Моментный вентильный электродвигатель

 

Изобретение относится к момент ным электродвигателям с неограниченным углом поворота ротора и может быть использовано в прецизионных электроприводах, от которых требует

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„Я0„„1624617

А1

j5))5 Н 02 K 29/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

llO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

flPH ГКНТ СССР (21) 4457923/07 (гг) 11.07.88 (46) 30.01.91. Бюл. "- 4 (71) Казанский авиационный институт им. А.Н.Туполева (72) А.Н).Афанасьев и R.Т.Герасименко (53) 621.313 ?92(088 8) 2 (54) МОМЕНТНЫИ ВЕНТИЛЬНЬФ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к моментным электродвигателям с неограниченным углом поворота ротора и может быть использовано в прецизионных ребует1624617

40 ся lloBbHllpHHbIH ресурс и плавность хода ротора при работе на подвижном осно- вании. Целью изобретения является повышение надежности двигателей и плавности вращения вала при работе на подвижном основании. Моментный нентильный электродвигатель состоит из электромеханического преобразователя 1, коммутационных и функциональных блоков источника постоянного сигнала, задатчика момента и датчиков 52, 53 линейных ускорений, Якорная обмотка расположена на четырех равных секторах, оси которых парал— !

Изобретение относится к электротехнике, в частности к моментным электродвигателям с неограниченным углом поворота ротора, и может быть 25 использовано в прецизионных электропринодах, оТ которых требуются повышенный ресурс работы и плавность хода ротора, Целью изобретения является повышение надежности и плавности хода при работе на подвижном основании.

На фиг. 1 представлена функциональная схема моментного нентильного электродвигателя," на фиг.2 показан синхронный электродвигатель,поперечное сечение," на фиг. 3 — расположение датчиков линейных ускор.ений.

Моментный вентильный электродвигатель содержит синхронный электродвигатель 1 с фазами 2-9 обмотки якоря и с ротором-индуктором 10, синусно-косинусный преобразователь 11, перемножители 12-27, сумматоры 28-35, 45 усилители 36-43 мощности, датчики

44-51 тока, датчики 52, 53 линейных ускорений, функциональные преобразователи 54, 55, эадатчик 56 момента, масштабный преобразователь 57, сумматоры 58-65, перемножители 66-69, операционные усилители 70-73, источник 74 постоянного сигнала.

Ротор-индуктор 10 механически связан с ротором синусно-косинусного пре55 образователя, синусный и косинусный выходы которого подключены к входам перемножителей 12-19 и 20-27 соответственно.. лельны осям датчиков 52 и 53. На каждом секторе расположены по дне фазы якорной обмотки, сдвинутые одна относительно другой на Т/2 эл.рад.

По сигналам с задатчика момента и датчиков 52, 53 линейных ускорений с помощью коммутационных и функциональных блоков в фазах якорной обмотки формируются токи, которые создают требуемый электромагнитный момент и электромагнитные силы, компенсирующие радиальные силы инерции, действующие на ротор. 3 ил.

Выходы датчиков 52, 53 подключены к входам функциональных преобразователей 54, 55, выходы которых подключены соответственно к входам перемножителей 66, 68, к иннертирующему входу сумматора 63, к входу сумматора

65 и к входам перемножителей 67, 69, сумматора 62, к иннертирующему входу сумматора 64. Выход источника 74 постоянного сигнала подключен к входам .сумматоров 58-61, вторые входы которых подключены к выходам операционных усилителей 70-73, а выходы к вторым входам перемножителей 66-69 соответственно, выходы которых подключены к входам операционных усилителей 70, 71 и к инвертирующим Вхо дам операционных усилителей 72, 73.

Выходы операционных усилителей 70-73 подключены к их вторым иннертирующим входам. Выход задатчика 56 момента через масштабный преобразователь 57 соединен.с вторыми входами сумматоров 62-65.

Выходы операционных усилителей

70-73 подключены к вторым входам перемножителей 12, 20;. 14,22; 16,24;

18,26 соответственно, а выходы сумматоров 62-65 — к вторым входам перемножителей 13,21, 15,?3, 17,25, 19,27 соответственно. Выходы перемножителей 20-27 подключены к входам сумматоров 28-35 соответственно.

Выходы перемножителей 12,14,16,18 подключены к вторым входам сумматоров 29, 31, 33, 35 соответственно.

Выходы перемножителей 13, 15, 17, 19

1624617 6 ки возбуждения и продольные составляющие токов якоря изображены совпадающими по направлению с радиальными силами, а поперечные составляющие

5 токов якоря — с тангенциальными силами, которые они создают. Показаны направления радиальных усилий ротора F» и FE(на подшипники под действием линейных ускорений а» и л .

Моментный вентильный электродвигатель работает следующим образом.

Задатчик 56 момента вырабатывает сигнал, пропорциональный требуемому моменту М, который, проходя через масштабный преобразователь 57 с коэффициентом преобразования 1/4гс, где

2ЯЭа 2 1 (1 глг)г 2 Ð (1) (2) (3) 45 подключены к вторим иннертирую1 им входам суммлторов 28, 30, 3?, 34.

Выходы сумматоров ?8 — 35 подключены к входам усилителей 36-43 мощности соответственно. Их выходы плут,— ключены к фазам 2-9 обмотки якоря через входы датчиков 44-51 тока соответственно, выходы которых подключены к вторым инвертирующим входам усилителей 36-43 мощности.

Фазы ?,3; 4,5 6,7, 8,9 якоря занимают ня статоре четыре сектора

1-IV, оси сосерних секторов взаимно перпендикулярны. Оси датчиков 5?., 53 ускорения параллельны осям секторов 1,3 и секторов ?, 4 соответственно. Флзы 3, 5, 7, 9 опережают фазы 2, 4, 6, 8 соответственно на (/2 эл.рад °

Функциональные преобразователи 14

55 реализуют функции, определяемые равенствлми:

2 Лга (1 q z z Iz 2 2

2 где я», ло — ускорения статора эле— ктродвигателя, измеря-. мые датчиками 52, 53.

Синхронный электродвигатель 1 имеет на стлторе двухфазную разделенную ня четыре сектора (I IV) с фазами

2,3, 4,5, 6,7; 8,9 соответственно обмотку и ротор-индуктор 10. Оси двух соседних секторов взаимно перпендикулярны. Датчики 5? и 53 линейных ускорений установлены неподвижно относительно статпра и их оси параллель— ны осям секторов I III u II IV cn— ответственно. Число пар полюсов ротора-индукторл 10 релится на четыре (на фиг.3 р =: 8). Фазы 3, 5, 7, 9 сдвинуты относительно фаз 2, 4, 6, 8 на 90 эл.град. в положительном нап— равлении. Один сектор обмотки якоря образует >р/? полюсов. Крестиками и точками показаны положительные направления токов фаз. Показаны направления тангенциальных F<, F2, F1, F4 H радиальных FI» 2Г, 1, электромагнитных сил. Представлены эквивалентные токи возбуждения ротора-индуктора ill, а также продольные 1<,1, i2d i)d 141 и поперечные

1.gt} 14 состявляюк(ие системы токов всех четырех секторов. Тоr — наружный радиус ротора-индуктора, с — IIocToHHHbBI коэффициент, поступает на первые входы суммато.ров 62-65 в виде сигнала, пропорпи— онального множителю Лагранжа Я

Датчики 5? и 53 .линейных ускорений

25 вырабатывают сигнллы, пропорциональныЕ ускорениям а и л соответственно и равные F» и F

Р, = ma», F = maEI, где F» усилия, действующие на ро1 тор согласно линейным ускорениям я» и я, m MRccR подвижных частей.

Эти сигналы поступают на функциональ35 ные преобразователи, которые реализуют функции:

9 Z= q (F>) представленные в неявном виде:

2 а21 (1 g аг)г 2 Х/ га

2 ° ° г

2 А а (г„z)z + 271 з = Р /с, (4)

3 где 9,2, у(— множители Лагранжа; — приведенный ток возВ

50 буждения обобщенной электрической машины, а — постоянный коэффициент.

Источник 74 постоянного сигнала вырабатывает сигнал, пропорциональ,ный 1., который поступает на первые входы сумматоров 58-61. С в ходов этих сумматоров сигналы поступают на вторые входы перемножителей 6669 соответственно, а нл первые входы

162461 7

%эа

1 - а

%, 12

1М = (7) 1+ф а

Фэа

1+ф а (8) (9) (10) (11),а .2 .2 .a

1Ц + 145 + 12 + 12$ + 1> + i> + 141 ум i„>+ 1 ф+ i + 14 И /rc = 0, (16) (17) перемножителей 66, 68 и 67, 69 поступают сигналы, пропорциональные ф и ф соответственно, Сигналы с выходов перемйожителей 66,67 и 68,69. поступают на первые входы операционных усилителей 70, 7.1 и на первые иннертирующие входы операционных усилителей 7?, 73 соответственно. С их выходов сигналы поступают на вторые входы сумматоров 58-61 соответственно, Четыре функциональных узла, каждый из которых состоит из сумматора, перемножителя и операционного усилителя, формируют продольные тОки 14Д 12Д 1эД 143 В сооТВеТ стнии с уравнениями:

91а

1 †а Ь (5)

Одновременно сигнал, пропорциональный 9,, поступает на второй иннертирующий вход сумматора 63 и на второй вход сумматора 65,, а сигнал, пропорциональный 9l поступает íà Вто» рой вход сумматора 62 и на второй инвертирующий вход сумматора 64. На выходе сумматоров 62-65 формируются поперечные токи iraq, iraq,, iraq, i4 в соответствии с уравнениями:

%1+1 )

i 4 =91 — 921

1 1, =Ъ, — ;

14 = h + 2, (12)

Синусно-косинусный преобразователь 11 механически связан с ротором-индуктором 10 и вырабатывает сигналы, пропорциональные sin Q и соВОс, где

p(угол поворота ротора-индуктора.

Сигнал, пропорциональный sin О(,, поступает на первые входы .перемножителей 12-19, а пропорциональный

cos OL — на первые входы перемножителей 20-?7. На вторые входы перемножителей 1? и 20, 13 и 21, 14 и 22, 15и 23, 16и24, 17и 25, 18и 26, 5

19 и 27 поступают сигналы пропорциУ ональные соответственно. С выходов перемножителей 20-27 сигналы поступают на первые входы сумматоров 28-35 восьми каналов формирования якорных токов. На вторые инвертирующие входы сумматоров 28, 30, 32, 34 и на вторые входы сумматоров 29, 31, 33, 35 поступают сигналы с перемножителей i33, 15, 17, 19 и 12, 14, 16, 18 соответственно. На выходах сумматоров 28-35 формируются требуе° o ° о мые оптимальные токи, 1„А, i .о .о .с .о .0

i)y 14, 14 которые

20 сформированы синусно-косинусными преобразователями 11, перемножителями

12-27, сумматорами 28-35 в соответствии с известными формулами:

cos О(i sin 0() з1пф, Ф i cos g, Эти токи, проходя через усилители мощности, запитынают восемь фаз якорной обмотки и обеспечивают создание

30 тангенциальных (Р „, Р24, Р л, F4@

1 и радиальных (Рgy, Р „, Р4, Р4 ) электромагнитных сил, действующих на . ротор в каждом секторе и удовлетворяющих следующим условиям:

Р л + F2u + F ac + F4 v, = И /г ° (13)

F> + F4 — Р2л = Р (14)

Р2г Р4 + Fh+i — F >n = F (15)

В результате создаются требуемый момент И, и радиальные усилия, разгружающие подшипники от действия сил инерции при минимальных потерях н об45 мотке якоря.

Равенства с (1 ) по (12) получаются в результате решения задачи на условий экстремум с тремя ограничениями типа равенства (13), (14),(15), которая решается методом множителей

Лагранжа: найти токи

12 " Д 144. ° 14 1 ° i4@, УДОВлетнО ряющие соотношениям:

1624617 с г Я) (Ь Я ) (4с(ф) х / т и а (1. + 1, (1ь+1 )(+ (1„,„) F /С

5ф

10 а

v х 2 (18) (19) V

2 (10) (11) (12) 25

О

° )= О д

О

35 о

40 — 0

45 га

1 — ф а Ь 7

9,уа

1 1 а В 7

Ъ (6) 50 га

ЗД 1 +Д,;; Ь7

I (7) 55

9gа

1+ а (8) (Q) 1Л = + 7

1 где Ч .— функция цели, Vg — ограничения типа равенства. 10

Здесь уравнение (16) соответствует условию минимума потерь в обмотке якоря, уравнение (17) — полу— чению требуемого электромагнитного момента М (услоние 13), а уравнения (18) и (19) — условию равновесия приложенных к ротору радиальных сил (условия 14 и 15). Функция Лагранжа и условия ее стационарности по токам имеют нид

V— - 0,, — %,V h V-Ç =)

=) st! t;

3V а .,„ м . ь — -Я а(1 + Ч

1 1 -,а(1g +

3V

+ га(1 +

i)3 3

ЭЧ д;„= 4а М ь аЧ а „. ч

aV

1g — A(+ if

8Ч вЂ” Я, +3

3$ ) аЧ д ° = 4(ф - Ъ, i4q, Откуда получаем: 12 7 щ =,,-Я,, 4ф

Подставляя значения токов в уравнения (16-19), получим:

3,= М /4rc, (20)

q,г а21ь (1 — г 2)2+ 2Я вЂ” — F /c, (4) Синусно-косинусный преобразователь угла может быть выполнен в виде синусно-косинусного вращающегося трансформатора и двух фазочувствительных выпрямителей. Перемножители, операционные усилители и сумматоры могут быть выполнены на интегральных микросхемах. Функциональные,преобразователи могут быть выполнены на операционных усилителях с диоднымт непочками или на. ПЗУ.

Таким образом, благодаря введению двух датчиков линейных ускорений, а также четырнадцати блоков перемножения, восьми сумматоров, четырех операционных усилителей, двух функциональных .преобразователей, связанных определенным образом, н якорной обмотке формируются токи, которые кроме требуемого электромагнитного момента создают электромагнитные силы, разгружающие подшипники от радиальных усилий со стороны ротора, возникающих под действием ускорений, действующих на двигатель, в том числе ускорения земного тяготения.

Изобретение позволяет увеличить ресурс работы моментнаго электродвигателя постоянного тока и повысить плавность хода ротора при сохранении положения оси ротора относительно статора и минимуме потерь при работе на подвижном основании.

Формула изобретения

Моментный нентильный электродвигатель, содержащий электромеханиче162461 ский преобразователь с якорной обмоткой на статоре из восьми фаз и размещенной на четырех равных секторах по две фазы на каждом, четные фазы сдвинуты в сторону опережения

3 по направлению вращения относительно нечетных фаз на Т/2 эл.рад. и с ротором-индуктором, механически связанным с валом синусно-косинусного 10 преобразователя угла, восемь каналов формирования якорных токов, каждый из которых содержит сумматор, выход которого подключен к неинвертирующему входу усилителя мощности, а к его инвертирующему входу подключен выход датчика тока, к входу которого и к выходу усилителя мощности подключена соответствующая фаза якорной обмотки, два перемножителя и за- 2О датчик момента, и т л и ч à ю щ и и с я тем, что, с целью повышения надежности и плавности хода при работе на подвижном основании, введены источник постоянного сигнала, четыре 25 операционных усилителя, восемнадцать перемножителей, восемь сумматоров, два функциональных преобразователя и два датчика линейных ускорений, оси первого и второго датчиков паралельны осям первого и второго секторов соответственно, выходы перемножителей с первого по восьмой подключены к первым входам сумматоров с первого по восьмой каналов соответствен3 но, выходы девятого, одиннадцатого, 5 тринадцатого и пятнадцатого перемножителей подключены к вторым входам сумматоров второго, четвертого, шестого, восьмого каналов соответст- 40 венно, а выходы десятого, двенадцатого, четырнадцатого и шестнадцатого перемножителей подключены к вторым инвертирующим входам сумматоров первого, третьего, пятого и седьмого 45 каналов соответственно, косинусный и синусный выходы синусно-косинусного преобразователя подключены к первым входам перемножителей с первого по восьмой и с девятого по шестнадцатый соответственно, операционные усилители с первого по четвертый охвачены каждый глубокой отрицательной обратной связью. на вторые входы, а их выходы подклю«ены к вторым входам перемножителей первого и девятого, третьего и одиннадцатого, пятого и тринадцатого, седьмого и пятнадцатого соответственно, а также

+ 2 =тпа /с;

Л (1 г

2 ll ý à i, + 2 тi = ma,i c

3 — множители Лангранжа задачи на условный экстремум; постоянный коэффициент; эквивалентный ток возбужнения ротора-инлуктзра — масса подвижных частей; г аг) где g<, тт

Э а

7 !2 к вторым входам сумматоров с девятого по двенадпатый соответственно выходы семнадцатого и восемнадцатого перемножителей подключены к первым входам первого и второго операционных усилителей соответственно, а выходы перемножителей девятнадцатого и двадцатого — к первым инвертирующим входам операционных усилителей третьего и четвертого соответственно, выходы сумматоров с девятого по двенадцатый подключены к первым входам перемножителей с семнадцатого по двадцатый соответственно, а первые входы этих сумматоров подключены к выходу источника постоянного сигнала, выходы сумматоров с тринадцатого по шестнадцатый подключены к вторым входам перемножителей второго и десятого, четвертого и двенадцатого, шестого и четырнадцатого, восьмого и шестнадцатого соответственно, а к первым входам этих сумматоров подключен выход задатчика момента через масштабный преобразователь, выход первого датчика линейных ускорений через первый функциональный преобразователь подключен к вторым входам перемиожителей семнадцатого и девятнадцатого, а также к второму инвертирующему входу четырнадцатого и к второму входу шестнадцатого сумматоров, выход второго датчика линейных ускорений через второй функциональный преобразователь подключен к вторым входам перемножителей восемнадцатого.и двадцатогп, а также к второму входу тринадцатого и к второму инвертирующему входу пятнадцатого сумматоров, причем первый, второй функциональные преобразователи выполнены с возможнт стью реализации функций 7, = CP (а„), ф = (P (а ),- определяемътх равенства!

3 1624617 с — Коэффициент,свяэывающий поперечную составляющую

14 тока сектора с тангенциальной силой.

16?4617

Составитель А.Санталов

Редактор A.Маковская Техред М.Дидык Корректор A.Îñàóëåíêî

Заказ 199 Тираж Подписное

ВОИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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