Вентильный электродвигатель

 

Союз Советскими

Социалистическин

Республик (П) 561257 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 29,07. 74 (21) 2049100/07 с присоединением заявки № (23) П ри о ритет (5i) M. Кл

Н 02 К 29/04

Гасударственный комитет

Совета Ииннотров СССР по делам изобретений и открытий (43) Опубликовано05.06.77,Бюллетень № 21 (Я! ".l.Ê 621.313. 13, . 0 14. 2;6 21. 38 2 (088.8 ) (45) Дата опубликования описания 29.09.77 (72) Авторы изобретения

Е. Н, Баранов и Ю. Г. й!ерстняков

Московское ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени высшее техническое училище им. H. Э. Баумана (71) Заявитель (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ!

Изобретение относится к области элек-. тротехники, в частности к электродвигате-; лям с бесконтактной коммутацией.

Известны вентильные электродвигатели переменного тока, состоящие из динамического трансформатора, служащего для передачи электромагнитной энергии в цепь обмотки якоря и одновременно выполнякь. щего функцию силового датчика положения ротора, и собственно двигателя и содерн(ащие систему возбуждения и обмотку яко ря, секции которой коммутируются с помощью управляемых вентилей (1) .

Обмотка якоря этого электродвигателя расположенная на роторе, вместе с коммутирующими вентилями и устройством уп» равления ими представляет собой врашаю» ецийса рэверсивный,однополупериодный выпрямитель. Характерной, особенностью конструкций подобного типа является то, что система управления ими является одноканальной, так как управляюшие импульсы подаются на все вентили одновременно.

Известны также вентильные электродвте» гатели, у которых обмотка якоря номешена на статоре, а динамический трансформатор выполнен в виде конструкпии с:явно полюсным ротором, причем его вторичная обмотка совмещена с обмоткой якоря f2)

Его преимушество состоит прежде всего в том, что управляющие вентили могут быть размещены вне электрической машины, и поэтому отпадает необходимость в применении специального устройства для пере10 дачи сигналов управления на ротор через воздушный зазор.

Это устройство по технической сушности и достигаемому результату является

1а наиболее близким к изобретению. Однако двигатели, у которых вторичная обмотка

1 динамического трансформатора конструктивно совмешена с обмоткой якоря, имеет и ряд существенных недостатков в связи

20 с тем,.что тйогут работать только в режиме одиополупериодного выпрямлении переменного тока. Следствием этого являются низкие энергетические показатели (низкие значения к.п.д. и коэффипиента

25 мощности), а также загрузка питаюшей

25 сети постоянной составляющей тока и высшими гармониками.

Пель изобретения - повышение анергетических показателей электродвигателя при сохранении одноканальной системы управления, а также упрощение конструкции силового датчика положения ротора (динамического трансФорматора).

Указанная цель достигается тем, что магнитопроводы статора динамического 10 трансформатора выполнены в виде стержневых П-образных пакетов, число которых равно произведению числа полюсов двигателя на число секций обмотки якоря. На каждом магнитопроводе помещена одна ка- 15 тушка первичной обмотки и катушки вторичной обмотки в количестве, равном числу секций обмотки якоря. При этом все катушки первичной обмотки соединены согласно, а катушки вторичной обмотки объединены в группы, число которых равно числу полюсов синхронной машины. Катушки внутри группы соединены пос адовательно-согласно, а группы катушек между собойпоследовательно-встречно.

Таким образом, в предлагаемой конст рукции вторичные обмотки динамического трансформатора и секции обмотки якоря выполнены раздельно и не являются функционально и конструктивно совмещенными, что дает возможность использовать режим двухполупериодного выпрямления тока в обмотке якоря и тем самым повысить анерг тические показатели электродвигателя.

При этом динамический трансформатор обес- 55 печивает циклическое опрокидывание фазы напряжения его вторичных обмоток в процессе вращения, хотя первичная и вторичная обмотки взаимно неподвижны, что поз воляет сохранить одноканальную систему 40 управления. Одновременно доститается су щественное упрощение динамического транс-, форматора, поскольку в его конструкции использованы только сосредоточенные обмотки, размещенные на одних и тех же 45

П-образных магнитопроводах статора. Порядок соединения вторичных обмоток между собой таков, что в результате они образу ют системы, аналогичные распределенным обмоткам с шагом, равным полюсному де- 50 лению синхронной машины.

На фиг. 1 показан электродвигатель, разрез по ЛА на фиг. 2; на фиг. 2 - раз рез по Б-Б на фиг. 1; на фиг. 3 предсталена принципиальная электрическая схема 55 электродвигателя; на фиг. 4 - схема намотки секции якоря и вторичной обмотки динамического трансформатора; на фиг.5графики электромагнитных процессов, характеризующих работу электродвигателя.

Активная часть ротора алектродвигателя состоит из магнитопровода системы возбуждения 1 с обмотками возбуждения 2 и немагнитной втулки 3, в пазах которой

1.азмещены магнитопроводы 4 ротора динамического трансформатора. Число этих магнитопроводов равно числу пар полюсов системы возбуждения. Оси магнитопроводов 4 располагаются со сдвигом относи.ельно друг друт а на два полюсных деления и со сдвигом относительно полюсов системы возбуждения на половину полюсного деления. Ширина каждого такого магнитопровода не должна превышать одного полюсногэ деления. На втулке 3 помещена также вторичная обмотка 5, оы атывающая магнитопроводы" 4 и служащая для питания обмоток возбуждения двигателя через выпрямитель, алементы которого (диоды 6 на фиг. 2) расположены на роторе.

В корпусе 7 закреплены магнитопровод статора двигателя 8 с размещенной в его пазах обмоткой якоря 9 и магнитопровод статора динамического трансформатора. ПоследнЫ соСтгчт йз феррбмагнитных стержневых П-образных пакетов, замыкающих магнитный поток динамического трансформатора в аксиальном направлении. Общее количество этих пакетов, равно произведению числа секций обмотки якоря на число полюсе системы возбуждения (в предлагаемой конструкции их число равно две надцати). Пакеты состоят из радиально расположенных магнитопроводов 10, 11, соединенных магнитопроводами 12. На мат нитопроводах 12 размещены первичные обмотки динамического трансформатора и вторичные обмотки, число которых равно числу секций обмотки якоря. Все первичные обмотки, расположенные на магнитопроводах 12, соединены согласно и созда-. ют переменный магнитный поток, замыкающийся в аксиальном направлении. Каждая вторичная обмотка состоит из последоватеш но соединенных двенадцати секций, расположенных на магнитопроводах 12 (по три обмотки сот ласно), что эквивалентно вторичной обмотке, выполненной с шагом, равным полюсному делению и пространственно ориентированной относительно соот. .ватствующей обмотки якоря.

Принципиальная электрическая схема двигателя представлена на фит. 3. Первичная обмотка 13 динамического трансформатора подключается к сети однофазного переменного тока. Вторичные обмотки (на фиг. 3 их.число равно трем) соединяются с соответствующими секциями обмотки якоря. Каждая секция намотана

561257 двойным проводом с шагом, рявныГ.! полюс .— люсному делению, 1аким образом, каждая секция якоря состоит из двух отдельных обмоток, расположенных в одних и тех же пазах, благодаря чему л ежду ними возника- 5 ет сильная магнитная связь (коэффициент связи близок к единице).

Последовательно с каждом обмоткой включена пара соединенных встречно-параллельно тиристоров. Одна из двух обмоток, 10 принадлежащая данной секции, подключена к началу вторичной обмотки динамического трансформатора своим концом, втораяначчлом.

На фиг. 4 представлена схема намотки 15 одной из трех вторичных обмоток 14 диьамического трансформатора (фиг. 3, 4) и соответствующих ей обмоток секции якоря 15, 16 (фкг. 3, 4), последовательно с которыми всключены встречно параллель- 20 ные тиристоры 17, 18 и 19, 20 (фиг. 3, 4). Активные проводники секции обмотки якоря находятся в зоне действия полюсов системы возбуждения.

Контур вторичной обмотки 14 сцепля- 25 ется с переменными. потоками динамического трансформатора. На фиг. 4 условно показаны направления силовых линий в зонах действия переменных потоков. Они смещены относительно зон действия пото- ЗО ков возбуждения на половину полюсного деления, поскольку магнитопроводы 4 ротора динамического трансфторматора смещены относительно полюсов возбуждения.

На фиг. 5 представлены графики алек- 35 тромагнитных процессов двигателя, как функции времени, а именно 21 - переменное напряжение питания первичной обмотки динамического трансформатора, 22 - переменное напряженке цепи обмотки 15, 23- 40 переменное напряжение в цепи обмотки 18.

Напряжения 22, 23 показаны изменяющимися в противофазе, так как они отсчк тываются относительно одноименных зажимов этих обмоток, 24- импульсы управления тиристорами 17, 18, 25 - импульсы управления тиристорамк 19, 20, 26 - ток в обмотке 15, 27 — ток в обмотке 16.

Электродвигатель работает следующим образом.

Силовые линии аксиальных магнитных потоков динамического трансформатора, сцепляясь с контурами его вторичных обмоток, в любой момент времени имеют от» носктельно этих контуров одинаковое направление. Так как число магнктопроводов

4 вдвое меньше числа полюсов системы возбуждения, а сдвиг между их осями сос тавляет два полюсных деления, индуктируе. Е мые во вторичных обмотках переменные э,д.с. суммируются (например, в обл отке

14, фиг. 4).

При смещении в процессе вращения магнитопроводов 4, а следовательно, и зон действия переменных потоков нв угол, равный половине полюсного деления (в данном случае на 45 градусов) относительно положения, показанного на фиг. 4, суммарная индуктируемая обмотки переменная э,д.с. станет равной нуг.ю, а при смешении на угол, больший 45 градусов, произойдет опрокидывание фазы э.д.с. на 18 эл. град.

В каждой вторичной обмотке динамического трансформатора присоединена секция якоря, состоящая из двух обл оток.

Коммутацию токов в секциях якоря удобно рассмотреть на примере одной секции, 1 состоя кей иэ обмоток 15, 16, присоединенных ко вторичной обмотке динамического трансформатора 14 (фиг. 3,4). При указанном выше " .порядке подключения одноименных зажимов этих обмоток наведен ная трансформаторная э.д.с. оказывается приложенной к ним в протквофазе1(кривые

22, 23 на фиг, 5). На тиристоры 17, 18, регулирующие величину тока в обмотке 15, подается последовательность импульсов уп равления 24 на тиристоры 19, 20, регулирующие ток в обмотке 16 — последовательность импульсов 25, Для каждой иэ двух обмоток, составляющих данную секцию якоря, совпадение во времени положительной полуволны э.д.с. и импульса на управляющем электроде обеспечивается лишь для одного иэ двух тирис; торов, поэтому в каждой обмотке протекает выпрямленный пульсирующий ток.

Так как импульсы управления двумя обмотками секции сдвинуты во времени на половину периода напряжения питания, то соответственно сдвинуты во времени и импульсы тока в этих обмотках (кривые 26, 27 на фиг. 5). Поэтому суммарная намат ничивающая сила каждой секции получается такой же, как если бы она создавалась одной обмоткой, питаемой током, полученным в результате двухполуперкодного выпряИления.

Изменение направления тока в обеих обмотках секции происходит в момент оп 1окидывания фазы э.д.с., когда активные проводники секции находятся на линии нейтрали, т.е. между соседними полюсами ск стемы возбуждения.

Регулирование величины тока в секциях обмотки якоря (a, следовательно, и скорости вращения двигателя) осуществля ется .за счет синхронного сдвига во времени обеих последовательностей импульсов упоав

561257 ления относительно напряжения питания. Первая последовательность подается на управляющие электроды тиристоров, регулирующих ток в одной из двух обмоток секций якоря (например, на тиристоры всех левых обмоток, показанных на фиг, 3). Вторая последовательность подается на тиристоры всех правых 06MoTQI(, Бесконтактный реверс двигателя обеспечивается сменой оследовс цельности им- 10 пульсов уцравле„;:, поступающих на т:.Рис-. торы.

При Регулировании тока и секциях обмотки якоря могут возникать два режима, в определенной мере аналогичных режимам 15 работы обычных регулируемых двухполупериодных выпрямителей, а именно, Режим

МаЛЫХ УГЛОВ ОтКРЫтИЯ тИРИСтОРОВ, IIPH КОi тором импульсы тока l3 двух обмотках секции не перекрывают друг друга во времени, режим больших углов открытия тиристоров, когда имеется интервал времени, в течение которого ток, протекает в обеих обмотках. Благодаря сильной магнитной связи между ними длительность етого интервала р5 по сравнению с периодом частоты питания очень мала. B течение етого времени осущесгвляется трансформаторная связь между обмотками, которая приводит к быстрому сбросу тока в одной из них и столь же 30 быстрому нарастанию в другой. В етом режиме среднее значение тока в обмотках практически не зависит от их индуктивностей, хотя для каждой из двух обмоток секции, взятых отдельно, осуществляется ре- 35 жим прерывистого тока, При этом обеспечиваютси достаточно высокие энергетические показатели электродвигателя и однс временно устраняется возможность возникновения режимов короткого замы ения ис- 40 гочника питания при коммутации тока в обмотках, особенно в режиме реверса.

При питании двигателя от неуправляемого однофазного инвертора динамический трансформатор может использоваться в качестве выходного трансформатора инвертора.

Формула изобретения

Вентильный электродвигатель, содержащий синхронную машину с расположенными на статоре секциями обмотки якоря и силовой датчик положения ротора, выполненный в виде динамического трансформатора с явнополюсным ротором, число зубцов которого равно числу пар полюсов синхронной машины и статором с первичной н вторичной обмотками, соединенными с секциями обмотки якоря через управляемые ключи, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции датчика и повышения энергетических показателей двигателя, магнитопроводы статора динамического трансформатора выполнены в виде стержневых П-образных пакетов, число которых равно произведению числа полюсов двигателя на число секций обмотки якоря, на каждом магнитопроводе помещена одна катушка первичной обмотки и катушки вторичной обмотки в Количестве, равном числу секций обмотки якоря, причем все катушки первичной обмотки соединены согласно, а катушки вторичной обмотки обьединены в группы, число которых равно числу полюсов синхронной машины, катушки внутри группы соединены последовательносогласно, а группы катушек между собойпосле довательно-встречно.

Источники информации принятые во внима мание при экспертизе:

1. Авторское свидетельство СССР, кл. Н 02 К 29/04 hh 445104> 1972, 2. Авторское свидетельство СССР кл. Н 02 К 29/04 М 405158, 1972, 56 1257

Составитель А. Санталов

Редактор В. Фельдман Техред М. Левицкаи Корректор Л. Небола

Заказ 1586/156 Тираж 917 По дписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж35, Раушская наб., д. - /5

Филиал ППП "Патент, г. Уна"ород, ул, Проектная, 4