RU2153218C1

RU2153218C1 - Three-phase reluctance inductor motor with low torque fluctuations

Info

Publication number: RU2153218C1
Application number: RU99100546A
Authority: RU
Inventors: С.А. Пахомин; Л.Ф. Коломейцев; У.М. Сулейманов; И.А. Прокопец; Д.В. Крайнов; Д.А. Звездунов; В.Л. Коломейцев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Эметрон"
Priority date: 1999-01-06
Filing date: 1999-01-06
Publication date: 2000-07-20

Abstract

FIELD: servo drives. SUBSTANCE: motor has non-wound rotor 1 with teeth 2 and stator incorporating magnetic core 3 with teeth 4 carrying coils 5. Stator teeth are arranged so that three- phase magnetic system is organized. Proposed geometry of teeth arrangement meant to reduce torque fluctuations at low motor speeds and 18-deg. power supply to its windings is as follows: crown width of stator teeth over air gap b_z1 = (0,3...0,36)t₂, that of rotor b_z2 = (0,39...0,45)t₂, where t₂ is rotor tooth pitch. Magnetic system of motor is arranged so that rotor teeth are skewed relative to stator teeth through β = (0,05-0,25)t₂. EFFECT: reduced torque fluctuations. 4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к электрическим машинам и может быть использовано для сервопривода при повышенных требованиях к уровню пульсаций вращающего момента. The invention relates to electric machines and can be used for a servo drive with increased requirements for the level of ripple torque.

Известен трехфазный реактивный индукторный двигатель с пониженными пульсациями момента, содержащий зубчатый ротор без обмоток, статор с полюсами и расположенными на них обмотками. Для снижения пульсаций момента геометрия зубцового слоя выполнена такой, что отношение ширины коронки зубца ротора к ширине паза ротора по воздушному зазору находится в пределах (0,75... 0,9), то есть ширина коронки зубца ротора находится в пределах

где t₂ - зубцовый шаг по ротору.Known three-phase jet induction motor with reduced ripple torque, containing a gear rotor without windings, a stator with poles and windings located on them. To reduce the pulsations of the moment, the geometry of the tooth layer is such that the ratio of the width of the crown of the tooth of the rotor to the width of the groove of the rotor in the air gap is within (0.75 ... 0.9), that is, the width of the crown of the tooth of the rotor is within

where t ₂ - tooth step along the rotor.

Ширина коронок зубцов статора выполняется равной ширине коронок роторных зубцов. Для обеспечения линейной связи момента и тока обмотки, а также для уменьшения влияния насыщения зубцов на уровень пульсаций момента в широком диапазоне изменения тока ширина основания зубцов выполняется больше ширины коронок зубцов. Для обеспечения малых пульсаций момента предлагается алгоритм питания обмоток, при котором каждая фаза оказывается запитанной током только в пределах 1/3 периода. В этом случае при отключении от источника питания фазной обмотки одновременно производится подключение следующей обмотки. Таким образом, в любой момент времени запитанной током может быть только одна из фазных обмоток. Это исключает режим работы, в котором одновременно возбуждены две фазы и момент на валу кратковременно практически удваивается. (Патент США N 4647802, H 02 K 37/00). The width of the crowns of the stator teeth is equal to the width of the crowns of the rotor teeth. To ensure a linear relationship between the moment and current of the winding, as well as to reduce the influence of tooth saturation on the level of ripple in a wide range of current changes, the width of the base of the teeth is greater than the width of the crowns of the teeth. To ensure small ripple of the moment, a winding power algorithm is proposed, in which each phase is supplied with current only within 1/3 of the period. In this case, when disconnecting the phase winding from the power source, the next winding is connected at the same time. Thus, at any moment of time, only one of the phase windings can be supplied with current. This eliminates the operating mode in which two phases are simultaneously excited and the moment on the shaft is practically doubled for a short time. (U.S. Patent No. 4,647,802, H 02 K 37/00).

Недостатком такого технического решения является относительно высокий уровень пульсаций момента, а также чувствительность величины пульсаций момента к крутизне нарастающего и спадающего фронтов токов в фазных обмотках. Поэтому область применения этого технического решения ограничена и находится в зоне пусковых частот вращения. The disadvantage of this technical solution is the relatively high level of ripple of the moment, as well as the sensitivity of the magnitude of the ripple of the moment to the steepness of the rising and falling edges of the currents in the phase windings. Therefore, the scope of this technical solution is limited and is in the area of starting speeds.

Известен высокоскоростной трехфазный реактивный индукторный двигатель с низкими пульсациями момента, используемый в качестве серводвигателя. Двигатель содержит зубчатый ротор без обмоток, статор с зубчатыми полюсами, на которых размещены обмотки. Для уменьшения пульсаций момента отношение ширины коронки зубцов к ширине паза ротора предлагается выдерживать в диапазоне (0,7... 0,9), то есть ширина коронки зубца ротора находится в пределах

Ширина коронок зубцов статора выполняется равной ширине коронок зубцов ротора. При этом в качестве наиболее предпочтительного соотношения предлагается 0,78, то есть ширина коронки зубцов ротора (статора) - 0,44t₂. Алгоритм питания обмоток предполагает подачу импульса тока в фазные обмотки в пределах 1/2 периода. В этом случае появляются интервалы времени, когда током запитаны две фазы. Это позволяет обеспечить уровень пульсаций момента на уровне 20%. (Патент США N 4947066, H 02 K 37/04).Known high-speed three-phase jet induction motor with low ripple torque, used as a servomotor. The motor contains a gear rotor without windings, a stator with gear poles, on which the windings are placed. To reduce the pulsations of the moment, the ratio of the width of the crown of the teeth to the width of the groove of the rotor is proposed to be kept in the range (0.7 ... 0.9), that is, the width of the crown of the tooth of the rotor is within

The width of the crowns of the teeth of the stator is equal to the width of the crowns of the teeth of the rotor. Moreover, 0.78 is proposed as the most preferred ratio, i.e., the width of the crown of the teeth of the rotor (stator) is 0.44t ₂ . The winding power algorithm assumes the supply of a current pulse to the phase windings within 1/2 period. In this case, time intervals appear when two phases are energized. This allows you to provide a level of ripple torque at the level of 20%. (U.S. Patent No. 4947066, H 02 K 37/04).

Недостатком данного технического решения также является относительно высокий уровень пульсаций момента. The disadvantage of this technical solution is also the relatively high level of ripple torque.

Предлагаемое изобретение направлено на изменение конфигурации зубцового слоя двигателя и за счет этого на снижение пульсаций момента на валу двигателя. The present invention is aimed at changing the configuration of the tooth layer of the engine and, thereby, to reduce ripple moment on the motor shaft.

Решение указанной задачи обеспечивается конструкцией трехфазного реактивного индукторного двигателя, содержащего зубчатый статор с обмоткой и зубчатый безобмоточный ротор, в котором ширина коронки зубцов статора по воздушному зазору b_z1= (0,3...0,36)t₂, ротора - b_z2= (0,39...0,45)t₂. Кроме того, магнитная система двигателя выполняется со взаимным скосом зубцов ротора относительно зубцов статора на величину (0,05...0,25)t₂.The solution to this problem is provided by the design of a three-phase jet induction motor containing a gear stator with a winding and a gearless winding rotor, in which the width of the crown of the stator teeth in the air gap b _z1 = (0.3 ... 0.36) t ₂ , the rotor - b _z2 = (0.39 ... 0.45) t ₂ . In addition, the magnetic system of the engine is performed with a mutual beveling of the teeth of the rotor relative to the teeth of the stator by a value of (0.05 ... 0.25) t ₂ .

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером выполнения со ссылкой на чертежи, на которых показаны:
- Фиг. 1 - поперечное сечение трехфазного реактивного индукторного двигателя;
- Фиг. 2 - фрагмент зубцовой зоны двигателя;
- Фиг. 3 - продольный вид ротора со скосом зубцов;
- Фиг. 4 - диаграмма фазных токов и сигналов датчиков положения в области малых частот вращения;
- Фиг. 5 - результирующий момент двигателя и его фазные составляющие в зависимости от углового положения ротора.The invention is further illustrated by a specific exemplary embodiment with reference to the drawings, in which are shown:
- FIG. 1 is a cross section of a three-phase jet induction motor;
- FIG. 2 - a fragment of the tooth zone of the engine;
- FIG. 3 is a longitudinal view of a rotor with bevel teeth;
- FIG. 4 is a diagram of phase currents and signals of position sensors in the region of low rotational speeds;
- FIG. 5 - the resulting moment of the engine and its phase components, depending on the angular position of the rotor.

Трехфазный реактивный индукторный двигатель с малыми пульсациями момента, показанный на Фиг. 1, содержит безобмоточный ротор 1 с зубцами 2. Статор двигателя содержит магнитопровод 3 с зубцами 4, охваченными катушками 5. Зубцы статора размещены так, что образуется трехфазная магнитная система. Ширина коронки зубцов статора (Фиг. 2) по воздушному зазору b_z1= (0,3... 0,36)t₂, ротора - b_z2= (0,39...0,45)t₂. Магнитная система двигателя выполнена со взаимным скосом зубцов ротора относительно зубцов статора на величину β = (0,05...0,25)t₂, причем скос выполнен на роторе (Фиг. 3).The low-ripple three-phase jet induction motor shown in FIG. 1, contains a windingless rotor 1 with teeth 2. The stator of the motor contains a magnetic circuit 3 with teeth 4 covered by coils 5. The teeth of the stator are placed so that a three-phase magnetic system is formed. The width of the crown of the stator teeth (Fig. 2) in the air gap b _z1 = (0.3 ... 0.36) t ₂ , the rotor - b _z2 = (0.39 ... 0.45) t ₂ . The magnetic system of the engine is made with mutual beveling of the teeth of the rotor relative to the teeth of the stator by β = (0.05 ... 0.25) t ₂ , and the bevel is made on the rotor (Fig. 3).

Для снижения акустического шума магнитную систему двигателя предлагается выполнять с числом зубцов на статоре -12, на роторе - 8. To reduce acoustic noise, the magnetic system of the engine is proposed to be performed with the number of teeth on the stator -12, on the rotor - 8.

В области малых частот вращения ток фазных обмоток имеет достаточно крутые фронты. Фазные сигналы датчика положения ротора d-A, d-B, d-C и соответствующие фазные токи I_A, I_B, I_C показаны на Фиг.4. В этом режиме указанные соотношения геометрии коронок зубцов двигателя позволяют обеспечить такую форму момента от одной фазы M_A (см. Фиг. 5), что сумма моментов от трех фаз дает результирующий момент M_R с достаточно низким уровнем пульсаций. Питание обмоток двигателя осуществляется в течение 1/2 периода (Фиг. 4), причем ток I_A подается в обмотку фазы A при положении зубцов ротора по отношению к зубцам данной фазы - "зубец-паз" и протекает в обмотке до тех пор, пока ротор не займет положение - "зубец-зубец". Таким образом, в процессе питания обмоток образуются интервалы времени, в течение которых ток одновременно протекает в двух фазных обмотках.In the region of low rotation frequencies, the current of the phase windings has rather steep fronts. The phase signals of the rotor position sensor dA, dB, dC and the corresponding phase currents I _A , I _B , I _C are shown in Figure 4. In this mode, the indicated correlations of the geometry of the crowns of the teeth of the engine make it possible to ensure such a shape of the moment from one phase M _A (see Fig. 5) that the sum of the moments from three phases gives the resulting moment M _R with a sufficiently low level of pulsations. The power of the motor windings is carried out for 1/2 period (Fig. 4), and the current I _A is supplied to the phase A winding with the position of the teeth of the rotor relative to the teeth of this phase - "tooth-groove" and flows in the winding until the rotor does not take a position - "tooth-tooth". Thus, in the process of supplying the windings, time intervals are formed during which the current flows simultaneously in the two phase windings.

Кроме того, данная геометрия зубцового слоя с разной шириной коронок зубцов статора и ротора обеспечивает относительно пологий характер поведения фазного момента (см. Фиг. 5), например, M_A, как в области "зубец-паз", так и в области "зубец-зубец". В этом случае двигатель оказывается менее чувствительным по пульсациям момента как к точности первоначальной установки датчика положения ротора, так и к форме нарастающего и спадающего фронтов фазных токов. Это способствует расширению диапазона работы двигателя по частоте вращения с малыми пульсациями момента.In addition, this geometry of the tooth layer with different widths of the crowns of the teeth of the stator and rotor provides a relatively gentle behavior of the phase moment (see Fig. 5), for example, M _A , both in the tooth-groove and in the tooth -tooth". In this case, the motor turns out to be less sensitive by the pulsations of the moment both to the accuracy of the initial installation of the rotor position sensor and to the shape of the rising and falling edges of the phase currents. This helps to expand the range of the engine in terms of speed with small ripple torque.

Выполнение скоса зубцов в двигателе также способствует уменьшению пульсаций момента. Особенно это проявляется в конструкции двигателя с низким уровнем акустического шума с числом зубцов на статоре - 12, на роторе - 8, в котором на форме момента сильно сказывается насыщение вытянутых зубцов статора (см. Фиг. 1). Скос зубцов может быть выполнен как на роторе, так и на статоре. Для расширения диапазона магнитных нагрузок при сохранении низкого уровня пульсаций момента основание зубцов статора выбирается больше коронки соответствующих зубцов на величину (0,05...0,2)t₂ (см. Фиг.2).Performing a bevel of the teeth in the engine also helps to reduce the pulsations of the moment. This is especially evident in the design of the engine with a low level of acoustic noise with the number of teeth on the stator - 12, on the rotor - 8, in which the shape of the moment is greatly affected by the saturation of the elongated stator teeth (see Fig. 1). The bevel of the teeth can be performed both on the rotor and on the stator. To expand the range of magnetic loads while maintaining a low level of ripple of the moment, the base of the stator teeth is selected more than the crown of the corresponding teeth by a value of (0.05 ... 0.2) t ₂ (see Figure 2).

Таким образов, положительный эффект предлагаемого изобретения состоит в снижении пульсаций момента и достигается за счет применения предлагаемой геометрии зубцового слоя и скоса зубцов. Thus, the positive effect of the invention is to reduce the ripple of the moment and is achieved through the use of the proposed geometry of the denticular layer and the bevel of the teeth.

Claims

1. Three-phase jet induction motor with small ripple torque, containing a gear stator with a winding and a gearless winding rotor, characterized in that the width of the crown of the stator teeth in the air gap b _z1 = (0.3 ... 0.36) t _{2 of the} rotor b _z2 = (0.39 ... 0.45) t ₂ , where t ₂ is the tooth pitch along the rotor.

2. A three-phase jet induction motor with small pulsations of the moment according to claim 1, characterized in that the magnetic system of the motor is made with mutual beveling of the teeth of the rotor and stator by β = (0.05 ... 0.25) t ₂ .

3. A three-phase jet induction motor with small ripples of torque according to claim 1 or 2, characterized in that the number of teeth on the stator is 12, on the rotor is 8.

4. A three-phase jet induction motor with small pulsations of the moment according to claim 1, 2, or 3, characterized in that the stator tooth bases are made more than the crowns of the corresponding teeth by an amount (0.05 ... 0.2) t ₂ .