и жесткость передачи при малых габаритных размерах.
К недостаткам известного технического решения можно отнести сложность конструкции, что усложняет его применение в разных отраслях промышленности. Также недостатком можно считать наличие паразитного вращательного движения, что снижает КПД системы.
Также из заявки на ИЗ WO2016173293A1 от 03.11.2016 известен статорно-роторный механизм спирального шагового двигателя. Ротор содержит центральный вал (1) и множество блоков ротора (2), причем блоки ротора (2) непрерывно или раздельно равномерно расположены на окружности центрального вала (1). Статор содержит множество блоков статора (3), барьерный слой (5) и крышку (4), причем блоки статора (3) и блоки ротора (2) в радиальном направлении расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. В заданном направлении осевая ширина рабочей поверхности блока статора (3) равна ширине оси блока ротора (2). Блоки статора выровнены относительно блоков ротора. Когда двигатель работает, между блоками статора (3) и блоками ротора (2) создается динамическое спиральное магнитное поле, и под действием спирального магнитного поля возникает прямолинейное и круговое движение без трения между блоками статора (3) и ротора (2). Согласно спиральному шаговому двигателю, одна из двух частей может совершать круговое движение, а другая - прямолинейное движение, или одна часть одновременно совершает круговое движение и прямолинейное движение.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести сложность конструкции  и наличие паразитного вращательного движения ротора, что снижает КПД системы.
Из патента на изобретение JP3399368 известен винтовой электродвигатель у которого статор содержит спиральный сердечник из магнитного материала с обмоткой установленной в полости спирали. Указанные обмотки находятся в магнитном поля постоянных магнитов  ротора установленных между витками спирали статора.
Сердечник статора формируют из предварительного собранного из листовой стали ламинированного цилиндра в котором вырезают спиральный проем. На стенках спиральных витков устанавливают катушки обмотки статора. Между витками спирали статора устанавливают винт ротора с постоянными магнитами. При взаимодействии магнитных полей обмотки статора и постоянных магнитов ротора, указанный ротор выполняет поступательное движение с одновременным вращением по траектории спирали статора.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести сложность конструкции и технологии изготовления. Наличие вращательного движения приводит к снижению КПД и удельной мощности.
Указанное техническое решение принимаем за ближайший аналог.
Технической задачей на решение которой направлено заявленное техническое решение является создание линейного вентильного электродвигателя (ЛВЭД) упрощенной конструкции с уменьшенными габаритами.
Технический результат достигнутый от реализации заявленного изобретения заключается в упрощении конструкции линейного вентильного электродвигателя, повышении технологичности изготовления, увеличении удельной мощности при снижении габаритов установки.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что расточка статора сформирована зубцовой поверхностью сердечника, у которого одна часть зубцов выполнена из магнитомягкого материала, а вторая часть зубцов выполнена из немагнитного материала. Зубцы из магнитомягкого и немагнитного материала расположены со смещением в продольном и радиальном направлении, вдоль оси симметрии статора, формируя спираль зубцового винта из магнитомягкого материала, межвитковое пространство которого заполнено зубцами из немагнитного материала.
Зубцовый винт из магнитомягкого материала выполнен с количеством заходов равным n, где n≥1.
Зубцы из магнитомягкого материала смещены по длине статора в радиальном направлении на величину кратную целому зубцовому делению.
Обмотка статора уложена в пазах из магнитомягкого и немагнитного материала.
Сердечник статора выполнен из комбинированного материала, включающего изотропную электротехническую сталь с полимерными вставками.
Обмотка статора содержит «р» пар полюсов, где р≥1 при этом число оборотов магнитного поля за один период синусоиды m≥1/р.
Сущность заявляемого изобретения поясняется, но не ограничивается приведенными графическими материалами:
фиг.1 – магнитная система ЛВЭД;
фиг.2 – статор ЛВЭД;
фиг.3 – вариант выполнения сердечника статора ЛВЭД;
фиг.4 – положение пластин сердечника статора ЛВЭД;
Заявляемое изобретение может быть реализовано в различных технологических процессах и механизмах где существует необходимость обеспечения контролируемого поступательного движения механизмов с высокой точностью позиционирования подвижных частей, в частности, в медицине, робототехнике, станкостроении, машиностроении.
Заявленное изобретение объединяет в себе преимущества известных из уровня техники линейных электродвигателей.
Согласно одному из возможных вариантов реализации изобретения, ЛВЭД 1 состоит из статора 2, содержащего магнитопровод (сердечник) 3 из магнитомягкого материала и трехфазную обмотку 4 уложенную в пазах 5 сердечника. Также указанный ЛВЭД содержит подвижную часть (слайдер) 6 выполненный с постоянным магнитным сопротивлением. Слайдер выполняет возвратно-поступательные движения относительно статора 2. Слайдер 6 (фиг.1) сформирован из набора постоянных магнитов 7 c концентраторами 8 магнитного поля между ними.
Также возможен вариант выполнения без концентраторов магнитного поля, при этом магниты 7 могут быть установлены вблизи друг друга, а векторы магнитных полей концентрируются между соседними магнитами.
Постоянные магниты 7 установлены последовательно с периодической сменой полярности SN одного магнита по отношению к предыдущему NS. В одном из возможных вариантов реализации слайдер 6, выполняют из стержня 9 с установленными на резьбовом соединении магнитами 7, при этом постоянные магниты 7 выполнены в виде колец и установлены на поверхности стержня 9, такая форма магнитов позволяет обеспечить постоянное магнитное сопротивление. Концентраторы 8 имеют больший радиальный размер по отношению к магнитам 7 и установлены периодически, разделяя магниты. Концентраторы 8 обеспечивают позиционирование слайдера 6 относительно статора 2, ограничивая радиальное перемещение и формируют постоянный немагнитный зазор 10 между расточкой статора 2 и элементами слайдера. В приведенном варианте реализации слайдер 6, установлен внутри расточки статора 2. Также возможен вариант, при котором расточка статора расположена внутри слайдера, при этом стержень слайдера выполнен пустотелым. В каждом из вариантов выполнения расточка статора установлена в магнитном поле постоянных магнитов слайдера.
В приведенном варианте реализации изобретения, статор 2 состоит из магнитопровода (сердечника). Пластинки 11 (фиг.2, 3) сердечника статора 2 выполнены специальной формы где часть зубцов 12 уменьшены в размере по отношению к остальным зубцам. Увеличенные зубцы 13 объединены в группы 14 (фиг.3). Количество групп зубцов равно количеству заходов зубцового винта. Количество заходов зубцового винта равно n, где n≥1, при этом входные зубцы сердечнике смещены относительно друг друга в радиальном направлении.
Расточка статора 15 сформирована зубцовой поверхностью сердечника, у которого одна часть зубцов 13 выполнена из магнитомягкого материала, а вторая часть зубцов 16 выполнена из немагнитного материала. Зубцы из магнитомягкого и немагнитного материала расположены со смещением в продольном и радиальном направлении, вдоль оси симметрии статора, формируя спираль зубцового винта 17 из магнитомягкого материала, межвитковое пространство 18 которого заполнено зубцами 15 из немагнитного материала. Описанный вариант реализации технического решения позволяет сформировать в межвитковом пространстве 18 немагнитный винтовой зазор сердечника статора.
Таким образом, сердечник статора 2 выполнен из комбинированного материала, включающего изотропную электротехническую сталь с полимерными вставками. Полимерные вставки заполняют пространство 18 образованное, при смещении зубцов 13 в радиальном и продольном направлении относительно оси симметрии статора. Зубцы одной пластины или группы таких пластин смещены в радиальном направлении со сдвигом по длине статора относительно зубцов следующей пластины или группы пластин на величину k кратную целому зубцовому делению (фиг.4).
На (фиг.4) показана траектория 20 изменения положения групп 14 зубцов в пространстве до положения 14+k. Положение зубцов статора из магнитомягкого материала повторяется периодически со смещением по длине статора на величину равную расстоянию между ближайшими разноименными полюсами слайдера.
Описанное конструктивное выполнение позволяет обеспечивая концентрацию магнитного поля статора на спирали зубцового винта, при этом на одну пару полюсов SN слайдера, приходится, по меньшей мере, один оборот винта 17 статора 2.
Многозаходный винт позволяет повысить удельную мощность двигателя и коэффициент полезного действия, за счет постоянства магнитного поля статора.
В пазах 5 из магнитомягкого и немагнитного материала между зубцами 13,16 уложена трехфазная обмотка 4 статора 2, где фазы соединены в звезду. В варианте выполнения без нулевой точки, соединение фаз может быть реализовано в треугольник. В описанном варианте реализации обмотка статора выполнена распределенной, при этом обмотка протяжная. Данное техническое решение повышает эффективность взаимодействия магнитных полей статора и слайдера, а также снижает высшие гармоники тока. Также пазы 5 статора покрыты изоляционным материалом 19, таким как термоусадочная трубка, обеспечивая защиту от пробоя изоляции.
Обмотка 4 статора содержит «р» пар полюсов, где р≥1, при этом, число оборотов магнитного поля статора за один период синусоиды равно m, где m=1/р. В данном варианте реализации изобретения число оборотов магнитного поля статора за период уменьшается с увеличением количества пар полюсов. Такой вариант выполнения позволяет создать тихоходный линейный электродвигатель с частотой питающей сети 50 Гц.
Немагнитный винтовой зазор, сформированный зубцами 16 из немагнитного материала, выполненными в виде полимерных вставок повторяющих форму зубцов из магнитомягкого материала, сопряжен с немагнитным зазором 10 между слайдером 6 и статором 2. На зубцах 13 (фиг.2) указанного винта 17 концентрируется магнитное поле статора. Постоянный радиальный немагнитный зазор 10 между зубцами статора 13, 16 и магнитами с концентраторами 8 магнитного поля слайдера 6 обеспечивает одинаковое радиальное магнитное сопротивление в каждой точке поверхности слайдера, что не позволяет магнитному потоку статора 2 провернуть слайдер 6 относительно его продольной оси. Такое решение, позволяет полностью исключить вращательное движение слайдера 6 и оставляет только поступательное, что повышает эффективность работы двигателя. Также высокую точность управления двигателем, в частности точность позиционирования слайдера 6 обеспечивают за счет уменьшения размеров пары полюсов τ (магнитов слайдера), где τ принимают с учетом частоты питающей сети и скорости движения слайдера.
Реализация описанного изобретения приводит к достижению заявленного технического результата, обеспечивая упрощение конструкции линейного вентильного электродвигателя, повышение технологичности изготовления, позволяя осуществлять сборку статора с применением стандартной технологической оснастки. Также заявленный принцип и технология сборки линейного электродвигателя позволяет увеличить удельную мощность при снижении габаритов установки.