Мехатронная система с шестифазным вентильно-индукторным двигателем

Авторы патента:

Кругликов Олег Валерьевич (RU)

Шабаев Владимир Алексеевич (RU)

Тубис Яков Борисович (RU)

Чернигов Владислав Михайлович (RU)

H02K29/06 - с датчиками положения (H02K 29/03 имеет преимущество)

H02K19/20 - с безобмоточным ротором из мягкого железа с переменным магнитным сопротивлением

H02K19/10 - многофазные

Владельцы патента RU 2426211:

Открытое Акционерное общество "Научно-Исследовательский Проектно-Конструкторский и Технологический Институт Электромашиностроения" (RU)

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для использования в электроприводах различных механизмов и исполнительных устройствах автоматических систем. Технический результат, достигаемый в результате использования настоящего изобретения, по сравнению с известными техническими решениями состоит в уменьшении пульсации момента. Указанный технический результат достигается специальной конфигурацией магнитопровода двигателя и схемой управления, позволяющей формировать однополярные токи фаз, имеющие форму «детектированной синусоиды» и регулируемые по амплитуде при помощи инвертора, состоящего из трех полумостовых схем датчика положения ротора и системы управления. 4 ил.

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в электроприводах различных механизмов и исполнительных устройствах автоматических систем.

Известны мехатронные системы, содержащие вентильно-индукторные двигатели, с различным числом фаз и явнополюсными роторами без обмоток и постоянных магнитов и статорами с сосредоточенными обмотками на полюсах. Каждая фаза этих двигателей коммутируется напряжением при помощи полумостовой схемы, содержащей два транзистора и два диода (Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - М.: Издательство МЭИ, 2003. - С.10, 62-63).

Недостатками этих мехатронных систем и способа коммутации фаз вентильно-индукторных двигателей являются высокий уровень шумов, вибрации и пульсаций момента.

Из известных технических решений наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому изобретению является шестифазный низкооборотный высокомоментный вентильный индукторный реактивный двигатель для автоматизированных электроприводов, содержащий статор с числом прямоугольных зубцов, кратным шести, и ротор с числом зубцов, меньшим числа зубцов статора на величину этой кратности (например, и так далее, где Z₁ - число зубцов статора; Z₂ - число зубцов ротора), фазные обмотки которого, соединенные в треугольник, питаются от трехфазного мостового инвертора через включенные в каждую обмотку по одному диоду и управляемый трехфазным прямоугольным линейным напряжением, которое формируется с помощью датчика положения ротора и системы управления. (Плах Г.К., Лозитский О.Е., Луговец В.А., Протасов Д.А., Мустафаев P.P. Низкооборотный высокомоментный вентильный индукторный реактивный двигатель для автоматизированных электроприводов. / Пятая международная (четырнадцатая всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу. АЭП-2007, Санкт-Петербург, 18-21 сентября, 2007).

Недостатками этого технического решения являются большая неравномерность момента (в описании прототипа пульсации момента составляют 16%).

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение пульсации неравномерности момента.

Поставленная цель достигается тем, что мехатронная система, содержащая известный шестифазный низкооборотный высокомоментный вентильный индукторный реактивный двигатель для автоматизированных электроприводов, содержащий статор с числом прямоугольных зубцов, кратным шести, и ротор с числом зубцов, меньшим числа зубцов статора на величину этой кратности, имеет угловую ширину зубцов статора, равную угловой ширине межзубцового расстояния статора, и угловую ширину зубцов ротора, равную угловой ширине межзубцового расстояния ротора (, где - угловая ширина зубцов статора; - угловая ширина межзубцового расстояния статора; - угловая ширина зубцов ротора, , где - угловая ширина межзубцового расстояния ротора), поверхность межзубцовой впадины зубцов ротора имеет форму полуцилиндра, радиус которого равен половине линейного межзубцового расстояния зубцов ротора (, где - радиус полуцилиндра, - линейные межзубцовые расстояния зубцов ротора), благодаря чему индуктивности фаз, при разложении в ряд Фурье, описываются уравнением, содержащим только нулевую и первую гармоники, фазные обмотки двигателя соединены в звезду, двигатель управляется токами, имеющими форму «детектированной синусоиды», которые формируются с помощью частотно-токового управления (Бродовский В.Н. Иванов Е.С. Приводы с частотно-токовым управлением. Под. ред В.Н.Бродовского. М.: Энергия, 1974), инвертором, содержащим три полумостовые схемы, а форма тока фаз задается датчиком положения. Такая форма индуктивности фаз в совокупности с такой формой тока существенно уменьшает пульсации момента.

По сравнению с наиболее близкими аналогичными техническими решениями предлагаемые устройства имеют следующие новые признаки:

1. угловая ширина зубцов статора равна угловой ширине межзубцового расстояния статора, а угловая ширина зубцов ротора равна угловой ширине межзубцового расстояния ротора, поверхность межзубцовой впадины зубцов ротора имеет форму полуцилиндра, радиус которого равен половине линейного межзубцового расстояния зубцов ротора, фазные обмотки соединены в звезду;

2. двигатель управляется токами, имеющими форму «детектированной синусоиды», которые формируются с помощью частотно-токового управления, инвертором, содержащим три полумостовые схемы, а форма тока фаз задается датчиком положения.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».

Предлагаемое изобретение было реализовано и испытано в ОАО «НИПТИЭМ». При испытаниях предлагаемого изобретения установлено, что пульсации момента составляют 2%.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».

По отличительном признакам проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики и электропривода, мехатронной системы, содержащей шестифазный вентильно-индукторный двигатель с угловой шириной зубцов статора, равной угловой ширине межзубцового расстояния статора, и угловой шириной зубцов ротора, равной угловой ширине межзубцового расстояния ротора, с поверхностью межзубцовых впадин зубцов ротора, имеющих форму полуцилиндра, радиус которого равен половине линейного межзубцового расстояния зубцов ротора, фазные обмотки которого соединены в звезду и управляются токами, имеющими форму «детектированной синусоиды», которые формируются с помощью частотно-токового управления инвертором, содержащим три полумостовые схемы, а форма тока фаз задается датчиком положения, не обнаружено.

Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показан шестифазный низкооборотный высокомоментный вентильный индукторный реактивный двигатель для автоматизированных электроприводов с двенадцатью зубцами статора, на которых размещены двенадцать сосредоточенных обмоток, содержащий симметричный ротор с десятью зубцами.

На фиг.1 обозначено: 1 - статор; 2 - обмотка; 3 - ротор; - угловая ширина зубцов статора; - угловая ширина межзубцового расстояния статора; - угловая ширина зубцов ротора; - угловая ширина межзубцового расстояния ротора; - радиус полуцилиндра, образующего межзубцовую поверхность ротора; - линейное расстояние между зубцами ротора; А, В, С, D, Е, F - зубцы статора с обмотками соответствующих фаз; N, S - магнитная полярность соответствующих полюсов.

На фиг.2 показана схемы соединения обмоток шестифазного реверсивного вентильно-индукторного двигателя.

На фиг.2 обозначено: а - схема с последовательным соединением полуобмоток противолежащих зубцов статора одной фазы; б - схема с параллельным соединения полуобмоток противолежащих зубцов статора одной фазы.

На фиг.3 показана блок-схема регулятора токов фаз шестифазного реверсивного вентильно-индукторного двигателя с инвертором, состоящим из трех полумостовых схем.

На фиг.3 обозначено: I_з - амплитудное значение заданных токов; ДП -датчик положения; БУ1-БУ3 - блоки умножения; i₁, i₂, i₃ - сигналы, пропорциональные текущим значениям токов задания; БС1-БС3 - блоки сравнения токов задания и токов обратной связи; К1-К6 - компараторы с гистерезисом; U1-U4 - уровни срабатывания компараторов; Б1-Б3 - блоки, изменяющие отрицательное напряжение на выходе компараторов К2, К4, К6 на положительное; VT1-VT6 - транзисторы; VD1-VD6 - диоды; А, В, С, D, Е, F - обмотки соответствующих фаз двигателя; ДТ1-ДТ3 - датчики тока; C1 - конденсатор источника напряжения; U - источник напряжения; i_A, i_B, i_C, i_D, i_E, i_F - токи фаз.

На фиг.4 показаны диаграммы работы блок-схемы управления шестифазным реверсивным вентильно-индукторным двигателем.

На фиг.4 обозначено: а, б - диаграммы индуктивностей фаз реверсивного шестифазного вентильно-индукторного двигателя; L_A, L_B, L_C, L_D, L_E, L_F - соответствующих фаз; в - диаграммы сигналов задания амплитуды токов фаз и сигналов датчика положения; 1, 2, 3 - сигналы трех фаз датчика положения; 4 - задания амплитуды токов фаз; г - диаграммы токов фаз А и D; 5 - диаграмма тока фазы А; 6 - диаграмма тока фазы D; д - диаграммы напряжений фаз А и D; 7 - диаграмма напряжения фазы А; 8 - диаграмма напряжения фазы D; е - диаграммы токов фаз В и Е; 9 - диаграмма тока фазы Е; ж - диаграммы напряжений фаз В и F; 10. - диаграмма тока фазы В; 11 - диаграмма напряжения фазы Е; 12 - диаграмма напряжения фазы В; з - диаграммы токов фаз С и F; 13 - диаграмма тока фазы F; 14 - диаграмма тока фазы С; и - диаграммы напряжений фаз С и F; 15 - диаграмма напряжения фазы F; диаграмма напряжения фазы С.

Использование предлагаемой мехатронной системы в различных промышленных устройствах позволит улучшить технические характеристики оборудования.

Мехатронная система, содержащая шестифазный вентильно-индукторный двигатель, статор которого имеет число прямоугольных зубцов, кратное шести, и ротор с числом зубцов, меньшим числа зубцов статора на величину этой кратности, датчик положения ротора, инвертор и систему управления, отличающаяся тем, что угловая ширина зубцов статора равна угловой ширине межзубцового расстояния статора, а угловая ширина зубцов ротора равна угловой ширине межзубцового расстояния ротора, поверхность межзубцовой впадины зубцов ротора имеет форму полуцилиндра, радиус которого равен половине линейного межзубцового расстояния зубцов ротора, фазные обмотки соединены в звезду, двигатель управляется токами, имеющими форму «детектированной синусоиды», которые формируются с помощью частотно-токового управления инвертором, содержащим три полумостовые схемы, а форма тока фаз задается датчиком положения.

Изобретение относится к устройству и способу для управления гибридным двигателем, а более конкретно к устройству и способу для управления гибридным двигателем, в котором в роторе вместо катушки индуктивности используется постоянный магнит.

Электродвигатель постоянного тока с полым ротором // 2382476

Изобретение относится к бесконтактным электродвигателям постоянного тока и может применяться в электроприводе, где необходимы сочетания качеств бесконтактного электродвигателя постоянного тока, а именно высокий ресурс, с высоким быстродействием и к.п.д., характерным для коллекторных электродвигателей с полым ротором.

Бесконтактный электродвигатель постоянного тока // 2369003

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах преобразовательной техники, например, в электровентиляторах постоянного тока.

Устройство для питания вентильно-индукторного электродвигателя // 2368059

Изобретение относится к электротехнике. .

Датчик положения ротора электрического двигателя // 2357348

Изобретение относится к области электротехники, предназначено для использования в мехатронных системах с вентильными и вентильно-индукторными двигателями. .

Управление электрическими машинами // 2351057

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления электрическими машинами, как с коммутируемой магнитной индукцией, так и некоммутируемой магнитной индукцией, применяемыми в бытовой технике.

Бесколлекторная электрическая машина постоянного тока // 2343620

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве двигателя или генератора постоянного тока. .

Электрическая машина с дисковым ротором // 2340068

Изобретение относится к области электротехники, а именно к бесконтактным моментным электрическим машинам, предпочтительно к электрическим генераторам с постоянными магнитами для мобильных ветроэнергетических установок (МВЭУ).

Способ управления индукторным двигателем // 2321943

Изобретение относится к области электротехники и может быть использован при управлении индукторным двигателем, имеющим зубчатый статор, на котором расположены несколько фазных обмоток, каждая из которых запитывается однополярным током от полумостового инвертора напряжения, и зубчатый безобмоточный ротор.

Электродвигатель // 2321142

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим двигателям (синхронным, с вентильным управлением, шаговым), предназначенным для привода электрических исполнительных механизмов и устройств.

Индукторная машина // 2422971

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и может быть использовано в системах автоматического управления положением и перемещением регулирующего органа.

Бесконтактная редукторная машина с явнополюсным якорем // 2416861

Изобретение относится к области электротехники, в частности к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается конструктивного исполнения бесконтактных электрических машин с электромагнитной редукцией с комбинированным возбуждением индуктора и может быть использовано в системах автоматики, в качестве мотор-колес, мотор-барабанов, стартер-генераторов, электроусилителей руля, прямых приводов в бытовой технике, электроприводов большой и средней мощности судов, троллейбусов, трамваев метро, бетоносмесителей, грузоподъемных механизмов, ленточных транспортеров, насосов для перекачки жидкостей, механизмов с высокими моментами на валу и низкими частотами его вращения, в качестве прямых приводов без применения механических редукторов, а также в качестве ветрогенераторов, гидрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов, синхронных генераторов преобразователей частоты и в качестве управляемых шаговых двигателей.

Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина с явнополюсным якорем // 2416860

Изобретение относится к области электротехники, в частности к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается конструктивного исполнения бесконтактных магнитоэлектрических машин с электромагнитной редукцией и может быть использовано в системах автоматики, в бытовой технике, в качестве мотор-колес, мотор-барабанов, стартер-генераторов, электроусилителей руля, грузоподъемных механизмов, электроприводов бетоносмесителей, ленточных транспортеров, насосов для перекачки жидкостей, механизмов с высокими моментами на валу и низкими частотами вращения вала, в качестве прямых приводов без применения механических редукторов, а также в качестве ветрогенераторов, гидрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов, синхронных преобразователей частоты и в качестве управляемых шаговых двигателей.

Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина // 2407135

Изобретение относится к области электротехники и касается конструкций бесконтактных редукторных магнитоэлектрических машин с электромагнитной редукцией, предназначенных для использования в качестве мотор-колес, мотор-барабанов, прямых приводов в бытовой технике (электромясорубки, стиральные машины и пр.), электроприводов бетономестителей, грузоподъемных механизмов, ленточных транспортеров, насосов для перекачки жидкостей, механизмов с высокими моментами на валу и низкими частотами вращения вала, а также в качестве высокочастотных электрических генераторов.

Бесконтактная редукторная электрическая машина с электромагнитным возбуждением // 2407134

Изобретение относится к области электротехники, в частности к низкооборотным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается особенностей конструктивного исполнения бесконтактных электрических машин с электромагнитной редукцией и может быть использовано в системах автоматики, в качестве мотор-колес, мотор-барабанов, стартер-генераторов, электроусилителей руля, прямых приводов в электробытовой технике, электроприводов большой и средней мощности судов, транспортных средств, бетоносмесителей, грузоподъемных механизмов, ленточных транспортеров, насосов для перекачки жидкостей, механизмов с высоким моментом на валу и низкими частотами его вращения, а также в качестве ветрогенераторов, гидрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов и синхронных генераторов преобразователей частоты.

Электрическая редукторная машина с электромагнитным возбуждением // 2401499

Изобретение относится к области электротехники, в частности - к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям и электроприводам с электромагнитной редукцией частоты вращения и к высокочастотным электрическим генераторам.

Синхронный индукторный генератор // 2400908

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и касается особенностей конструктивного выполнения синхронных генераторов индукторного типа, применяемых, например, в автотракторном электрооборудовании.

Бесконтактная редукторная магнитоэлектрическая машина с многопакетным индуктором // 2382475

Изобретение относится к области электротехники, в частности к низкооборотным высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и генераторам, касается особенностей конструктивного исполнения бесконтактных магнитоэлектрических электрических машин с электромагнитной редукцией и может быть использовано в системах автоматики, в качестве мотор-колес, мотор-барабанов, стартер-генераторов, электроусилителей руля, прямых приводов в бытовой технике, электроприводов бетоносмесителей, грузоподъемных механизмов, ленточных транспортеров, насосов для перекачки жидкостей, механизмов с высокими моментами на валу и низкими частотами его вращения, а также в качестве ветрогенераторов, гидрогенераторов, высокочастотных электрических генераторов и синхронных генераторов преобразователей частоты.

Электрическая машина с двухпакетным индуктором (варианты) // 2356154

Изобретение относится к области электротехники, в частности - к низкооборотным, высокомоментным электрическим двигателям, электроприводам и высокочастотным электрическим генераторам.

Электрическая машина // 2348098

Изобретение относится к области электротехники, в частности - к электрическим машинам и электроприводу. .

Синхронная реактивная машина // 2422972

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано, например, в регулируемых электроприводах общепромышленных механизмов, а также в транспортных средствах, а именно в источниках питания бортовой сети автомобилей, тракторов, вездеходов и т.д.