ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ ДВУХФАЗНЫЙ НЕРЕВЕРСИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
HIGH-SPEED DIODE-INDUCTION TWO-PHASE NONREVERSIBLE MOTOR

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах механизмов с переменной производительностью, например в вентиляторах, насосах, компрессорах, в высокоскоростных электрошпинделях и в бытовой технике.
Известен индукторный нереверсивный двигатель, содержащий явнополюсный статор, имеющий четыре полюса, и ротор в виде двух цилиндрических поверхностей, имеющих несовпадение осей, при этом поперечное сечение обеих поверхностей имеет высшую точку относительно центра ротора, каждая поверхность ограничена с краев выступом так, что нижние точки одного выступа и верхние точки другого выступа принадлежат одной поверхности, аналогично - для другой поверхности. Протяженность дуг обеих поверхностей составляет 180° [Патент США №3679953, МКИ Н02К 29/00. - Опубл. 25.07.1972 г.].
Основным недостатком этого двигателя является большой воздушный зазор между полюсами статора и ротора, имеющий высокое магнитное сопротивление, и как следствие этого - малый вращающий момент.
Известен нереверсивный двухфазный электродвигатель с переменным магнитным сопротивлением, содержащий явнополюсный статор с четырьмя полюсами, на которых размещены четыре сосредоточенные обмотки, и ротор с двумя полюсами, причем поверхность каждого из полюсов ротора выполнена в виде двух цилиндрических поверхностей разных диаметров, центры которых совпадают с осью ротора. [Патент РФ №2089034, МКИ Н02К 29/10. - Опубл. 27.08.97. Бюл. №24].
Основным недостатком этого технического решения является высокий уровень шумов и вибраций, которые возникают за счет скачкообразного изменения подомоторных сил в процессе вращения ротора. [Шабаев В.А. Анализ источников шума вентильно-индукторного двигателя // Электротехника, 2005, №5].
Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому изобретению является двухтактный шаговый двигатель с искусственным расширением устойчивой зоны [Дискретный электропривод с шаговыми двигателями, под общ. ред. М.Г.Чиликина. М.: Энергия, 1971, с.94-103].
Двигатель содержит явнополюсный статор с четырьмя полюсами и сосредоточенными обмотками и явнополюсный ротор с двумя клювообразными полюсами, направленными в сторону вращения.
Недостатком этого двигателя является то, что ток фазы имеет резко несинусоидальный характер [Кузнецов В.А., Кузмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - М.: Издательство МЭИ, 2003, с.16], то есть содержит наряду с первой гармонической составляющей много высших гармоник большой амплитуды, это увеличивает омические потери в «меди» и в «стали» и уменьшает коэффициент полезного действия, кроме того, для устранения тормозных моментов в этих двигателях приходится применять сложный алгоритм управления, предполагающий упреждение угла включения и выключения транзисторов управляющего инвертора в зависимости от скорости вращения и момента нагрузки.
Целью предлагаемого изобретения является увеличение коэффициента полезного действия и упрощение алгоритма управления.
Поставленные цели достигаются тем, что в известном двухтактном шаговом двигателе с искусственным расширением устойчивой зоны, содержащем явнополюсный статор с четырьмя полюсами и сосредоточенными обмотками и ротор с двумя полюсами, имеющими клювообразные выступы, поверхность каждого полюса с клювообразными выступами имеет форму трех цилиндрических поверхностей одинакового диаметра, при этом центры цилиндрической поверхности полюсов ротора совпадают с осью ротора, а центры двух цилиндрических поверхностей клювообразных выступов полюсов ротора не совпадают с осью ротора. В результате чего момент двигателя, в зависимости от положения ротора, при постоянном токе в обмотке одной фазы в начале магнитного зацепления при угле поворота ротора 0<θ<45° линейно увеличивается, затем при угле поворота ротора 45°<θ<90° остается постоянным, а при угле поворота ротора 90°<θ<135° линейно уменьшается до нуля. При этом если подавать на обмотку фазы напряжение при угловом положении ротора, когда 0<θ<90°, а при положении ротора, когда 90°<θ<135°, замыкать электродвижущую силу самоиндукции на источник постоянного напряжения, равного напряжению, подаваемому в предыдущем случае, то под действием этих напряжений и электродвижущей силы самоиндукции ток в фазе меняется в соответствии с законом i=Isinθ+0,134sin3θ, где i - текущее значение тока, I - амплитуда первой гармоники тока, 0,134 - коэффициент, определяющий отношение амплитуды первой и третьей гармоник тока, при котором при угле 45°<θ<90° i=0,866I и постоянно. Таким образом, ток при разложении в ряд Фурье имеет минимальное число гармоник, что увеличивает коэффициент полезного действия за счет уменьшения потерь в «меди» и в «стали».
При угле поворота ротора 0<θ<90° напряжение, подаваемое на фазу  где L - текущее значение индуктивности фазы, r - омическое сопротивление обмотки, U - напряжение, подаваемое на обмотку, t - время. При этом  где М - текущее значение момента, развиваемое фазой, а  где Ω - частота вращения ротора, поэтому  При угле поворота ротора 90°<θ<135° электродвижущая сила замыкается на источник постоянного тока, и напряжение на обмотке меняет знак,  Поэтому для регулирования скорости и момента при неизменном гармоническом составе тока достаточно регулирования напряжения без сдвигов фронтов импульсов напряжения.
По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемое устройство имеет следующие новые признаки: поверхность ротора с клювообразными выступами на полюсах имеет форму трех цилиндрических поверхностей одинакового диаметра, при этом центр цилиндрической поверхности полюса ротора совпадает с осью ротора, а центры двух цилиндрических поверхностей клювообразных выступов полюсов ротора не совпадают с осью ротора.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
При реализации предлагаемого изобретения увеличивается коэффициент полезного действия за счет уменьшения омических потерь в «меди», и упрощается алгоритм управления.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики и электропривода.
Высокоскоростных вентильно-индукторных двухфазных нереверсивных двигателей, имеющих четыре полюса на статоре с сосредоточенными обмотками и два полюса с клювообразными выступами на роторе, в которых поверхность каждого полюса с клювообразными выступами имеет форму трех цилиндрических поверхностей одинакового диаметра, и центр цилиндрической поверхности полюсов ротора совпадает с осью ротора, а центры двух цилиндрических поверхностей клювообразных выступов полюсов ротора не совпадают с осью ротора, не обнаружено.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1. показан высокоскоростной вентильно-индукторный двухфазный нереверсивный двигатель, где обозначено: 1 - статор; 2 - ротор; 3 - обмотка; 4 - ось ротора; 5, 6 - центры цилиндрических поверхностей клювообразных выступов полюсов ротора.
A
B
На фиг.2. показаны токи фаз и гармонические составляющие токов фаз двигателя: i - ток и гармонические составляющие фазы А; i - ток и гармонические составляющие фазы В.
A
B
A
B
A
B
А
B
На фиг.3. показаны диаграммы работы высокоскоростного вентильно-индукторного двухфазного нереверсивного двигателя, где обозначено: L - индуктивность фаз; L - индуктивность фазы A; L - индуктивность фазы В;  - производная индуктивности фазы А по углу поворота ротора;  - производная индуктивности фазы В по углу поворота ротора; U - напряжение фазы A; U - напряжение фазы В; i - токи фаз; i - ток фазы А; i - ток фазы В; М - момент, развиваемый фазой А; M - момент, развиваемый фазой В.
С целью подтверждения положительного эффекта, достигаемого при использовании предлагаемого технического решения, в ОАО «НИПТИЭМ» были проведены экспериментальные исследования высокоскоростного вентильно-индукторного двухфазного нереверсивного двигателя с конфигурацией активной части, изображенной на фиг.1. Исследования подтвердили увеличение коэффициента полезного действия и упрощение алгоритма управления.
Таким образом, использование в известном двухтактном шаговом двигателе с искусственным расширением устойчивой зоны, имеющем четыре полюса на статоре с сосредоточенными обмотками и два полюса с клювообразными выступами на роторе, ротор, в котором поверхность каждого полюса с клювообразными выступами имеет форму трех цилиндрических поверхностей одинакового диаметра, и центр цилиндрической поверхности полюсов ротора совпадает с осью ротора, а центры двух цилиндрических поверхностей клювообразных выступов полюсов ротора не совпадают с осью ротора, позволяет улучшить его техническую характеристику.