Трансформаторный датчик положения ротора вентильного электродвигателя
966
ОПИСА
ИЗОБРЕТ
Союз Советских
Социалистических
Республик
К АВТОРСКОМУ СВИД (61) Дополнительное к авт. сви (22) Заявлено 21.05.76 (21) 23
2К 29/02
8С 9/04 с присоединением заявки
Гасударствеииый комитет (23) Приоритет
Опубликовано 30,09.79. 5
Дата опублпкования опис
1,313.292
88.8) па делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения В. А. Балагуров, Ю. И. Кирьянов, В. К. Лозенко, И. Н. Мелехов и А. М. Санталов
Московский ордена Ленина энергетический институт (71) Заявитель (54) ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ДАТЧИК ПОЛО)КЕНИЯ РОТОРА
ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Изобретение относи.ся к области автоматического контроля положения вращающегося обьекта, например ротора вентильного двигателя. Оно может применяться для регулирования в широких пределах частоты вращения, ее стабилизации и оптимального управлсния вентильного двигателя. Возмо>кны и иные области применения, например в системах зажигания двига-. елей внутреннего сгорания.
Известно устройство, в котором осуществляется регулирование частоты вращения вентильного двигателя с инвертором, управляемым суммарным сигналом датчика полсжения ротора и тахометрпческого устро.":ства. В процессе работы двигателя измен,":ется фазовый сдвиг суммарного сигнала (1).
11сдостаток устройства заключается в кокс. руктив;.ой сложности из-за наличия тахометрп еского устройства и в узости частной решаемой задачи управления. Данное устройство не имеет входной управляющей цепи и потому не может быть использовано для целей регулирования, стабилизации частоты вращения, реверса и управления электродвигателем по различным критериям оптимальности.
Известно также устройство для регулирования фазового сдвига выходных сигна1оВ датчика положения ротора с помощью фазорегулятора на активно-реактивных элементах (2). Недостатками известного устройства являются невозможность регулирования фазового сдвига сигнала в ооласти низких частот вращения и конструктивная сложность из-за наличия регулируемых фильтров.
Наиболее близким решением к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является трансформаторный датчик положения с регулированием фазы выходных сигналов, содержащий размеще..ные на якорях двух магнитнонесвязанных синхронных машин и подключенные к источнику питания две раздельно регулируемые первичные обмотки и общую многофазную вторичную обмотку (3).
В указанном датчике обеспечивается управление многофазным ннвертором при сохранении постоянного числа токоподводов и применение простейшего функционального преобразователя — трансформатора.
Так, например, для управления двумя мостовыми инверторами, соединенными с сдвинутыми на 30 эл. град. трехфазными системами обмоток якоря, достаточно соединить вторичные обмотки согласующих трансформаторов соответственно в звезду и треуголь30 ник. С помощью подобной же схемы легко
688966
1б
20>
00 ).>
-1О
1б
>0
60 получить систему, эквивалентную 24-х фазной.
При использовании датчика такого т.ша точность систсмы регулирования фазы управляющего сигнала не зависит от частогы вращения. Устройство управления сохраняет все достоинства одноканальной системы регулирования многофазного сигнала, имея перед известными системами то преимущество, что сохраняется жесткая связь каждого канала с источником управления во всех режимах работы системы, в том числе при пуске, Использование в качестве функциональных преобразователей трансформаторов и применение простых регулирующих устройств предполагает синусоидальную форму огибающей выходного напряжения датчика, что требует соответствующего распределения и укорочения обмотки и, следовательно, большого числа пазов на полюс и фазу q (обмотки с дробным q не применимы из-за наличия низкочастотной гармонической составляющей ЭДС) . Выполнение магнитной системы с большим q (с большим числом пазов) технологически затруднительно при ограниченном диаметре расточки статора датчика, что является его недостатком.
Разрешающая способность таких датчиков находится в прямой зависимости от соотношения частоты вращения двигателя и частоты питания датчика и должна превышать частоту вращения двигателя нс мспсс чем на два порядка. Для современных высокоскоростных двигателей частота питания датчика должна составит не менее 50 кГц.
Такая высокая частота питания требует применения соответствующих магнитопроводов. Наиболее подходящими оказываются ферриты из-за их высокой магнитной проницаемости и малых удельных потерь мощности на перемагничивание. Для обеспечения работоспособности трансформаторного датчика магнитные индукторы должны быть выполнены профилированными. Известно, что механическая обработка ферритов сложной формы затруднительна. Недостатком высокочастотного трансформаторного датчика положения на ферритах является
его конструктивная сложность и как следствие, трудоемкость и высокий процент брака при его изготовлении.
Целью изобретения является упрощение конструкции и технологии изготовления датчика.
Поставленная цель достигается тем, что датчик снабжен электропроводящими пластинами, число которых равно удвоенному числу полюсов электродвигателя, расположенными между якорем и индукторамп, магнитопроводы которых выполнены тороидальными, а угловой сдвиг между пластинами в пределах одной машины равен ее полюсному делению.
Кроме того, обмотка якоря выполнена с сскциями, охватывающими магнптопровод якоря, который может быть выполнен в виде одной детали и снабжен кольцевой короткозамкнутой обмоткой, расположенной между кольцевыми первичными обмотками.
Магнитопровод якоря может быть выполнен в виде цилиндра с расположенными на его противоположных сторонах, обращенных к индукторам, первичными обмотками.
Электропроводящие пластины могут быть установлены с возможностью вращения относительно неподвижно закрепленных магнитопроводов индукторов.
На фиг. 1 показана активная часть трансформаторного датчика; на фиг. 2 — расположение электропроводящих секторов на поверхностях индукторов датчика, изображенного на фиг. 1; на фиг. 3 — активная часть трансформаторного датчика обращенной конструкции; на фиг. 4 — то >ке с коаксиальным расположением первичных обмоток и индукторов; на фиг. 5 — то же с аксиальным зазором; на фиг. 6 — то же с общими магнитопроводами якорей и индукторов; на фиг. 7 — то же с нсподви>кными индукторами и вращающимися элсктропроводящими секторами.
Трансформаторный дачик (фиг 1) держит две идентичные синхронные i:ашипы, содержащие кольцевые первичныс обмотки 1 и 2, располо>кснныс, например, в кольцевых канавках магнптопроводов якорей 3 и 4. Торопдальная многофазная вторичная (якорная) обмотка 5 выполнена общей для обеих машин, что исключает влияние неравенства чисел витков вторичных обмоток отдельных машин. Индукторы 6 и
7 представляют собой ферритовые тороидальные сердечники, па которые нанесены каким-либо способом обращснныс к воздушному зазору электропроводящие секторы 8 и 9. Магнитопроводы индуктора и якоря разделены немагнитными прокладками соответственно 10 и 11.
На фиг. 2 представлено расположение электропроводящих секторов на поверхности индукторов для датчика с числом пар полюсов, равным двум. Электропроводящие секторы 8 и 9 условно заштрихованы.
Каждый сектор 8 и 9 должен иметь минимум один разрсз 12 и 13 в аксиальном направлении. Геомстрия секторов 8 и 9 одинакова, но секторы смещены па 90 эл. град.
Более удачна для двигателей с высокой частотой вращения конструкция, приведенная на фиг. 3. Здесь индукторы 6 и 7 выполнены внешними, заключены в прочную»еталлическую трубу 14, а секторы 8 и 9 расположены на внутренних поверхностях индукторов и, следовательно, не испытывают отрывающих напряжений.
Коаксиальное расположение первичных обмоток и пндукторов 6 и 7 трансформатор688966
l0
15 ного датчика, изображенного на фиг. 4, позволяет сократить аксиальные размеры.
На фиг. 5 изображен датчик торцового исполнения с аксиальным зазором. Якори 3 и 4 и индукторы б и 7 выполнены на общих магнитопроводах. Между кольцевыми первичными обмотками 1 и 2 установлена кольцевая короткозамкнутая обмотка 15. В данной конструкции это короткозамкнутый виток, напыленный на поверхности магнитопровода индукторов.
Короткозамкнутая обмотка 15 может быть размещена также и на магнитопроводе якорей 3 и 4, например, в кольцевой канавке (фиг. 6). В этой конструкции она также должна быть установлена между кольцевыми первичными обмотками 1 и 2.
Один из вариантов трансформаторного датчика с минимальной инерционностью представлен на фиг. 7. В этой конструкции индукторы неподви>кно закреплены, а электропроводящис секторы 8 и 9 механически связаны и установлены с возможностью вращения между поверхностями якорей и индукторов.
Трансформаторный датчик работает следующим образом.
При обесточенной первичной обмотке 2 магнитный поток, созданный переменным током первичной обмотки 1, наводит ЭДС во вторичной обмоткс 5 с частотой протекающего тока. Чередование экранированных электропроводящп vIH секторами участков индуктора и неэкранированных аналогично чередованию пазов и зубцов в индукторной синхронной машине. Поэтому амплитуда ЭДС вторичной обмотки модулирована по величине в соответствии с положением индуктора, а при каждом повороте индуктора на 180 э. град. фаза ЭДС инвертирустся, что служит сигналом о положении ротора двигателя, с которым датчик связан механически. Отношение ширины зубца (неэкранированного участка) к ширине паза (экранированного участка), с точки зрения обеспечения требуемой формы кривой поля в воздушном зазоре, выбирается в первом приближении по тем же правилам, что и в индукторных машина«. Если теперь к источнику переменного тока подключить первичную обмотку 2 и установить в нсй ток, равный току в обмотке 1, то в силу идентичности физических процессов, происходящих во второй синхронной машине датчика, и поскольку ее магнитная система (электропроводящ?1е секторы) смещена относительно первой па 90 эл. град. моменты инвертирования фазы ЭДС вторичной обмотки будут происходить при други« положениях ротора двигателя, а именно будут смещены на 45 эл. град. относительно Ie« положений, при которых происходило инвертирование фазы ЭДС при отключенной обмотке 2. 0 д ,0
-15
Регулируя величины токов в первичных обмотках 1 и 2, мож?.:î в широких пределах регулировать угловыс моменты инвертирования фазы ЭДС, т. е. фазу выходного сигнала от 0 до 360 эл. град.
Нормальная работа трансформаторного датчика обеспечивается прп магнитной развязке синхронны«машин. В конструкциях датчиков, пзображенны«на фпг. 1 и 3, это обеспечивается немагнитными прокладками
10 и 11, в конструкция«изображенны«на фиг. 4 и 7 — размещением индукторов на немагнитной трубе, в датчика«изображенных на фиг. 5 и 6 — установкой короткозамкнутой обмотки 15 между первичными обмотками 1 и 2. Короткозамкпутая обмотка 15 локализует электромагпштныс поля первичных обмоток 1 и 2, создавая эффект магнитной развязки.
Использование изобретения позволяет изготовлять магнитопроводы из ферритов при использовании только хорошо освоенны« операций шлифовки цилиндрически«поверхностей тороидальных сердечников. Максимально упрощаются намоточныс работы, которые могут быть автоматпзпрованы.
Формула изобретения
1. Трансформаторный датчик положения ротора вентильного электродвигателя, содержащий две сш?хронные машины с магнитопроводом якоря, несущим кольцевые первичные обмотки, подключенные к раздельно регулируемым источникам напряжения, общей обмоткои якоря и индукторамп, установленными с фиксированным угловым смещением, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения те«нологичности, датчик снабжен электропроводящимп пластинами, число которых равно удвоенному числу полюсов электродвигателя, расположенньп|и между якорем и пндукторами, магнптопроводы которых выполнены тороидальными, а угловой сдвиг между пластинами в предела«одной машины равен ее полюсному делению.
2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что обмотка якоря выполнена с секциями, охватывающими магнптопровод якоря и обе первичные обмотки.
3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что магнитопровод якоря выполнен в виде одной детали и снабжен кольцевой короткозамкну Toll оомоткой, расположен? ой между кольцевыми первичными обмотками.
4. Датчик по пп. 1 и2, отличающийся тем, что магнитопровод якоря выполнен в виде цилиндра с расположенными на его противоположны«сторона«, обращенных к пндукторам, первичными обмотками.
5. Датчик по и. 1, отличающийся тем, что электропроводящие пластины установлены с возможностью вращения относительно неподвижно закрепленных магнитопроводов индукторов.
688966
S 1O
Фиг.а
Фиг.1
Я 12
11 7 фиг,2
Фиг,Ф
7 фиг. 7
Фиг.6
Заказ 2!24/13 Изд. ¹ 556 Тираж 866 Подписное
HIIO «Поиск»
Типография, пр. Сапунова, 2
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Авторское свидетельство CCCI № 272984, кл. Н 02К 29/02, 1969.
2. Патент СШЛ М 3377535, кл. 318-138, 1963.
3. Авторское свидетельство СССР
¹ 425276, кл. Н 02К 29,102, 1971,
