Вентильный электродвигатель

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОВРЕТЕ Н ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ()845234

Союз Советским

Социалистическик

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 10.08.79 (21) 2808989/24-07 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (51) М. Кл,з

Н 02 К 29/02

Гасударственный камитет ле делам лзабретений и юткрмтий

Опубликовано 07.07.81. Бюллетень №25

Дата опубликования описания 17.07.81 (53) УДК 621.313. .13:014.2:621. .382 (088.8) В. Д. Косулин, Г. Б. Михайлов, В. А. Прозоров / и В. В. Путников

ГРМ, „,. р, с, Бщ ((„, \ (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) ВЕНТИЛЬНЫЛ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к области электротехники, в частности к вентильным электродвигателям (ВД) . Кроме того, данное изобретение может быть использовано в устройствах перемотки магнитной ленты в магнитофонах.

Известен ВД, в котором реализована механическая характеристика, близкая к линии равной механической мощности, за счет аппроксимации ее участками характеристик статической стабилизации частоты вращения вала двигателя и ограничения потребляемого двигателем тока (1).

Недостатком такого электродвигателя является снижение КПД при увеличении диапазона частот. вращения, соответствующих малой жесткости механической характеристики, так как с увеличением глубины регулирования частоты вращения КПД двигателя падает.

Для двигателей, предназначенных для работы в электроприводе мотор — колесо, необходимо осуществлять режимы рекупера.ции энергии в сеть либо динамического торможения. Эти режимы могут быть реализованы при использовании коммутаторов, силовая часть которых выполнена по мостовой схеме с обратными диодами.

Известен также ВД, который по технической сущности и технико-экономическому эффекту является наиболее близким к предложенному устройству. ВД содержит статор с расположенной на нем многофазной обмоткой, каждая фаза которой включена в одну из диагоналей моста, каждое плечо которого образовано параллельно соединенными транзистором и диодом, а другая диагональ моста подключена к источнику питания, и датчик положения ротора, соответствующие входы которого подключены к управляющим входам транзисторов плеч моста (2) . B3, имеет линейную механическую характеристику, отличную от линии равной механической мощности, что является его недостатком.

Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия двигателя в широком диапазоне изменения частоты вращения вала двигателя.

26 Для достижения этого в известный бесконтактный электродвигатель постоянного тока, содержащий статор с расположенной на нем многофазной обмоткой, каждая фа845234 за которой включена в одну из диагоналей моста, каждое плечо которого образовано параллельно соединенными транзистором и диодом, и датчик положения ротора, соответствующие выходы которого подключены к управляющим входам транзисторов плеч моста, подключенным к началам фаз многофазной обмотки, введены последовательно соединенные датчики средней частоты вращения, пороговое устройство и инвертирующая цепь, по два в каждой фазе последовательно соединенных силовых транзистора, включенных во вторую диагональ моста, параллельно каждому из которых включены последовательно соединенные диод и стабилитрон, а управляющие входы силовых транзисторов подключены к соответствующим выходам датчика положения ротора через реле, управляющие входы которых подключены к выходу порогового устройства, последовательно соединенные второе пороговое устройство и реле отключения, управляющий вход которого соединен с выходом инвертирующей цепи, датчик положения ротора подключен к источнику питания через блок отключения, управляющий вход которого соединен с выходом реле отключения, вторая диагональ моста подключена к источнику питания через датчик тока, выход которого соединен с входом второго порогового устройства, на статоре двигателя расположена соосно первой вторая многофазная обмотка, конец каждой фазы которой подключен к точке соединения между собой силовых транзисторов, а начало подключено к концу соответствующей фазы первой многофазной обмотки, причем управляющие входы транзисторов плеч моста, подключенньгх к концам фаз первой многофазной обмотки, соединены с соответствующими выходами датчика положения ротора через реле, управляющие входы которых подключены к выходу инвертирующей цепи.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 — его механическая характеристика.

На фиг. 1: 1 — фаза первой многофазной обмотки; 2 — фаза второй многофазной обмотки; 3 — датчик тока; 4 — второе пороговое устройство; 5 — реле отключения;

6 — блок отключения; 7 — датчик положения ротора; 8, 9, 10, 11 — реле; 12 — датчик средней частоты вращения; 13 — пороговое устройство; 14 — инвертирующая цепь; 15, 16, 17, 18 — транзисторы плеч моста; 19, 20, 21, 22 — диоды плеч моста; 23, 24 — силовые транзисторы; 25, 26 — диоды; 27, 28— стабилитроны. Датчик 7 положения ротора имеет выходы 29 — 31, число которых равно числу фаз обмотки якоря.

На фиг. 1 статор двигателя не показан.

Кроме того, представлена лишь одна фаза двигателя, так как другие фазы идентичны данной. Элементы, относящиеся к данной фазе, ограничены штрих-пунктирной линией.

1О

15 го

25 зо

На фиг. 2: и —; М— момент нагрузки на валу; М©, М Мс.— величины момента нагрузки в соответствующих точках механической характеристики, близкой к линии равной мощности; пд, ng,, п — частота вращения вала двигателя в соответствукнцих точках механической характеристики; Мд — пусковой момент; и о— частота холостого хода; U+ — напряжение источника питания.

Фаза многофазной обмотки 1 включена в одну из диагоналей моста, каждое плечо которого образовано одним из транзисторов 15 — 18 и соответственно одним из диодов 19 — 22, включенными параллельно. В другую диагональ моста включены последовательно соединенные силовые транзисторы 23 и 24, параллельно каждому из которых включены последовательно соединенные диод и стабилитрон. На статоре двигателя соосно с первой обмоткой 1 расположена вторая многофазная обмотка 2, начало Н1 каждой фазы которой подключено к концу К, соответствующей фазы первой многофазной обмотки 1, а конец К фазы второй многофазной обмотки 2 подключен к точке соединения между собой силовых транзисторов 23 и 24. Вторая диагональ моста каждой фазы подключена к источнику питания через датчик тока 3, выход которого подключен через последовательно соединенные второе пороговое устройство 4 и реле отключения 5 к управляющему входу блока отключения 6, включенного в цепь питания датчика 7 положения ротора. Выход 29 (для первой фазы; см. фиг. 1) датчики 7 положения ротора подключен к управляющим входам транзисторов 15 и 16. Управляющие входы транзисторов 17, 18, 23, 24 через реле 8, 9, 10, 11 подключены к выходу 29 датчика 7 положения ротора. Выход датчика 12 средней частоты вращения через последовательно соединенные пороговое устройство 13 и инвертирующую цепь 14 подключен к управляющим входам реле 8, 9 и реле отключения 5. Выход порогового устройства 13 подключен также к управляющим входам реле 10 и 11. Другие выходы датчика 7 положения ротора подключаются к соответствующим управляющим входам транзисторов в других фазах, выполненных идентично фазе, представленной на фиг. 1, где пунктиром выделены элементы, относящиеся к одной фазе. Элементы 3, 4, 5, 6, 7, 12, 13, 14 являются общими для всех фаз.

Работает устройство следующим образом.

Пороговое устройство 4 установкой напряжения U i настраивается на величину тока в двигателе при моменте нагрузки на валу М . Пороговое устройство 13 установкой напряжения U p настраивается на величину сигнала с датчика 12 средней частоты вращения, соответствующего частоте вращения п . Величина напряжения U и U выбирается таким образом, чтобы выполня845234 лось условие =Myna: const. Исходное состояние элементов схемы при пуске двигателя: реле 5, 8, 9 нормально разомкнуты, реле 10, 11 нормально замкнуты. При подаче напряжения питания двигатель начинает разгоняться по естественной механи- 5 ческой характеристике на участке М„ (фиг. 2), крутизна которой определяется параметрами включенных последовательно обмоток 1 и 2. При этом коммутацию тока в обмотках по сигналам с датчика 7 положения ротора осуществляют транзисторами 15, 16, 23, 24. При достижении частоты вращения ng по сигналу с датчика 12 средней частоты вращения вала срабатывает пороговое устройство 13, в результате чего контакты реле 10 и 11 размыкаются, а контакты реле 8, 9 и 5 замыкаются. При этом вторая многофазная обмотка 2 отключается от источника питания, так как управляющие входы транзисторов 23, 24 контактами реле 10 и 11 отключены от выхода 29 датчика положения ротора 7, и вступают в работу транзисторы 17 и 18, управляющие входы которых через реле 8 и 9 подключаются к выходу 29 датчика положения ротора 7.

Теперь работает лишь многофазная обмотка 1. Так как контакты реле 5 замкнуты и частота вращения двигателя в данный момент равна п, то ток в обмотке 1 стремится возрасти, что приводит к возрастанию сигнала с датчика тока 3, срабатыванию порогового устройства 4 и блока отключения 6, в результате чего происходит отклю- зп чение датчика- 7 положения ротора от источника питания. Это приводит к запиранию транзисторов 15, 16, 17 и 18 и отключению обмотки 1 от источника питания. При этом ток в обмотке 1 начинает уменьшаться. При уменьшении тока сигнал с датчика тока 3 уменьшается, пороговое устройство 4 переходит в исходное состояние, контакты блока отключения 6 замыкаются и датчик 7 положения ротора вновь подключается к цепи питания, а об- 4 мотка 1 также оказывается подключенной к источнику питания. Таким образом, ток в обмотке 1 не может возрасти выше уровня, определяемого настройкой второго порогового устройства 4, а двигатель работает на участке 6 — а механической характеристики.

При достижении частоты вращения п,„второе пороговое устройство 4 перестает срабатывать по сигналу с датчика тока 3 и двигатель далее работает на участке а — n (фиг. 2) механической характеристики, крутизна которой определяется параметрами обмотки 1. При увеличении нагрузки на валу устройство работает в обратной, последовательности. При работе устройства на частотах вращения, больших ng, в неработающей обмотке 2 возникает ЭДС вращения, которая в случае отсутствия стабилитронов

27 и 28 могла бы замыкаться через диоды 25 и 26 и транзисторы 17 и 18, вызывая появление тока в обмотке 2, что привело бы к созданию в двигателе тормозного момента и, следовательно, к снижению мощности на валу и КПД. Диоды вместо стабилитронов

27 и 28 ставить нельзя, так как при работе двигателя на участке Mg механической характеристики, когда ток в обмотках коммутируется транзисторами 15, 16, 23, 24, ЭДС самоиндукции, возникаемая в обмотке 2 при коммутации тока в ней, достигла бы недопустимо больших значений, что могло бы привести к выходу из строя транзисторов

23 и 24. Выбирая соотношение чисел витков первой и второй многофазных обмоток 1 и 2, можно получить принципиально любое отношение частот вращения п /ng, т.е. получить практически любой диапазон изменения частоты вращения, соответствующий участку «мягкой» механической характеристики. Выбором активного сопротивления обмоток 1 и 2 можно обеспечить такую жесткость механической характеристики на участке М I, (фиг. 2), чтобы в заданном диапазоне изменения моментов нагрузки (например в диапазоне момента Ma..Mc) выполнялось условие

Ма =М ng = M

Испытания макетного образца показали работоспособность предложенного устройства и высокий КПД бесконтактного двигателя постоянного тока в широком диапазоне частот вращения (1:6), в котором механическая характеристика двигателя близка к линии равной механической мощности.

Применение мостовой схемы усилителя с обратными диодами позволяет использовать

ВД в электроприводах мотор — колесо практически любой мощности. Замена сериесных коллекторных двигателей на бесконтактные приведет к улучшению энергетических характеристик электроприводов и к увеличению срока их службы. Кроме того, реализация механической характеристики, близкой к линии равной механической мощности, при845234

7 ведет к снижению установленной мощности источника питания.

Формула изобретения

Вентильный электродвигатель, содержащий статор с расположенной на нем многофазной обмоткой, каждая фаза которой включена в одну из диагоналей моста, каждое плечо которого образовано параллельно соединенными транзистором и диодом, и датчик положения ротора, соответствующие выходы которого подключены к управляющим входам транзисторов плеч моста, подключенным к началу фаз многофазной обмотки, отличающийся тем, что, с целью получения механической характеристики, 15 близкой к линии равной механической мощности, и повышения коэффициента полезного действия двигателя в широком диапазоне изменения частоты вращения вала двигателя, в него введены последовательно соединенные датчик средней частоты вращения, 20 пороговое устройство и инвертирующая цепь, по два в каждой фазе последовательно сое-. диненных силовых транзистора, включенных во вторую диагональ моста, параллельно каждому на которых включены последовательно соединенные диод и стабилитрон, а управляющие входы силовых транзисторов подключены к соответствующим выходам датчика положения ротора через реле, управляющие входы которых подключены к выходу порогового устройства, последовательно соединенные второе пороговое устройство и реле отключения, управляющий. вход которого соединен с выходом инвертирующей цепи, датчик положения ротора подключен к источнику питания через блок отключения, управляющий вход которого соединен с выходом реле отключения, вторая диагональ моста подключена к источнику питания через датчик тока, выход которого соединен с входом второго порогового устройства, на статоре двигателя расположена соосно с первой вторая многофазная обмотка, конец каЖдой фазы которой подключен к точке соединения между собой силовых транзисторов, а начало подключено к концу соответствующей фазы первой многофазной обмотки, причем управляющие входы транзисторов плеч моста, подключенных к концам фаз первой многофазной обмотки, соединены с соответствующими выходами датчика положения ротора через реле, управляющие входы которых подключены к выходу инвертирующей цепи.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Японии № 50 — 34722, кл. 55 с 2, 1975.

2. Электромеханические устройства автоматики. Межвузовский сборник, вып. 100.—

ЛИАП, 1976, с. 76.

845234

Редактор Т. Загребельная

Заказ 417.6/5

Составитель А. Санталов

Техред А. Бойкас Корректор С. Корниенко

Тираж 730 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изо6ретений и открытий

1 13035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4