Вентильный электропривод

Вентильный электропривод

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: в вентильном электроприво/.е металлорежущих станков. Сущность изобретения: вентильный электропривод содержит электромеханический преобразователь, в корпусе 1 которого размещен сердечник 7. На валу 4 установА / И -1 98 Ю П i ..i.irr i / . Л// - / -Л jt,- i adcjuQQOCQj xJtyty 5лен ротор 5 с высококоэрцитивными магнитами 6. На сердечнике 7 статора расположена обмотка якоря и обмотка подмагничивания 8. Обмотка якоря подключена к выходу преобразователя частоты. Управляющие цепи преобразователя связаны с датчиком положения ротора 18. Обмотка подмагничивания 8 подключена к блоку регулирования магнитного потока. Новым в электроприводе является соленоидальное выполнение обмотки подмагничивания 8 корпуса 1 из ферромагнитного материала, а подшипниковых щитов и вала из немагнитного материала, причем статор выполнен с одним сердечником 7. Статор может быть выполнен в виде беспазового полого цилиндра , а обмотка якоря 13 расположена на его внутренней поверхности. 1 з.п. ф-лы, 7 ил. А -1 98 Ю Ё VJ сл 00 VJ 00 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧГСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л Н 02 К 29/00

ГОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

° »

98 l0

" аиг.1

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4786716/07 (22) 26.01,90 (46) 30.08.92, Бюл. ¹ 32 (71) Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков (72) Э.Г.Королев, Н.Н. Кондратьев, Б.O,Дубо-. вецкий и И,Н.Волков (56) Высокоскоростные фрезерные шпиндели. Проспект фирмы "Гамфиор", 1983, с. 12.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1660563, 1988, (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД (57) Использование: в вентильном электроприводе металлорежущих станков, Сущность изобретения: вентильный электропривод содержит электромеханический преобразова гель, в корпусе 1 которого размещен сердечник 7. На валу 4 установ„„5U „„1758788 А1 лен ротор 5 с высококоэрцитивными магнитами 6. На сердечнике 7 статора расположена обмотка якоря и обмотка подмагничивания 8. Обмотка якоря подключена к выходу преобразователя частоты. Управляющие цепи преобразователя связаны с датчиком положения ротора 18. Обмотка подмагничивания 8 подключена к блоку регулирования магнитного потока, Новым в электроприводе является соленоидальное выполнение обмотки подмагничивания 8 корпуса 1 из ферромагнитного материала, а подшипниковых щитов и вала иэ немагнитного материала, причем статор выполнен с одним сердечником 7. Статор может быть выполнен в виде беспазового полого цилиндра, а обмотка якоря 13 расположена на его внутренней поверхности. 1 з.п. ф-лы, 7 ил, ° °

1758788

Изобретение относится к электротехнике и может быть применено в автоматизированныхх эпектроприводах металлообрабатывающих станков, где по условиям технологии обработки изделия помимо регулирования частоты вращения привода с постоянным вращающим моментом необходимо регулировать частоту вращения привода с постоянной мощностью, Известен вентильный электрапривод высокоскоростного фрезерного станка, содержащий электромеханический преобразователь (ЭМП) в виде бесконтактного вентильного двигателя постояннога тока с возбуждением or постоянных магнитов и преобразователь частоты, с помощью которого по командам системы ЧПУ станка и датчика положения ротора производится электронная коммутация и управление приводом с постоянным вращающим моментом путем изменения напряжения, подводимого к трехфазной статорной обмотке вентильного двигателя.

Недостатками такой конструкции являются невозможность регулирования частоты вращения привода с постоянной мощностью; область применения в механизмах главного движения ограничена небольшой группой станков, в которых по условиям технологии обработки изделий достаточно регулировать частоту вращения привода с постоянным вращающим моментам (например, в механизмах главного движения строгальных станков).

Известен вентильный электропривод, содержащий электромеханический преобразователь, в корпусе которого размещены статор с мэгнитопровадом, на котором расположены обмотка якоря и обмотка подмагничивания, подшипниковые щиты, в которь х установлен ротор с высококоэрцитивными постоянными магнитами, укрепленными на валу, обмотка якоря подключена к выходу преобразователя частоты, управляющие цепи которого связаны с выходом датчика положения ротора, преобразователь частоты выполнен с возможностью регулирования величины выходного напряжения, блок питания, к выходам которого подключены цепи питания преобразователя частоты и блока регулирования магнитного потока, выход которого соединен с обмоткой подмагничивания, управляющие цепи преобразователя частоты связаны с выходом тахогенератора, управляющие входы блока регулирования магнитного потока связаны с выходами тахогенератора, датчиков тока и напряжения якоря.

Магнитапровад статора ЭМП в этом приводе выполнен из двух одинаковых аксиальна смещенных частей, на спинке каж10

55 дой из которых размещена тороидальная полуобмотка подмагничивания, попуобмотки соединены последовательно-встречно и подключены к выходу блока регулирования магнитного потока, В результате изменения тока подмагничивания в указанных папуобмотках от нуля до максимально допустимого значения меняется степень насыщения спинок магнитопровада статора и уменьшается таким образом внешняя магнитная проводимость по отношению к постоянным магнитом, т,е. ослабляется магнитный поток в рабочем воздушном зазоре ЭМП.

При использовании данного вентильнаго электраприводэ в приводе главного движения металлообрабатывающего станка может быть обеспечено регулирование частоты вращения привода с постоянной мощностью путем ослабления магнитного потока вентильного двигатепя по аналогии с известным приводом главного движения с коллектарным двигателем постоянного тока с электромагнитным возбуждением.

Недостатками вентильного электропривода по прототипу являются отрицательное влияние магнитной асимметрии магнитопровода статора на процесс регулирования рабочего магнитного потока ЭМП, сравнительно узкий диапазон регулирования частоты вращения привода с постоянной мощностью и в связи с этим ограниченные функциональные возможности привода при использовании его в механизмах главного движения металлообрабатывающих станков.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей путем увеличения диапазона регулирования частоты вращения при работе с постоянной мощностьЮ привода.

Поставленная цепь достигается тем, чта в вентильнам электраприводе содержатся. электромеханический преобразователь, в корпусе которого размещены статор с магнитопроводом, на котором расположены обмотка якоря и обмотки подмагничивания, пода:ипниковые щиты, в которых установлен ротор о высококоэрцитивными постоянными магнитами, укрепленными на валу, обмотка якоря подключена к выходу преобразователя частоты, управляющие цепи которого связаны с выходом датчика положения ротора, преобразователь частоты выполнен с возможностью регулирования величины выходного напряжения, блок питания, к выходам которого подключены цепи питания преобразователя частоты и блока регулирования магнитного потока, выход которого соединен с обмоткой подмагничивания, управляющие цепи преобра1758788 зователя частоты связаны с выходом тахагенератора, управляющие входы блока регулирования магнитного патака связаны с выходами тахогенератара, датчиков тока и напряжения якоря; статар выполнен с одним магнитоправадам, на внешней поверхности которого размещена выполненная соленаидальнай обмотка падмагничивания, корпус выполнен из ферромагнитного материала, а падшипникавые щиты и взл выполнены из немагнитнаго мзтериала.

Конструк инно магнитапроводящий корпус и спинка магнитаправада статорз

ЭМП выполнены таким образам, чтобы в процессе падмзгничивзния спинки корпус оставался ненасыщенным, Для cíinæåèinÿ Mащнасти, необходимой для регулирования рабочего магнитного патока ЭМП, упрощения ега конструкции и технологии изготовления мзгнитаправадз статара, име агций flo прототипу пазы для размещения обмотки якоря, vO>KBT быть Bbiполнена из порошкового мзгнитамягкага изотропнага материала, например, из кобальтового сплава марки 49К2ФА.

Из того же материала мзгнитаправад статара ЭМП может быть выполнен в виде беспазавага полого цилиндра, нз наружной поверхности которого размещена обмотка падмагничивз:;:ия, з обмотка якоря размещена на ега "íóòðåííåé поверхности. При такай;анструктив (QA компановке могут быть дополнительно расширены функциональные вазмо>кнасти путем увеличения диапазона регулирован.,я чзстагы вращения при работе с постоянной мощностью вентильнаго электропривадз за счет исключения рассеивания магнитного потока постоянных магнитов через мзгнитопровадящие зубцы мзгнитапрсвадз статора в процессе падмзгничивзния ега спинки.

Для исключени> электрических потерь в обмотке падмагничивзния 0Н3 мажет быть изготовлена из высокотемпературного сверхпроводящего материала.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый вентильный электрапривад отличается наличием в электромеханическом преобразователе соленоидальной системы падмзгничивания, в которой обмотка падмзгничивзния, соединенная с блоком регулирования магнитного потока, намотана нз наружную поверхность одного магнитоправадз статарз, минуя пазы, в которых размещены обмотка якоря; магнитопровод, выполняемый в двух возможных вариантах (с пазами и без пазов из магнитомягкого изатропного материала), установлен в магнитаправадящем корпусе; корпус и спинка мзгнитаправадг па атнашению к обмотке подмагничивания представляют собой замкнутую магнитную цепь.

Кроме тога вал с опорами, на котором установлен ротор с высокакаэрцитивными посто5 янными магнитами, выполнен немагнитным и размещен в мзгнитопроводящем корпусе посредством подшипниковых щитов, изготовленных из немагнитного материала. Обмотка падмзгничивания может изготавливаться как

10 из обычного проводникового материала, так и из высокотемпературного свехпроводящего материала, На фиг, 1 показан разрез привода металлообрабатывающего станка с пазовым

15 магнитоправодом статора электромеханического преобразователя (вентильного электродвигателя); на фиг. 2 — разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 — блок-схема привода металлообрабатывающего станка; на фиг, 4—

20 график зависимостей момента привода

M=f(n) и мощности привода Р=11(п) во всем диапазоне регулирования частоты вращения привода и; на фиг. 5 — графики зависимостей (в относительных единицах)

25 магнитной индукции в спинке магнитопровода статара а1 — " = (!.), Ба1н

30 магнитной проницаемости спинки магнитопровода статора

35 /4а1н

f1(l Il) т магнитного сопротивления спинки магнитопровода стзтора рабочего магнитного потока вентильнога электродвигателя

45 р — = 13(1 и):

Ф— электромагнитного момента вентильного

50 электродвигателя

МЗМ М = 4(л) |

55 Р мощности привода — = f5(lg)

Ря во всем диапазоне регулирования тока 1л в обмотке подмагничивания спинки магнитопровода статара вентильного электродвига1758788

40 быть установлен патрон 14, а на противопо- 50 ложном — зажимное устройство 15. У задней опоры вала 4 расположены бесконтактный тахогенератор 16, подключенный к полупроводниковому преобразователю частоты 17 (фиг, 3), и датчик положения ротора

18 (фиг. 1), подключенный к преобразователю 17 через систему ЧПУ il9 станка.

Преобразователь 17 (фиг. 3) включает блок 20 питания, блок 21 регулирования напряжения, подключенный к трехфазной обтеля, а частоты вращения двигателя в диапазоНЕ ОТ Пн ДО Пмакс HB фИГ. 6 — ЭдВИСИМОСТЬ магнитной индукции от напряженности магнитного поля при размагничивании постоянного магнита ротора вентильного электродвигателя; на фиг. 7 — схема замещения магнитной цепи вентильного электродвигателя с постоянными магнитами на роторе.

Вентильный электропривод металлообрабатывающего станка рассматривается на примере привода токарного станка с моторшпинделем. Привод (фиг. 1) содержит магнитопроводящий корпус 1, в котором посредством немагнитных подшипниковых щитов 2 на керамических шариковых опорах

3 установлен немагнитный вал 4, являющийся шпинделем станка, Непосредственно на валу 4 жестко закреплен цилиндрический ротор 5 с радиально намагниченными высококоэрцитивными постоянными магнитами

6, В корпусе 1 установлен пазовый сердечник 7 магнитопровода статора, изготовленный из шихтованного магнитомягкого изотропного материала с минимально возможными немагнитными зазорами между пластинами, либо из порошкового магнитомягкого изотропного материала, например, из кобальтового сплава марки 49К2ФА, На наружную поверхность магнитопровода 7 равномерно и соленоидально намотана обмотка подмагничивания 8 для осуществления подмагничивания спинки 9 магнитопровода статора. Обмотка подмагничивания 8 электрически изолирована от магнитопровода 7 с помощью изоляционной прокладки 10 и выполнена для улучшения теплопередачи к корпусу 1 в виде монолитной обмотки, например, путем заполнения полости между корпусом 1 и обмоткой подмагничивания 8 компаундом 11 на основе эпоксидной смолы и наполнителя, Облада ю щего ловы шен ной теплоп роводностью, В пазах 12 (фиг. 2) магнитопровода 7 размещена трехфазная распределенная обмотка якоря 13, выводные провода от которой совместно с выводными проводами обмотки подмагничивания выведены в клеммную коробку (не показано).

На рабочем конце вала 4 (фиг. 1) может

30 мотке якоря 13 вентильного электродвигателя 22, и блок 23 регулирования рабочего магнитного потока, подключенный к обмотке подмагничивания 8 и связанный обратной связью по току 24 и по напряжению 25 с обмоткой якоря 13.

Привод работает следующим образом.

Обрабатываемую деталь (не показана) устанавливают в патрон 14 и закрепляют в нем зажимным устройством 15, По командам, поступающим от системы ЧПУ 19 станка и датчика положения ротора 18 в блок 21 регулирования напряжения, осуществляют электронно-коммутируемый запуск вентильного электродвигателя 22 до требуемой частоты вращения, В нижней части диапазона (зона регулирования !) до номинальной частоты вращения пн (фиг. 4) осуществляют черновую обработку детали с постоянным вращающим моментом М. При этом частоту вращения вент льного электропривода, как и в приводе с коллекторным электродвигателем постоянного тока обращенной конструкции, возбуждаемую постоянными магнитами, регулируют от 0 до пн путем изменения напряжения, подводимого к обмотке якоря 13 от блока 21 регулирования напряжения по командам системы ЧПУ 19 станка.

В верхней части диапазона (эона регулирования !!) от пн до пмакс, осуществляют чистовую обработку детали с постоянной мощностью Р. Для этого, начиная с частоты вращения пн, по команде, поступающей от системы ЧПУ 19 станка, вводят в работу канал управления магнитным потоком, в состав которого входят блок 23, обмотка подмагничиван>ля 8 и обратные свяэл 24, 25.

Этот канал по своей структуре и функциям аналогичен каналу управления магнитным потоком, входящему в состав полупроводникового преобразователя привода главного движения с коллекторным электродвигателем постоянного тока с независимым электромагнлтным возбуждением.

При изменении тока подмагничивания ! от нуля до максимального рабочего значения !лмакс (фиг, 5) под воздействием магнитного поля с напряженностью H (фиг, 2) происходит поднасыщение спинки магнитопровода статОра вентильного электродвигателя, в результате чего изменяется его магнитное состояние и рабочая точка на кривой намагничивания магнитомягкого материала спинки перемещается иэ положения A (Ва1 = Ва1н) в положение Б (Ва1

=Ва1макс), ПрИ ЭТОМ flG ЗаКОНу, 5ЛИЗКОМу К. гиперболическому, изменяется магнитная

ПрОНИцаЕМОСтЬ СпИнки фа> >>Т максималь1758788

10 фа1макс.

Pa1 =.р — + — - (фиг,5), 50 его можно представить следующим образом аналитически и графически на схеме замещения (фиг. 5 и 7б):

Ra1

1а1

Ро /"а1 Ва1

1а1

11

+ а 1п

>> > а1ма ы> ного значения до минимального и увеличивается по закону, близкому к прямолинейному, магнитное сопротивление спинки магнитопровода статора R,1 от минимального значения до максимального. 5

С изменением сопротивления Ra1 изменяется магнитное состояние каждого постоянного магнита 6 (фиг. 2) ротора электродвигателя, в результате чего рабочая точка Во (фиг. 6) перемещается по прямоли- 10 нейной характеристике размагничивания высококоэрцитивного магнита из положения Вм в Вм мин

Для выяснения закономерности изменения рабочего магнитного потока двигате- 15 ля Фб (фиг. 2) между крайними его значениями Фьн (In = О) и Фь мин(1п = 1пмакс) (фиг. 5) на фиг. 7 представлена схема замещения магнитной цепи электродвигателя в пределах пары полюсов, в которой с целью 20 упрощения анализа не учитывается магнитный поток рассеяния, т,е. принято, что магнитный поток Фм (не показан), проходящий через нейтральное сечение постоянного магнита 6, равен рабочему магнитному по- 25 току Фь.

В состав схемы замещения магнитной цепи (фиг. 7а), замкнутый контур которой на фиг, 2 изображен пунктиром, входят магнитодвижущая сила двух постоянных магни- 30 тов, Ем, магнитное сопротивление двух постоянных магнитов, RM, магнитное сопротивление зубцов магн>лтопровода статора, Rz1; МаГНИтНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ДВУХ РабОЧИХ воздушных зазоров, Re; магнитное сопро- 35 тивление спинки магнитопровода статора, R,1; магнитное сопротивление спинки магНИтОПРОВОДа РатОРа, Ва2.

В процессе изменения тока подмагничивания ln от нуля до максимального эначе- 40 ниЯ Iпмакс. сопРотивлениЯ RM, Rz, Re и Ra2 практически не изменяются. Что касается сопротивления R», то, исходя из гиперболической зависимости магнитной проницаемости спинки статора,иа1 от тока 45 подмагничивания 1и, а именно пост+1 перем. а1 а1 где pn — магнитная постоянная;

Ia1 — дЛИНа уЧаСтКа СПИНКИ МаГНИтОПрОвода по средней линии в пределах полюсного деления статора;

Яа1 — ПОПЕРЕЧНОЕ СЕЧЕНИЕ СПИНКИ МаГНИтопровода статора.

Исходя иэ преобразованной схемы замещения (фиг. 7б), получается следующая гиперболическая зависимость рабочего магнитного потока Фб от тока подмагничиванин 1и (фиг. 5):

1=м

1 1 + 2 1п

Гдв ПОСтОя ННая ВЕЛИЧИНа К1 = Ям + Re + R» +

+1 +1 пост. постоянная величина

1а1

С момента подключения к работе блока

23 (фиг, 3) в зоне регулирования 11 (фиг. 4) подводимое к обмотке якоря 13 (фиг. 2) напряжение от блока 21 поддерживается постоянным по величине, В результате как и в случае управления по полю коллекторного электродвигателя постоянного тока с независимым электромагнитным возбуждением, электромагнитный момент Мам (фиг. 5) изменяется по тому же закону, что и рабочий магнитный поток электродвигателя 46, а потребляемая электродвигателем со стороны полупроводникового преобразователя 17 мощность Р (фиг, 5) остается постоянной по величине во всей зоне регулирования 11 (фиг. 4) частоты вращения привода.

При уменьшении тока In от максимального значения 1пмакс. до нуля рабочая точка

Во (фиг. 6) по линии возврата магнита, совпадающей с его прямолинейной характеристикой размагничивания, перемещается из положения Вм vw в положение Вмн, в ре зультате чего параметры Ва1,,и», на1, Фб, Мам и и приобретают первоначальные значения при частоте вращения привода равной пн (фиг, 4).

При торможении привода его вентильный электродвигатель совместно с управляемым по командам датчика положения ротора 18 блоком 21 и блоком 23 иэ двигательного режима переходит B режим бесконтактного генератора постоянного тока с управляемым возбуждением, С помощью блока 23 по командам системы ЧПУ 19 осу1758188

12 ществляется управление процессом торможения привода вплоть до его полного останова.

Благодаря наличию в приводе канала управления рабочим магнитным потоком злектромеханичес кого преобразователя с соленоидальной системой подмагничивания спинки магнитопровода статора полностью исключается магнитная асимметрия магнитопровода и ее отрицательное влияние на процесс регулирования рабочего магнитного потока и как следствие существенно расширяются диапазон регулирования частоты вращения с постоянной мощностью и функциональные возможности привода.

Применение предлагаемого вентильного злектропривода позволит использовать бесконтактный вентильный электродвигатель постоянного тока не только в механизмах подачи, где регулирование частоты вращения привода осуществляется с постоянным моментом, но и в механизмах главного движения автоматизированных станков, например, работающих в условиях автоматизированных заводов, в которых по условиям технологии обработки изделий помимо регулирования частоты вращения привода с постоянным моментом необходимо регулировать частоту вращения привода с постоянной мощностью (зона регулирования IE, фиг. 4).

За счет исключения из злектромеханического преобразователя щеточно-коллекторного узла существенно повышается надежность работы привода главного движения в условиях АЗ, Формула изобретения

1. Вентильный электропривод, содержащий электромеханический преобразователь, в корпусе которого размещены статор с ма гнитоп роводом, на котором рас положены обмотка якоря и обмотка подмагничивания, подшипниковые щиты. в которых

5 установлен ротор с высококоэрцитивными постоянными магнитами, укрепленными на валу, обмотка якоря подключена к выходу преобразователя частоты, управляющие цепи которого связаны с выходом датчика по10 ложения ротора; преобразователь частоты выполнен с воэможностью регулирования величины выходного напряжения, блок питания, к выходам которого подключены цепи питания преобразователя частоты и

15 блока регулирования магнитного потока, выход которого соединен с обмоткой подмагничивания, управляющие цепи преобразователя частоты связаны с выходом тахогенератора, управляющие входы блока

2О регулирования магнитного потока связаны с выходами тахогенератора, датчиков тока и напряже MRякоря,отличающийcя тем, что, с цел ю расширения области применения путем увеличения диапазона регулиро25 вания частоты вращения при работе с постоянной мощностью привода, статор выполнен с одним магнитопроводом, на внешней поверхности которого размещена выполненная соленоидальной обмотка подРО магничивания, корпус выполнен иэ ферромагнитного материала, а подшипниковые

:::. иты и вал выполнены из немагнитного материала.

2, Электропривод по п. 1, о т л и ч а ю35 шийся тем, что магнитопровод статора выполнен в виде бесгазового полого цилиндра, а обмотка якоря размещена на его внутренней поверхности.

1758788

А-А

Ра JIB

1н

Perte

Р/Рп И/Ин

Рщг ла„

1758788

1758788

-Hc

Фиг,8

ПОСТ перен.

Составитель Э,Королев

Техред М.Моргентал Корректор Л.Лукач

Редактор И.Кэсарда

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3008 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5