ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ
ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к электромеханике и может быть использовано для преобразования электрической энергии в механическую энергию в шаговых двигателях, электромагнитных метателях, электромагнитных отбойных молотках, прессах, штамповочном оборудовании и т.д.
Известен электромагнитный двигатель, в котором в начале такта работы накапливается магнитная энергия, после чего источник питания отключается, а выводы обмотки замыкаются между собой накоротко. В этом электрическом двигателе преобразование накопленной магнитной энергии в механическую энергию происходит почти при постоянном потокосцеплении, что позволяет повысить его мощность [1, с.127-130]. Недостатком такого двигателя является то, что в конце такта в его рабочих зазорах остается магнитное поле, а следовательно, и магнитная энергия. При дальнейшем перемещении вторичной части магнитной системы двигателя из нейтрального положения или при возвращении ее в исходное положение на вторичную часть магнитной системы действует остаточная электромагнитная сила, препятствующая движению.
Наиболее близким по технической сущности заявленному техническому решению является электрический двигатель, содержащий магнитопровод первичной части с полюсами и обмоткой, магнитопровод вторичной части с полюсами, датчик положения смещения полюсов вторичной части относительно полюсов первичной части, датчик нейтрального положения полюсов, датчик промежуточного положения полюсов, источник постоянного тока, выходами которого являются выводы конденсатора сглаживающего фильтра, выпрямительный мост, два противоположных плеча которого образованы управляемыми вентилями, а два других плеча - неуправляемыми вентилями, причем выходы постоянного тока соединены с выводами обмотки, а один вход переменного тока, образованный выводом управляемого вентиля, соединен с выводом противоположной полярности дополнительного управляемого вентиля, другой вывод которого соединен с выходом той же полярности источника постоянного тока, другой выход которого соединен с другим входом переменного тока выпрямительного моста, кроме того, один вход переменного тока выпрямительного моста соединен с одним из выводов накопительного конденсатора, при этом первые входы управления управляемых вентилей соединены с выходом датчика положения смещения полюсов, второй вход управления дополнительного управляемого вентиля соединен с выходом датчика промежуточного положения, а вторые входы управления управляемых вентилей выпрямительного моста соединены с выходом датчика нейтрального положения [2]. В указанном электрическом двигателе оставшаяся магнитная энергия вторичной части магнитопровода, находящегося в нейтральном положении, после закрытия управляемых вентилей преобразуется в электрическую энергию накопительного конденсатора, которая в последующем цикле его работы вместе с источником питания используется для питания электрического двигателя. Недостатком такого двигателя является то, что при открывании дополнительного управляемого вентиля происходит подключение накопительного конденсатора параллельно заряженному конденсатору фильтра источника питания. При пуске двигателя, когда накопительный конденсатор полностью разряжен, или при работе двигателя на малой мощности, когда его напряжение ниже напряжения конденсатора фильтра источника питания, возникает большой электрический ток, протекающий через дополнительный управляемый вентиль. Данный ток может вывести вентиль из строя, что, в свою очередь, снижает надежность работы двигателя.
Технический результат изобретения заключается в повышении надежности работы электрического двигателя.
Технический результат достигается тем, что в электрическом двигателе, содержащем магнитопровод первичной части с полюсами и обмоткой, магнитопровод вторичной части с полюсами, датчик положения смещения полюсов вторичной части относительно полюсов первичной части, датчик нейтрального положения полюсов, датчик промежуточного положения полюсов, источник постоянного тока, выходами которого являются выводы конденсатора сглаживающего фильтра, выпрямительный мост, два противоположных плеча которого образованы управляемыми вентилями, а два других плеча - неуправляемыми вентилями, причем выходы постоянного тока соединены с выводами обмотки, а один вход переменного тока, образованный выводом управляемого вентиля, соединен с первым выводом противоположной полярности дополнительного управляемого вентиля, второй вывод источника постоянного тока соединен с выходом той же полярности источника постоянного тока, другой выход которого соединен с другим входом переменного тока выпрямительного моста, кроме того, один вход переменного тока выпрямительного моста соединен с одним из выводов накопительного конденсатора, при этом первые входы управления управляемых вентилей соединены с выходом датчика положения смещения полюсов, второй вход управления дополнительного управляемого вентиля соединен с выходом датчика промежуточного положения, а вторые входы управления управляемых вентилей выпрямительного моста соединены с выходом датчика нейтрального положения, другой вывод накопительного конденсатора соединен с первым выводом дополнительного неуправляемого вентиля, второй вывод которого соединен с другим выходом переменного тока выпрямительного моста полярностью, противоположной полярности вывода управляемого вентиля, образующего этот выход, кроме того, выводы дополнительного неуправляемого вентиля соединены с выводами противоположной полярности второго дополнительного управляемого вентиля, при этом его вход управления соединен с выходом датчика нейтрального положения.
Дополнительно, в ветвь второго дополнительного управляемого вентиля включен датчик электрического тока, выход которого соединен со вторым входом управления второго дополнительного управляемого вентиля.
Сущность технического решения поясняется следующим.
Для питания такого электрического двигателя используется известный источник питания постоянного тока, содержащий фильтр с конденсатором, выводы которого являются выходами источника питания [3, с.229-230]. Благодаря тому что в цепь конденсаторов включен диод, исключается зарядка накопительного конденсатора от конденсатора фильтра и, таким образом, устраняется протекание большого электрического тока через дополнительный управляемый вентиль в начале пуска двигателя или при работы двигателя на малой мощности, когда оставшаяся магнитная энергия в нейтральном положении вторичной части магнитной системы небольшая, и накопительный конденсатор заряжается до напряжения ниже напряжения конденсатора фильтра источника питания. Для обеспечения протекания тока во время преобразования оставшейся магнитной энергии в нейтральном положении вторичной части магнитной системы в электрическую энергию накопительного конденсатора параллельно неуправляемому вентилю встречно подключен второй дополнительный управляемый вентиль, который открывается при достижении вторичной частью нейтрального положения. Таким образом, повышается надежность работы дополнительного управляемого вентиля и надежность работы двигателя в целом и обеспечивается отвод оставшейся магнитной энергии и использование ее в последующем цикле работы двигателя.
Та же задача решается подключением датчика тока в ветвь второго дополнительного управляемого вентиля, который закрывается по сигналу этого датчика после прекращения протекания тока.
Указанные особенности изобретения представляют его отличия от прототипа и обуславливают новизну предложения. Эти отличия являются существенными, поскольку именно они обеспечивают достижение технического результата и отсутствуют в известных технических решениях.
На фиг.1 приведена принципиальная схема электрического двигателя; на фиг.2 - электрического двигателя с датчиком электрического тока.
Электрический двигатель содержит магнитопровод первичной части 1 с полюсами 2 и обмоткой 3 и магнитопровод вторичной части 4 с полюсами 5, разделенные немагнитным рабочим зазором 6; датчик положения смещения полюсов вторичной части относительно полюсов первичной части 7; датчик нейтрального положения полюсов первичной и вторичной чисти 8; датчик промежуточного положения полюсов 9; сигнальный элемент датчиков 10; источник питания постоянного тока 11; выпрямительный мост 12; дополнительный управляемый вентиль 13; накопительный конденсатор 14; дополнительный неуправляемый вентиль 15 и второй дополнительный управляемый вентиль 16.
Источник питания 11 выполнен известными методами и содержит трехфазный выпрямитель 17 и сглаживающий фильтр, состоящий из дросселя 18 и электрического конденсатора 19, выводы которого являются выходами источника питания 11. Два противоположных плеча выпрямительного моста 12 образованы управляемыми вентилями 20 и 21, а два других - неуправляемыми вентилями 22 и 23. К выходам постоянного тока подключены выводы обмотки 3. К входу переменного тока, совпадающего с анодом управляемого вентиля 20, подключен катод дополнительного управляемого вентиля 13, анод которого соединен с положительным выводом источника постоянного тока 11. Другой вход переменного тока, совпадающий с катодом управляемого вентиля 21, соединен с отрицательным выводом источника постоянного тока 11. Дополнительный неуправляемый вентиль 15 катодом соединен с анодом управляемого вентиля 20 выпрямительного моста 12, а анодом с выводом накопительного конденсатора 14, другой вывод которого соединен с катодом управляемого вентиля 21 выпрямительного моста 12. Второй дополнительный управляемый вентиль 16 анодом соединен с катодом, а катодом с анодом дополнительного неуправляемого вентиля 15. Первые входы управления управляемых вентилей 13, 20 и 21 соединены с выходом датчика положения смещения полюсов 7. Второй вход управления дополнительного управляемого вентиля 13 соединен с выходом датчика промежуточного положения 9, а вторые входы управления управляемых вентилей 20, 21 и вход управления второго дополнительного управляемого вентиля 16 соединены с выходом датчика нейтрального положения 8. Сигнальный элемент 10 обеспечивают создание сигналов на выходе датчиков положения 7, 8 и 9, когда при движении вторичной части 4 он располагается напротив этих датчиков положения.
Кроме того, в ветвь второго дополнительного управляемого вентиля 16 может быть включен датчик электрического тока 24, выход которого соединен со вторым управляемым входом второго дополнительного управляемого вентиля 16.
Для повышения быстроты передачи оставшейся магнитной энергии в электрическую энергию накопительного конденсатора 14 его емкость должна быть достаточно малой по сравнению с емкостью конденсатора фильтра 19 источника постоянного тока 11.
Управляемые ключи с двумя входами управления могут быть выполнены известными методами. Например, с помощью основного и дополнительного тиристоров, соединенных через коммутирующий конденсатор. В таком ключе вход управления основного тиристора является первым входом управления управляемого вентиля, вход управления дополнительного тиристора является вторым входом управления управляемого вентиля. Управляемые вентили с двумя входами управления могут быть выполнены также на основе транзисторов, работающих в ключевом режиме, например включаемых по схеме с общим эмиттером. При подаче управляющего сигнала на первый вход такого управляемого вентиля на базу транзистора подается управляющий электрический ток, который открывает транзистор, при подаче управляющего сигнала на второй вход управления управляемого вентиля ток с базы снимается и транзистор закрывается. Управляемым вентилем с одним входом управления может являться тиристор, который открывается при подаче импульса напряжения на управляющий электрод и закрывается самопроизвольно при снижении электрического тока до нуля.
Электрический двигатель работает следующим образом.
В положении вторичной части 4, в котором полюса 5 магнитопровода вторичной части 4 смещены относительно полюсов 2 магнитопровода первичной части 1 и магнитное сопротивление между этими полюсами повышенное, от датчика положения смещения полюсов 7 подается сигнал на первые входы управления управляемых вентилей 13, 20 и 21, которые открываются, и обмотка 3 подключается к источнику постоянного тока 11. Одновременно к обмотке 3 через неуправляемый вентиль 15 подсоединяется накопительный конденсатор 14. Накопительный конденсатор 14 может быть полностью разряжен в начале пуска двигателя или заряжен до напряжения ниже напряжения конденсатора фильтра 19 источника постоянного тока 11. В этом случае дополнительный неуправляемый вентиль 15 и второй дополнительный управляемый вентиль 16, находящийся в закрытом состоянии, препятствуют зарядке накопительного конденсатора 14 от конденсатора фильтра 19 источника питания 11 и исключается, таким образом, протекание большого тока через дополнительный управляемый вентиль 13. Если накопительный конденсатор 14 в предыдущем цикле работы двигателя был заряжен до напряжения больше, чем напряжение конденсатора фильтра 19 источника питания 11, то он через дополнительный неуправляемый вентиль 15, открытый управляемый вентиль 20 и через открытый управляемый вентиль 21 будет питать обмотку двигателя 3 и разряжаться до напряжения конденсатора фильтра 19 источника питания 11. После выравнивания напряжений на конденсаторах 14 и 19 обмотка 3 электрического двигателя через открытый дополнительный вентиль 13 и через открытые управляемые вентили 20 и 21 выпрямительного моста 12 будет питаться от источника постоянного тока 11. В результате протекания электрического тока по обмотке 3 в воздушном зазоре 6 между полюсами первичной и вторичной части 2 и 5 создается магнитное поле и накапливается магнитная энергия. При достижении некоторого промежуточного положения от датчика промежуточного положения 8 подается сигнал, который поступает на второй вход управления дополнительного управляемого вентиля 13, и он закрывается, при этом источник постоянного тока 11 отключается от обмотки, а накопительный конденсатор 14 разряжается через дополнительный неуправляемый вентиль 15 и через открытые управляемые вентили 20 и 21 выпрямительного моста 12. После этого электрический ток, наводимый обмоткой 3, замыкается накоротко через неуправляемый вентиль 22 и открытый управляемый вентиль 20 и через открытый управляемый вентиль 21 и неуправляемый вентиль 23. Во время перемещения вторичной части к нейтральному положению происходит основная часть преобразования накопленной магнитной энергии в механическую работу и кинетическую энергию вторичной части и связанных с нею подвижных масс. При достижении вторичной частью нейтрального положения, когда магнитное сопротивление между полюсами первичной и вторичной части становится минимальным, в рабочих зазорах 6 еще остается магнитное поле и, следовательно, магнитная энергия. В этом положении вторичной части от датчика нейтрального положения 8 подается сигнал на вторые входы управления управляемых вентилей 20, 21 выпрямительного моста 12 и на вход управления второго дополнительного управляемого вентиля 16. При этом управляемые вентили 20 и 21 выпрямительного моста закрываются, а второй дополнительный управляемый вентиль 16 открывается. Электрический ток, наводимый в обмотке 3, через неуправляемые вентили 22, через второй дополнительный управляемый вентиль 16 и неуправляемый вентиль 23 теперь будет заряжать накопительный конденсатор 14, т.е. будет происходить преобразование оставшейся магнитной энергии в электрическую энергию. После окончания преобразования энергии и прекращении протекания электрического тока второй управляемый вентиль 16 автоматически закроется, если в качестве второго управляемого вентиля 16 используется тиристор. И закроется по сигналу датчика тока 24 при использовании в качестве второго управляемого ключа транзистора. В результате исчезновения магнитного поля в рабочих зазорах 6 вторичная часть 4 теперь может беспрепятственно двигаться дальше или возвращаться обратно в исходное положение.
Таким образом, в электрическом двигателе благодаря включению в цепь конденсаторов дополнительного неуправляемого вентиля и второго дополнительного управляемого вентиля исключается зарядка накопительного конденсатора от конденсатора фильтра источника питания постоянного тока и протекание большого электрического тока через дополнительный управляемый вентиль. Это позволяет повысить надежность работы электрического двигателя и расширить его функциональные возможности, обеспечивая надежную работу электрического двигателя на малых скоростях и малых нагрузках.
Источники информации
1. Ряшенцев Н.П., Ряшенцев В.Н. Электромагнитный привод линейных машин. Новосибирск: Наука, 1985.
2. Патент Российской Федерации №2175808, кл. H02K 33/00, H01F 7/18, H02P 8/00. Преобразователь энергии, авторы: С.Н. Запольских, В.Т. Караваев. Заявл. 27.10.1998, опубл. 10.11.2001 Бюл. №31 (прототип).
3. Милютин, B.C. Источники питания для сварки / B.C. Милютин, М.П. Шалимов, С.М. Шанчуров. - М: Айрис-пресс, 2007. - 384 с.