Вентильный электродвигатель

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<1>785929 (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 03. 07 ° 78 (21) 2640361/24-01 с присоединением заявки ¹(23) ПриоритетОпубликовано 071280 Бюллетень ¹ 45

Дата опубликования описания 10,1280 (51)М. Кл.

Н 02 К 29/02

Государствеииый комитет

СССР

l10 делам изобретеиий и открытий (5З) УДК 621. 313. 13..014.2:621.382. (088.8) (72) Авторы изобретения

В.М.Пименов и В.N Íèêèòèí (71) Заявитель (54 ) BEHTHJIbHbIA ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ка (1) 30

Изобретение относится к специаль ным электрическим машинам и может быть использовано в реверсивных электроприводах малой мощности.

Известны вентильные электродвига- 5 тели (ВД), состоящие из электрической машины с вращающимся индуктором датчика положения ротора с чувствительными элементами типа "дроссель насыщения", бесконтактного коммута- 10 тора,.подключающего секции якорной обмотки машины к источнику питания в функции сигналов датчика положения ротора и преобразователя постоянного напряжения в переменное высокой 15 частоты. управление транзисторами коммутатора производится непосредственно выпрямленными сигналами датчика.положения ротора, без промежуточного их усиления и преобразования. 20

Транзисторы подключают секции якорной обмотки к источнику постоянного тоТакой ВД имеет существенный недостаток: при вращении ротора элек- тродвигателя дроссели датчика положения ротора периодически переходят из ненасыщенного состояния в насыщенное и наоборот. В процессе перехода дросселя насыщения из одного состояния в другое соответствующий транзистор RoMMyTaTopa находится в энергетически напряженном усилительном режиме работы с большим тепловыделением. Это ведет к увеличению массы и габаритов коммутатора, а также снижает надежность устройства.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является ВД, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, каждая секция якорной обмотки которой получает питание от отдельного ключа, управляемого с выхода формирователя сигналов датчика положения ротора. Количество формирователей равно числу чувствительных элементов типа "дроссель насыщения" датчика положения ротора. Формирователь представляет собой асинхронный

RS-триггер, на первый вход которого подаются импульсы с дросселя насыщения, предварительно усиленные и инвертированные, на второй вход через элемент совпадения И подаются выходные сигналы двух последующих (по порядку переключения) триггеров.

Асинхронный триггер в каждом канале ,управления обеспечивает надежную и ,экономичную работу усилителя по прин785929 ципу включен-выключен с практически мгновенным переходом из одного состояния в другое. Однако построение схемы управления триггерами выполнено неэффективно i2J .

Применение данного устройства в реверсивном электроприводе затруднено, так как в момент смены направления вращения ротора электродвигателя нарушается логика выделения сигнала на втором входе RS-триггера (в этот момент времени последующий триггер по очередности включения становится предыдущим).

Кроме того, возможно такое исходное положение ротора электродвигателя перед пуском, когда импульсы t5 подаются на вход только одного

RS-триггера. Остальные триггеры устанавливаются в произвольное устойчивое состояние и поэтому могут сформировать на входах усилителей ложную gp комбинацию управляющих сигналов, которая ведет к неверному подключению секций якорной обмотки. По этой причине ротор электродвигателей начнет поворачиваться в направлении, обратном заданному или.вообще не ронется.

Цель изобретения — расширение области применения за счет обеспечения надежного пуска ВД и использование его как в реверсивном, так и нереверсивном приводе.

Цель достигается за счет дополнения ВД блоком из трех схем временной задержки, подключенных последовательно,друг к другу и синхронизированных с положительной полуволной перемен- 35 ного напряжения на обмотках дросселей, при этом выход первой временной задержки подключен ко второму входу первой схемы совпадения, а выход третьей временной задержки подключен 4g ко второму входу второй схемы совпадения в каждом канале формирования сигналов датчика положения ротора.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема ВД на фиг. 2 †. диаграммы напряжений на основных элементах схемы.

ВД содержит источник 1 постоянного напряжения, преобразователь 2 постоянного напряжения в переменное высокой частоты (около 20 кГц), датчик 3 положения ротора, состоящий из диэлектрической немагнитной втулки 4 и жестко сочлененного с ва ом электродвигателя постоянного магнита 5 секторообразной формы.

Втулка 4 содержит чувствительные элементы 6-8 типа "дроссель насыщения", резисторы 9-12, транзисторы

13 и 14 проводимости п-р-п, элементы

НЕ 15 и 16, двухвходовые элементы 40

17-20 совпадения 2И-НЕ", RS-триггеры

21 и 22 с инверсными входами, однотипные формирователи 23-25 выходных сигналов дросселей насыщения, бесконтактные ключи 26-28 коммутатора 6$

29", электродвигатель 30 с трехсекционной лучевой якорной обмоткой А, B С и вращающимся электродвигателем

31, однотипные схемы 32-34 временных задержек.

ВД выполнен с трехсекционной лучевой якорной обмоткой A,Â,С, подключаемой к источнику 1 питания с помощью бесконтактных ключей

26-28 коммутатора 29 в функции углового положения ротора. Для этого с валом электродвигателя

30 сочленен датчик 3 положения ротора, который является индикатором углового положения ротора с электрическими выходными сигналами . Конструктивно он цредставляет собой втулку

4, в прорезях которой расположены дроссели насыщения 6-8. Прорези на втулке расположены на дуге длиной

5Q)/р- 3 60 Р и) геометрических градусов, ерез 360/ рп геометрических градусов, где р — число пар полюсов электродвигателя, — число секций якорной обмотки. Внутри втулки вращается постоянный магнит 5, жескто сочлененный с ротором электродвигателя 31.

Постоянный магнит имеет форму сектора шириной Ý60/рП геометрических градусов. Число секторов постоянного магнита равно числу пар полюсов электродвигателя. Втулка зафиксирована относительно статора электродвигателя.

При вращении ротора электродвигателя магнитный поток постоянного магнита

5 ноочередно пронизывает сердечники дросселей 6-8, насыщая их. Величина вольтсекундных "площадок" полуволн переменного напряжения на обмотке дросселя зависит от степени насыщения его сердечника.

В формирователях 23-25 осуществляется преобразование вольтсекундных

"площадок" напряжения в однополярные импульсы, появляющиеся при насыщении соответствующих дросселей

6-8. В состав формирователя входит транзистор 14 проводимости п-р-п,параллельно переходу база-эмиттер которого подключена обмотка дросселя 8. Транзистор выполняет функции индикатора напряжения положительной полярности на обмотке дросселя и дополнительно своим переходом базазмиттер ограничивает рабочее напря.жение дросселя на уровне (p,8-1,p) В.

Коллекторный вывод транзистора подключен на первые входы элементов совпадения 18 и 20: ко входу элемента совпадения 18 подключен непосредственно, а ко входу элемента совпадения 20 — через элемент НЕ 16. На вторые входы элементов совпадения подключены выходы блока временных задержек 32 и 34. импульсами с выхода элементов совпадения 18 и 20 управляется асинхронный RS-триггер

22, который, в свою очередь, включает или выключает бесконтактный

785929

35

50

60

65 ключ 28 коммутатора 29, непосредственно или через усилительно-логические элементы (изображены на фиг.1 пунктирной линией). Устройство содер>кит три однотипных формирователя: по одному на каждый дроссель насыщения и бесконтактный ключ.

Блок схем временных задержек

32-34.формирует три прямоугольных импульса, следующих один за другим, первый из .которых, с выхода схемы задержки 32, синфазен с передним фронтом положительной полуволны переменного напряжения на обмотке дросселей. Для этого выход первой схемы временной задержки 32 подключен ко входу второй временной задержки 33, выход второй — ко входу третьей 34, а переменное напряжение со второго выхода преобразователя 2 подается на вход первой из схем временной задержки. Кроме того, выход первой схемы временной задержки подключен ко вторым входам всех элементов совпадения, имеющих непосредственную связь с транзисторами и формирователях, а выход третьей схемы временной задержки подключен ко вторым входам всех элементов совпадения, имеющим связь с теми же транзисторами через элемент HE.

Схема временной задержки может быть выполнена, например, на одном транзисторе проводимости п-р-п, включенном по схеме с обцим эмиттером и смещенном в открытое состояние по цепи базы. К базовому выноду транзистора подключен времязадающий конденсатор. Второй вывод конденсатора является входом временной задержки, а выходом ее служит коллекторный вывод транзистора. Диод на входе первой задержки служит для закорачинания входа при действии отрицательной полуволны переменного напряжения.

Преобразователь 2 постоянного напряжения в переменное высокой частоты выполнен по известной схеме

Ройера и необходим для питания дросселей насыцения датчика положения ротора, синхронизации работы схем временных задержек с положительной полуволной переменного напряжения на обмотках дросселей, а также для питания схемы формирователя и коммутатора пониженным постоянным напряжением с целью снижения потерь моцности. Для этого к обмоткам выходного трансформатора подключены выпрямительные диоды и фильтрующий конденсатор.

Работа ВД происходит следуюцим образом.

В исходном состоянии ротор электроднигателя 31 занимает произвольное положение. Сочлененный с ним постоянный магнит 5 датчика 3

25 положения ротора насыцает один или два дросселя. Пусть, например, насы щен дроссель 7. При подаче питания от источника 1 постоянного напря>кения запускается преобразователь 2, формирующий на обмотках трансформатора переменное напряжение прямоугольной формы. Переменное напряжение с выхода преобразователя подается через резисторы на вход блока временных задержек и на дроссели 6-8.

Под действием переменного напряжения на выходе схемы временной задержки

33 формируются единичные импульсы, ередний фронт которых совпадает по фазе с передним фронтом положительной полуволны переменного напряжения

iIa обмотке дросселей. Длительность импульса определяется параметрами

RS-цепочки схемы временной задержки

32.и составляет около 1/6 периода частоты преобразователя 2. На выходах второй и третьей схем 33 и 34 временной задержек также формируются единичные импульсы, которые следуют друг за другом. Длительность второго импульса составляет примерно 1/8 периода частоты преобразователя, а длительность третьего — 1/6 периода.

Единичные импульсы с выхода первой и третьей схем задержек подаются на вторые входы элементов 17 и 19 совпадения соответственно. В исходном состоянии устройства дроссель 7 насыщен и сопротивление его обмотки мало. Переменное напряжение, подаваемое с выхода преобразователя на обмотку дросселя, падает на резисторе 9. Переход база-эмиттер транзистора 13 накоротко зашунтиронан омическим сопротивлением насыщенноro дросселя 7. Транзистор 13 надежно закрыт и единичный сигнал с его коллекторного вывода подается на первый вход элемента совпадения 17 и на вход элемента HE 15, с выхода которого нулевой сигнал подается на первый вход элемента совпадения

19. Наличие нулевого сигнала на первом входе,элемента Л-HE 19 обуславливает единичный сигнал на его выходе и соответственно на R входе триггера 21. В моменты совпадения единичных сигналов на входах элемента 17 на его выходе появляются нулевые импульсы, первый из которых устанавливает RS-триггер 21 в единичное состояние (на выходе ( триггера появляется единичный сигнал). Напряжение с выхода триггера непосредственно или через вспомогательные элементы открывает бесконтактный ключ 27 коммутатора 29.

Бесконтактные ключи 26 и 28 закрыты, так как дроссели 6 и 8 ненасыщены и триггеры в формирователях

23 и 25 находятся в нулевом состоянии. Через открытый ключ 27 к секции якорной обмотки прикладывает785929 ся напряжение от источника 1. По секции начинает протекать ток, при взаимодействии которого с полем индуктора 31 возникает вращающий момент.

Ротор электродвигателя приходит в движение. При враееЕении ротора электромагнитное поле постоянного магнита датчика положения ротора начинает пронизывать сердечник дросселя 8, подмагничивая его.

На первом этапе насыщения дросселя 8 не происходит, так как величина подмагничивающего поля не превосходит разности между потоком насыщения сердечника еР и амплитудным значением потока з сердечнике, вызванного действием приложенного к обмотке-переменного напряжения в положительный полупериод. Индуктивное сопротивление дросселя 8 велико и почти все переменное напряжение с выхода преобразователя приклады- 20 вается к переходу база-эмиттер транзистора 14. Транзистор 14 в такт с положительной полуволной еременного напряжения открывается, формируя нулевые импульсы на коллекторном 25 выводе. Нулевые импульсы поступают на входы элемента совпадения 18 и элемента HE 16, на выходе последнего они становятся единичными. Единичные импульсы на первом входе элемента И-НЕ 20 совпадают с единичными импульсами, поступающими с выхода третьей схемы 34 временной задержки.

В моменты совпадения единичных импульсов на выходе элемента 20 появляются нулевые импульсы, которые, присутствуя на " Й входе триггера

22, надежно удерживают его в нулевом состоянии. В нулевое состояние триггер 22 совместно с триггером ,формирователя 23 переходит сразу пос- 40 ле подключения устройства к источнику питания 1. По мере дальнейшего поворота ротора электродвигателя величина магнитного потока постоянного магнита возрастает настолько, что дроссель 8 начинает насыщаться з конце полупериода положительной полуволны переменного напряжения.

В момент насыщения дросселя 8 транзистЬр 14 закрывается, оставаясь 5Î в этом состоянии з течение действия отрицательной полуволны напряжения.

Пропорционально моменту насыщения дросселя 8 сокращается длительность нуфевых импульсов на выходе транзистора 14 и, соответственно, единичных на выходе элемента HE 16. Наступает момент, когда длительность единичных импульсов на выходе элемента НЕ становйтся такой, что они уже не совпадают по фазе с импуль- Щ сами с выхода третьей схемы задержки и на выходе элемента совпадения

20 устанавливается по" òîÿííûé единичный сигнал. Такой же сигнал находится на выходе элемента совпадения д

18, и значит на обоих RS входах триггера 22 присутствуют единичные сигналы и он сохраняет свое прежнее состояние. Дальнейший поворот ротора электродвигателя ведет к еще большему подмагничиванию дросселя 8 и соответственному сокращению длительности нулевых импульсов транзистора 14 и единичных импульсов элемента НЕ. Наконец, наступает момент времени, когда длительность нулевых импульсов на выходе транзистора 14 становится меньше длительности импульсов первой схемы временной задержки, и единичные импульсы на входах элемента

18 начин,зют совпадать во времени. Hct выходе эЛЬмента совпадения 18 формируются нулевые импульсы, первой из которых, воздействуя на 5 вход триггера 22, переводит его в единичное состояние. Напряжением с выхода триггера открывается бесконтактный ключ 28 и по секции в якорной обмотки начинает гротекать ток, создающий вращающий момент. Ротор .двигателя поворачивается на больший угол и это ведет к еще большему насыщению дросселя 8 и увеличению длительности нулевых импульсов на входе триггера 22. При полном насыщении дросселя 8 их длительность становится равной длительности импульса первой схемы задержки. После переключения триггера 22 поворот ротора электродвигателя ведет к тому, что поток постоянного магнита, пронизывающий дроссель 7, начинает уменьшаться по величине. Когда магНИТНЫЙ ПОТОК СНИЗИТСЯ ДО ВЕЛИЧИНЫ меньшей потока насыщения дросселя, последний начинает перемегничиваться под действием переменного напряжения, приложенного к его обмотке.

Во время перемагничизания дросселя его индуктивное сопротивление велико и переменное напряжение с выхода преобразователя прикладывается ко входу транзистора 13. Транзистор открывается в положительный полупериод переменного напряжения,, формируя на коллекторном выводе нулевые импульсы.

Передний фронт нулевых импульсов совпадает с передним фронтом положительной полуволны переменного .напряжения. На величину длительности нулевых импульсов сокращается длительность единичных на выходе =-.ëåìåêта совпадения 17, Ko "äà нулевые импульсы сравняются с импульсами перВОЙ схемы врейенной задерж1<и ПО длительности, на выходе элемента совпадения 17 исчезнут нулевые импульсы, так как с этого момента на входах элемен-а И НЕ . 7 будет при аутстзозать нулевой импульс: вначале поочередно, а затем н одновременно.

На R и 5 входах триггера 21 находятся теперь единичные сигналы и он сохраняет сВОе предыдущее состояние.

785929

Ротор электродвигателя непрерывно поворачивается под действием вращаю. щегося момента, магнитный поток постоянного магнита, подмагничивающий сердечник дросселя 7, ослабляется, длительность нулевых импульсов на выходе транзистора 13 увеличивается. 3

Когда длительность нулевых импульсов возрастает настолько, что превзойдет сумму времени задержки первой и второй схем задержек, на входах элемента 19 будут совпадать единичные сиг- 30 налы, поступающие с выхода элемента

HE 15 и третьей схемы временной зацержки. В моменты совпадения единичных импульсов на выходе элемента 19 появляются нулевые импульсы, первый f5 из которых переключает триггер 21 в нулевое состояние. Бесконтактный ключ 27 закрывается, и секция В обесточивается. Электродвигатель продолжает вращаться, так как секция С обмотки находится под током. Последующий поворот ротора электродвигателя ведет к подмагничиванию дросселя 6 датчика положения ротора и переключению триггера с соответствующим переводом бесконтактного ключа .

26 в открытое состояние. Далее выходит из насыщенного состояния дроссель 8 и закрывается бесконтактный ключ 28. Затем вновь подмагничивается дроссель 7 и включает бесконтакт- 30 ный ключ 27. В момент закрытия бесконтактного ключа 26, при выходе дросселя 6 из насыщенного состояния, цикл переключения секций якорной обмотки заканчивается. В дальней- 35 шем циклы повторяются с частотой вращения поля индуктора электродвигателя. Электродвигатель разгоняется до заданной скорости вращения, величина которой может регулиро- 4О ваться напряжением источника питания 1.

ВД может быть использован в реверсивном варианте беэ изменения его принципиальной схемы. В этом случае устанавливается реверсор в 45 цепи питания обмотки индуктора электрической машины. При переключении реверсора изменяется направление протекания тока в обмотке индуктора и реверсируется ВД. 50

Наличие блока из трех схем временных задержек позволяет, во-первых, реализовать четкую работу каждого берконтактного ключа коммутатора независимо от исходного положения 55 ротора электродвигателя и направления его вращения, и, поэтому осуществить надежный запуск электродвигателя, во-вторых, обеспечить зону нечувствительности в очередности следования импульсов на R u входы каждого триггера по мере насыщения соответствующего дросселя датчика положения ротора. Это ведет к повышению надежности за счет исключения многократного переключения триггера и бесконтактного ключа в процессе вращения ротора электродвигателя, особенно при наличии вибрации последнего.

Формула изобретения

Вентильный электродвигатель, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, датчик положения ротора с и чувствительнымИ элементами типа„дроссель насыщения", коммутатор с и бесконтактными ключами, слУжащими цля подключения секций якорной обмотки к источнику постоянного напряжения в функции углового положения ротора, формирователя каждого из выходных сигналов датчика положения ротора, включающего в себя усилитель и RS-триггер с двухвходовыми элементами совпадения на R u S входах, на первый вход одного из которых выход усилителя подключен непосредственно, а на первый вход другого через элемент НЕ и преобразователь постоянного напряжения в переменное высокой частоты, выход которого подключен к чувствительным элементам датчика, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения путем создания воэможности использования его как в нереверсивном, так и реверсивном приводе, в устройство дополнительно введен блок из трех последовательно соединенных схем временных задержек, управляющая цепь первой из которых подключена к тому же выходу преобразователя, что и чувствительные элементы, при этом выход первой схемы временной задержки подключен ко второму входу первого элемента совпадения, а выход третьей сбсемы временной задержки подключен ко второму входу второго элемента совпадения в каждом формирователе.

Источники информации, приня-.ые во внимание при экспертизе

1.Двигатели постоянного тока с полупроводниковыми коммутаторами под ред. Е.И.Овчинникова. Л., "Наука", 1972, с. 116.

2.Патент Японии 9 49-21846, кл. 55 С 2, 1974 (прототип).

7!35 с2 » )

2!

) 2сl

-! Н)

7,!

p z /

l:И

p, ) с О 0 т с Н И т Е Jl h i4, C Q I I T II J1 O D

Редиктор С е 1IITOEB. ТеУо(, ;1 Ьссотеле зпч !сарре!(сop В 1утп

3 g -,< p 3 Я Я 5 5!3 / 5 !3 I. I!pa:к 7!!3 подписное !

3!!И!!ГИ! Гооударотз ел и ого ко:литета СССР по дедки;1зобрете Ill!I и от«реп .й

1 1 30 35, ".00.(ьс Х 35 Р сГ/11И01<ля пВб д . -1 /5 олл .ел !!!2!!"!!ате!:т, г.ужгород,ул. !!роентная, в!