Вентильный электродвигатель

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 13. 08.80(21) 2973587/24-07 tS1) M. Кп. с присоединением заявки ¹

Н 02 K 29/02

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) ПриоритетОпубликовано 300882.Бюллетень ¹ 32

Дата опубликования описания 30.08.82 (33) УЩК 621. 313. .13.014.2:621, .382(088.8) 1, Г. И. Алексеев, Ю. M. Беленький, Ю. С. @тбров, М. M. Лебедев, H. Н. Мрочковский, M. Ô1. Минкин, С.A.МФ(рты енко и А. В. Скрылев

° ° ° ° °

Завод нМашиноаппарати, \ (72) Авторы изобретения (74 ) Заявитель (54) ВЕНТИЛЬННЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к электротехнике.

Известны вентильные электродвигатели (ВД), содержащие датчики скорости вращения и положения ротора,с насыщающимися магнитопроводами чувствительных элементов (1J .

Недостатками таких двигателей являются сложность и недостаточная надежность работы устройства в целом, обусловленные невосприимчивостью чувствительных элементов к направлению возбуждающего магнитного поля и наличием остаточных напряжений на выходе датчика, что приводит либо к снижению точности формирования выходных импульсов за счет нестабильности амплитуды сигнала, либо к снижению по мехоустойчивости системы при выделении переменной составляющей с помощью емкостных фильтров, что в конечном итоге не только снижает надежность работы электродвигателей в целом, но и ограничивает область их применения.

Известен также вентильный электродвигатель, содержащий ротор с расположенными на нем постоянными магнитами, статор с обмоткой якоря, секции которой соединены с выходом полупроводникового коммутатора, управляющие цепи ключей которого подключены к выходу индукционного датчика положения ротора, чувствительные элементы которого выполнены в вид ферромагнитного сердечника, на котором расположена обмотка, соединенная с источником высокой. частоты через резистор и диод, причем резистор подключен к управляющим цепям ключей коммутатора (2) .

Недостатками известного ВД являются относительно высокие масса и габариты, вызванные тем, что в многофазном варианте его исполнения чувствительные элементы должны быть размещены с максимальным сдвигом, а датчик положения ротора должен иметь отдельный постоянный магнит, либо должен быть значительно удлинен ротор двигателя.

Цель изобретения — снижение массы и габаритов двигателя.

Поставленная цель достигается тем, что ферромагнитные сердечники выполнены разомкнутыми, каждый чувствительный элемент снабжен аналогичными диодами с ферромагнитным сердечником и обмоткой, соединенной с первой обмоткой и источником высокой частоты

955398 по дифференциальной схеме, а чувствительные элементы расположены против торцовой поверхности ротора двигателя.

Причем длина сердечников по крайней мере в три раза превышает их ши- 5 рину. Кроме того, сердечники по крайней мере чувствительного элемента .выполнены в виде ферромагнитной детали.

Кроме того, вентильный электро- 10 двигатель снабжен инвертирующими элементами по числу чувствительных эле- ментов, электронным переключателем и управляющим органом включающим в себя последовательно соединенные 1g дифференцирующую цепочку, интегратор и компаратор, причем обмотки индуктивных чувствительных элементов подключены к полупроводниковому коммутатору через инверторы, вход каждой диф- 0 ференцирующей цепочки подключен к выходу коммутатора, а выход компаратора соединен с электронным переключателем и инвертором.

Электродвигатель снабжен нуль-органом, выполненным между чувствительными элементами и коммутатором.

На фиг. 1 приведена функциональная схема бесконтактного электродвигателя; на фиг. 2 — конструктивное исполнение индуктивных элементов и схема их включения на примере ВД е ротором, содержащими намагниченные в тангенциальном направлении постоянные магниты, расположенные между полюсами из магнитомягкого материала;35 на фиг. 3 — диаграммы напряжений на выходе датчика положения ротора; на фиг. 4 — качественная картина зависимостей В(И) = f(Н, I), поясняющая принцип работы датчика положе- 40 ния ротора, где  — индукция в сердечнике, Н вЂ” напряженность, U — напряжение на обмотке датчика, I - ток в ней.

Секции обмотки 1 якоря подключены к источнику 2 питания через полупроводниковый коммутатор 3.

Обмотки 4 индуктивных элементов, размещенные на ферромагнитных разомкнутых сердечниках 5, попарно соединены по дифференциальной схеме с однополупериодным выпрямлением и подключены к источнику б переменного напряжения непосредственно или через электронный ключ 7.

Сигналы обмоток индуктивных элементов, выделенные на активных сопротивлениях,поступают в полупроводниковый коммутатор 3 непосредственно, через инверторы 8 или через электронные нуль-органы 9.

В случае введения инвертора и электронного ключа 7 к их входам подключаатся дополнительный управляющий электронный орган 10, состоящий .из последовательно соединенных диф- 65 ференцирующей цепочки 11, интегратора 12 и компаратора 13, при этом вход дифференцирующей цепочки 11 подключается к выходам полупроводникового коммутатора 3.

Сердечники 5 индуктивных элементов одной пары устанавливаются относительно постоянных магнитов, закреп ленных на роторе 14 двигателя, что в каждый момент-времени через них проходит магнитный поток одинаковой величины. С этой целью может быть предусмотрена дополнительная подрегулировка в процессе их установки.

Причем показаны варианты выполнения сердечников 5 в виде единой детали (фиг. 2). Также показана установка 15 полюсных наконечников со стороны, обращенной к постоянным магнитам ротора (выноска 1) и ферромагнитного экрана 1б, охватывающего лобовые части обмотки статора электродвигателя.

В качестве насыщающего потока могут быть использованы не только торцовые потоки рассеяния ротора (фиг. 2), но и радиальные потоки рассеяния или часть рабочего потока ротора двигателя.

Диаграммы выходных сигналов с датчика (фиг. За, б, в) соответствуют режимам работы устройства при подключенном (U = f (a t) и отключенном (е = f (ó t) источнике 6 переменного напряжения. Там же (фиг. 3r, д, е) показаны сформированные импульсы выходного напряжения U<> = f(ы1) при подключении электронных нуль-органов.

Проходящая через нуль (3а,б,в) огибающая импульсов выходного напряжения.датчика, при включенном источнике переменного напряжения, имеет синусоидную форму, что позволяет значительно упростить полупроводниковый коммутатор, в качестве которого может быть использован обычный усилитель мощности, при этом огибающая импульсов может быть получена, в частности шунтированием выходного сопротивления R емкостью С.

Воэможность получения указанных выше функциональных зависимостей на выходе датчика (фиг. 4) поясняется качественной картиной B(U) = f(H, I).

Здесь показаны кривые намагничивания (А, Б) каждого из сердечников одной пары, импульсы напряжения от источника переменного напряжения (Ц З„) и импульсы выходногонапряжения(М щ,Ä), Итак, качественная картина работы отдельного индуктивного элемента аналогична принципу действия дросселя насыщения с подмагничиванием.

На начальном участке наклон кривой намагничивания () определяется проводимостью рассеяния магнитному потоку, создаваемому обмотками при ненасыщенных сердечниках, при их насы-

955398

65 щении потоками рассеяния постоянных магнитов ротора двигателя, наклон будет тем больше (угол р ), чем больше дЛина намотки, что определяет соблюдение основного условия при выборе размера сердечников (длина значи- 5 тельно больше размеров, определяющих его поперечное сечение).

При отсутствии намагничивания (U @q ) комплексное сопротивление обмоток, включенных по схеме (фиг. 1 10 и 2) одинаково и выходное напряжение равно нулю.

В том же случае, когда сердечники подмагничены потоками разного направления (+ Bp)g появится выходное напряжение (U вы ), обусловленное разностью комплексных сопротивлений обмоток, поскольку магнитное состояние одного из сердечников будет характеризоваться кривой намагничивания с углом наклона .с, а другого

При изменении направления внешнего поля в обоих сердечниках (Ugq Узка ) изменится полярность импульсов выходного напряжения. Из принципа работы датчика видно, что угол qC не может быть малым, т.е. магнитная цепь не может быть замкнута, поскольку в этом случае как при отсутствии поля постоянных магнитов ротора, так и при его действии за счет насыщения сердечни- ЗО ков полем, создаваемым обмотками индуктивных элементов, комплексное сопротивление обмоток будет одинаковым.

Принцип работы датчика рассматривают при условии, что потоки постоян- 35 ных магнитов ротора в сердечниках одной пары имеют противоположное направление. Однако данное условие не является обязательным, так как при одинаковом направлении потоков постоянного40 магнита необходимо чтобы полярность импульсов. питающего напряжения (U < ) была различна.

Суцественным является равенство значений потоков в каждый момент вре- 45 мени, так как только.в этом случае обеспечивается стабильность и симметричность сигналов выходногонапряжения..

Устройство работает следующим образом. 50

При подаче переменного напряжения от источника б на обмотки 4 индуктивных элементов, сигналы с датчика при отсутствии ноль-органов и инверторов., непосредственно поступают на вход полупроводникового коммутатора 3.

Функция полупроводникового коммутатора сводится, например, при синусно-косинусном управлении к усилению этих сигналов за счет мощности источника 2 питания и соответствующему 60 распределению выходных напряжений по фазам обмотки 1 статора электродвигателя.

Надлежащей установкой полюсных наконечников 15 и экрана 1б обеспечивается требуемая форма сигналов с датчика.

При дискретном управлении целесообразным техническим приемом следует считать установку нуль-органов 9, формирующих импульсы U - =f(t) в момент прохождения огибающей выходных напряжений с датчика через нуль (фиг. 3), так,как при этом исключается влияние эксплуатационных условий на точность формирования импульсов, подаюцихся на обмотки статора электродвигателя.

Достоинством рассматриваемого бесконтактного электродвигателя постоянного тока является возможность выбора малой величины сопротивления R, на которых выделяются сигналы выходных напряжений с датчика, так как при этом достигается высокая помехоустойчивость, обусловленная, в частности, малым влиянием ЭДС индукции, возникающей в обмотках индуктивных элементов при вращении ротора. ф В то же самое время, при дискретном управлении возможно обеспечение режимов работы электродвигателей, при котором после достижения ротором определенной скорости вращения, источник переменного напряжения отключается, а обмотки индуктивных элементов замыкаются с обеспечением выделе.ния сигналов на сопротивление от наводимого в них ЭДС индукции. Указанная операция осуществляется электронным переключателем 7.

При этом необходима установка инверторов 8, так как ЭДС индукции будет иметь обратную полярность по отношению к импульсам выходного напряжения датчика, выделяющихся на сопротивлении при подключенном источнике переменного напряжения.

Автоматическое отключение и подключение источника переменного напряжения производится с помощью допоЛнительного электронного органа 10, включающего в себя последовательно соединенные дифференцирующую цепочку 11, интегратор 12 и компаратор 13.

Дифференцирующая цепочка 11 подключена к выходам полупроводникового коммутатора 3. По мере разгона электродвигателя будет меняться частота импульсов на ее выходе пропорционально скорости вращения ротора.

Уровень напряжения на выходе интегратора 12 будет тем больше, чем больше частота и, следовательно, скорость вращения ротора.

При некоторой величине выходного напряжения интегратора срабатывает компаратор 13 и подает команду на электронный переключатель 7 и инверторы 8.

При снижении скорости вращения электродвигателя до определенного уровня происходит отключение компара955398 тора и соответствующее отключение инверторов 8 и подключение источника переменного напряжения.

Такой способ управления позволяет резко снизить мощность, затрачива-. емую на управЛение электродвигателем. 5

Формула изобретения

1. Вентильный электродвигатель, 19 содержащий ротор с расположенными иа йем постоянными магнитами, статор с обмоткой якоря, секции которой соединены с выходом полупроводникового коммутатора, управляющие цепи ключей которого подключены к выходу индуктивного датчика положения ротора, чувствительные элементы которого выполнены в виде ферромагнитного сердечника, на котором расположена обмотка, соединенная с источником высокой частоты через резистор и .диод, причем резистор соединен с управляющими цепями ключей коммутатора, о т л и-. ч а ю шийся тем, что, с целью снижения массы и габаритов, ферромагнитные сердечники выполнены разомкнутыми; каждый чувствительный элемент снабжен аналогичными диодами, ферромагнитным сердечником и обмоткой, соединенной с первой обмоткой и источз никОм высокой частоты по дифференциальной схеме, а чувствительные элементы расположены против торцовой поверхности ротора двигателя.

2. Электродвигатель по п. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что длина сердечников по крайней мере в три раза превышает их ширину. 3. Вентильный электродвигатель по и. 1 и 2, отличающийся тем, что сердечники по крайней мере чувствительного элемента выполнены в виде ферромагнитной детали.

4 ° Электродвигатель по пп. 1-3, о т л и ч а ю щ и и с.я тем, что он снабжен инвертирующими элементами по числу чувствительных элементов, электронным переключателем и управля-. ющим органом, включающим в себя последовательно соединенные дифференцирующую цепочку, интегратор и компаратор, причем обмотки индуктивных чувствительных элементов подключены к полупроводниковому коммутатору через инверторы; вход каждой дифференцирующей цепочки подключен к выходу коммутатора, а выход компаратора соединен с электронным переключателем и инвертором.

5 ° Вентильный электродвигатель по пп. 1-4, а т л и ч а ю шийся тем, что он снабжен нуль-органами, включенными между чувствительными элементами и коммутатором.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 471639, кл. Н 02 К 29/02, 1975.

2. Патент Японии Р 39-13675, кл. 55 A 42, 1964.

95539S

Составитель А. Санталов

Редактор Н. Ковалева Техред Т.Фанта Корректор E. Ро акс

Заказ 6466/70 Тираж 721 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1130,35, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4