Управляемый вентильный электродвигатель

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскмк

Социалистические

Республик (iii983924

{6! ) Дополнительное к авт. свид-ву

{22) Заявлено 15.04.81 {2}) 3276166/24-07 с присоединением заявки №

{23) Приоритет

F (51)М. Кл.

Н 02 К 29/02

9кудвротаеив и комитет

СССР пп делам изобретений и открытий

Опубликовано 23.12.82. Бюллетень № 47 (53) УД К621.313. . 13.014.2:621. .382 (088.8) Дата опубликования описания 23.12.82

В. М. Пименов и В. М. Никитин т г

Всесоюзный ордена Трудового Красного Знаментв научйи л:..., исследовательский, проектно-конструкторский и ехнощрилескйй " институт релестрсения " .„"" -:" (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к электротехнике, а именно к специальным электрическим машинам, и может использоваться при разработке высоконадежных регулируемых по частоте вращения электроприводов с большим сроком службы, особенно в системах с автономным питанием от химических или лучистых источников электроэнергии.

Известны регулируемые по частоте вращения вентильные электродвигатели, состоящие из статора с -секционной якорной обмоткой, вращающегося индуктора, }тт -фазного датчика положения ротора (ДПР) р широтноимпульсногО регуля тора (ШИР), полупроводникового коммутатора секций якорной обмотки, управляемого сигнала ДПР и ШИР. Управление частотой вращения вентильного электродвигателя (ВД) производится ШИР, кото- зв рый посредством полупроводниковых. ключей коммутатора осуществляет широтноимпульсную модуляцию напряжения, при;кладываемого к секциям якорной обмотки.

ШИР выполнен в виде отдельного устройства, состоящего из автогенератора пилообразного напряжения, компаратора и лоГИЧЕСКИХ СХЕМ ДЛЯ ОбЬЕДИНЕНИЯ ЕГО С коммутатором 1) .

Известен также управляемый ВД, выполненный более. рационально, в котором

ШИР совмещен с индуктивным ДПР и транзисторным коммутатором. В этом устройстве автогенератор напряжения треугольной формы нагружен на обмотку воз буждения индуктивного ДПР. На выходных (статорных) обмотках ДПР трансформируется напряжение треугольной формы, модулируемое по амплитуде в функции углового положения ротора BM. Транзисторные ключи коммутатора дополнительно выполняют роль компараторов, сравнивая на переходе база — эмиттер два напряже- ния: напряжение с выходных обмоток ,LIHP О}т и напряжение смешения Цсм. В зависимости от соотношения сравниваемых напряжений Ul>{}cM или Ц„<{}ем, тран.Лтсторный ключ переходит из закрытого

2 4 кого материала, размещено по одному дросселю насьпцения, преобразователь постоянного напряжения в переменное с двумя противофазными выходами со средней точкой и комплект из и транзисторнъ х формирователей выходного сиг3 98."-6 состояния в открытое и наоборот, осуществляя широтно-импульсное регулирование напряжения на соответствующей секции якорной обмотки. Пропорционально среднему значению напряжения на якорной обмотке устанавливается частота вращения

ВМ (2).

Зтот управляемый ВД при несомненной простоте построения полупроводниковой схемы содержит сложньй и нетехнологич- tg ный при изготовлении индуктивный ДПР с обмотками на статоре и роторе. Кроме того, индуктивный ДПР имеет низкий

КПД ввиду трансформации напряжения . через воздушный зазор. f5

Наиболее 6лизким по технической суп ности и решаемой задаче к изобретению является ВД, содержащий вращающийся индуктор, статор с якорной обмоткой, секции которой соединены с выходом полупроводникового коммутатора, ДПР с чувствительными элементами типа дроссель HQ» сыщения, преобразователь постоянного напряжения в переменное и несколько вспомогательных логических элементов, ВД конструктивно прост, технологичен, особенно ДПР, состоящий из двух несложных деталей: диэлектрического кольца с М -радиальными пазами (статор ДПР) и секторообразного магнита, насаженного на вал ВМ. В каждом пазу установлен дроссель насьпцения, выполненный в виде ферритового тора с одной обмоткой $3) .

Отсутствие в ВМ регулировки частоты вращения рграничивает область его при35 менения, так как у большинства производственных механизмов, приводимых в движение от электродвигателей, требуется подрегулировка (стабилизация) частоты вращения, изменяющейся под влиянием

40 возмущающих воздействий (колебания напряжения питающей сети, изменения параметров элементов под влиянием факторов окружающей среды и т. п.), или непрерывное регулирование частоты вращения в процессе выполнения, возложенных на ме45 ханизм функций с максимальной ttpoHGBo дительностью при минимальном энергопот.реблении.

Цель изобретения — расширение области применения ВД, путем обеспечения возможности регулирования частоты вращения.

Эта цель достигается тем, что в ВД, содержащий статор с м-секционной якорной обмоткой, вращающийся индуктор, ДПР, выполненный в виде магнитоэлектрической мащйны, в и пазах статора которой, выполненного из диэлектричеснала дросселей насьпцения, каждый из которых состоит из одного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, базовый вывод транзистора присоединен через резистор к первому выходу преобразователя напряжения, а коллекторный вывод — непосредственно или через вспомогательные логические элементы к секции якорной обмотки и параллельно переходу база — эмиттер транзистора подключена обмотка дросселя насьпцения, дополни- тельно введен второй комплект из и транзисторных формирователей, аналогичных первому, в каждом пазу llIIP установлен второй дроссель насыщения, обмотка второго дросселя присоединена аналогично первому к дополнительно введенному транзисторному формирователю, а базовый вывод последнего подключен через резистор к второму выходу преоб»разователя напряжения, и между средней точкой преобразователя напряжения и обьединенными эмиттерами всех транзисторных формирователей включен регулируемый источник постоянного напряжения.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема управляемого ВД; на фиг, 2временнь е диаграммы напряжений, на основных элементах его схемы.

Управляемый ВД содержит датчик 1 положения ротора (ДПР), состоящий из диэлектрической втулки 2 с радиальными пазами и секторообразного магнита 3, дроссели 4 и 5 насыщения, установленные во втором пазу, преобразователь 6 постоянного напряжения в высокочастот ное переменное, прямоугольной формы (преобразователь напряжения), регулируемый источник 7 постоянного напряжения, транзисторъ 8 и 9, резисторы 10 и 11, неинвертирующий транзисторный ключ 12, статор 13 ВМ с секциями А, B, ..., М якорной обмотки, вращающийся индуктор

14 (ротор BN), нерегулируемый источник

15 электроэнергии постоянного тока.

- налряжение на прямом выходе о преобразователя напряженищ ф — магнитный поток ДПР, пронизывающий дроссели 4 и 5 насыщейия в процессе вращения .ВМ; — напряжение на переходе база— эмиттер транзистора 8 (S);

24 6 образователя намотана со средней точкой1 для получения двух противофазных выходов. Оба выхода преобразователя напряжения присоединены к дросселям насыщения через токоограничиваюшие резисторы. Причем дроссели насыщения, расположенные в одном пазу диэлектрической втулки, присоединены к противофазным выходам. Между средней точкой трансформатора преобразователя и общей. точ- . кой устройства включен регулируемый источник 7 постоянного напряжения.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии индуктор BM занимает произвольное угловое положение. Сочлененный с индуктором магнит, ДПР насьпцает дроссели, оказавшиеся в зоне его магнитного сектора. Вне зоны воздействия магнитного сектора находит ся только два дросселя насьпцения, рас, положенных в однам пазу для принятой ширины сектора магнита и выбранного расположения пазов.

Предположим, что дроссели 4 и 5 ! находятся вне поля секторообразного магнита и, учитывая тот факт, что схема управления секциями якорной обмотки выполнена симметричной, то детально рассмотрим процесс управления одной секции В.

При подключении ВД к источнику 15 постоянного тока на выходах преобразователя напряжения формируется переменное напряжение частоты f = 10 кгц прямоугольной формы. Напряжение с противофаэных выходов преобразователя напряжения прикладывается к дросселям 4 и 5 насыщения через соответствующие резисторы 10 и 11 и регулируемый источник 7 постоянного налряжения.

Вначале рассмотрим случай нулевого значения выходного напряжения регулируемого источника. Дроссели 4 и 5 не подмагничнваются полем секторообразного магнита и поэтому под действием приложенного переменного напряжения происходит перемагничивание материала сердечника дросселей. В этом режиме работы дросселя его индуктивное сопротивление велико и часть тока, ограниченная резистором 10 (11), ответвляется из цепи дросселя 4 (5) в параллельную цепь — переход баз — эмиттер; транзистора 8 (9). Для принятой проводимости транзисторов типа И вЂ”. p — lrt ответвление тока в цепь базы транзистора происходит при положительной полуволне напряжения на обмотке дросселя. Базовым током

5 9839 ц - напряжение на объединенных

: коллекторных транзисторов

8 (9).

Управляемый BQ представляет собой магнитоэлектрическую машину, на статоре 13 которой расположена якорная обмотка. Секции А, В, ..., М якорной обмотки соединены в упучевую звезду и общая точка обмотки подключена к источнику 15 постоянного тока. С врмпаю- !О щимся индуктором 14 жестко сочленен

ДПР 1, осуществляющий управление ра.— ботой секции якорной. обмотки через элементы 6-12.

Конструктивно ДПР выполняется из 15 двух основных деталей: диэлектрической втулки 2 с уп радиальными пазами на внутренней поверхности и секторообразБого магнита 3. Диэлектрическая втулка крепится к торцовой поверхности статрра 20 электрической машины, а секторообразный магнит насаживается на вал электрической машины и стопорится в плоскости симметрии втулки„Секторообразный магнит имеет форму р-лучевой симметринной 2S .звезды, у которой каждый луч (сектор) имеет ширину &о d/Р геометрических градусов, здесь п — длительность подключения секции якорной обмотки к источнику постОяннОгО TOKB в угловых pp& 3Q дусах, Р- число пар полюсов индуктора электрической машины (у большинства микродвигателей 2P = 4).

Пазы на втулке разнесены друг оТносительно друга на яйфф геометрических градусов и в каждом из них размещено по два дросселя насыщения, например

4 и 5. Дроссель насьпцения представляет собой миниатюрное ферритовое кольцо из материала с прямоугольной петлей гистерезиса (например, типа 0,16 Вт) с одной обмоткой.

Обмотка одного иэ дросселей, напри, мер 4, находящихся в пазу присоединена параллельно к переходу баз — эмиттер транзистора 8, а второго дросселя 5 присоединена аналогично к транзистору

9. Коллекторные выводы транзисторов

8 и 9 объединены и подключены к сек ции Р якорной обмотки непосредственно или через неинвертируюшнй транзисторный ключ 12. Эмиттеры всех транзисторов объединены с общей точкой устройства. Соединения остальных дросселей насыщения выполнены аналогично описан

SS ному.

Преобразователь 6 напряжения выполнен по широко известной схеме Ройера.

Выходная обмотка трансформатора пре7 0839 соответствующий транзистор открывается и подключает по цепи коллектора непосредственно или через транзисторный ключ 12 секцию В якорной обмотки к источнику 15 пОстОяннОГО напряжения.

За счет подключения дросселей 4 и 5 и, соответственно, базовых цепей транзис. торов 8 и 9 к противофазным выходам преобразователя напряжения происходит поочередное отпирание указанных тран- 1о зисторов. Коллекторные выводы транзисторов 8 и 9 обьединены и через объединенную коллекторную цепь секция В якорной обмотки оказывается непрерывно подключенной к источнику 15 постоянного напряжения. По секции начинает протекать ток. За счет взаимодействия тока с магнитным полем индуктора возникает электромагнитный момент и сочлененная система роторов электрической машины и ДПР 20 приходит во вращательное движение.

В зависимости от исходного углового положения дросселей 4 и 5 по отношению к магнитному сектору через 360 врили менее геометрических градусов углового пути роторной.системы дроссели 4 и 5 попадут в магнитное поле сектора ДПР и насыщены. Их индуктивное сопротивление снижается практически до нулевого значения и базовые цепи транзисторов 8 и gp

9 оказываются зашунтированными низкоомными активными сопротивлениями обмоток дросселей. Транзисторы запираются и секция В обесточивается.

В этот же момент времени или несколь» ко ранее из зоны действия магнитного поля выходит очередная пара дросселей и через соответствующие транзисторы подключает очередйую секцию якорной обмотки K 44GTo n постоянного тока B 4g результате поочередного подключения секций якорной обмотки к источнику по.стоянноно тока происходит непрерывное воздействие вращающего момента на ро«

Тор» ВМ разгоняется до тех пор пока не наступит электромагнитное уравновешивание приложенного к обмотке напряжения, наводимой в обмотках противо- ЭДС и приложенного к ротору момента нагрузки. Изменением величины приложенного напряжения к секциям якорной обмотки можно эффективно регулировать установившуюся частоту вращения ВМ.

Рассмотрим процесс регулирования напряжения секции В якорной обмотки.

$5

Регулирование осуществляется изменением величины напряжения источника 7.

При увеличении налряжения Оу источника

7 пропорци©нально уменьшается амплиту24 8 да отрицательной полуволны напряжения

О прикладываемая к обмотке дросселей и определяемая соотношением

0. /Ф где U „„- амплитудное значение выходного напряжения преобразователя.

Положительная полуволна напряжения на обмотке дросселя 4 (5) и, соответственно, на переходе база — эмиттер транзистора 8 (9) остается постоянной

0< =сои 1 за счет стабилизирующего действия нелинейности перехода база— эмиттер транзистора. До тех пор, пока. не уравняются по длительности "вольтсекундные площадки" полуволн напряжения на обмотке дросселя, функционирование устройства аналогично вышеописанному.

После уравнивания "вольтсекундных площадок полуволн напряжения дальнейшее увеличение напряжения источника 7 приводит к уменьшению "вольтсекундной

;площадки» отрицательной полуволны напряжения бо р=0от т ? меньшей значениЯ 6 „,, „=0 эТ .Х, где 1 —

B этом случае перемагничивание дросселя положительной полуволной напряжения по длительности +p станет меньшим полупериода T/2 и равным

Ооч р 7 Ом- Оу)Т 7

Щэ

Сердечник дросселя, например, 4. Переадет s насыщенное состояние ранее полу периода приложенного напряжения. Насыщение дросселя ведет к резкому уменьшению его индуктивного сопротивления. Низкоомным омическим сопротивлением насыщенного дросселя шунтируется переход база - эмиттер транзистора 8 и последний запирается. До начала воздействия

"очередной полуволны напряжения оба транзистора 8 и 9 закрыты, и, следовательно, обесточат секцию В якорной обмотки.

В следующий полупериод Описанный процесс повторится с дросселем 5 н транзистором 9.

Таким образом, запирание обоих транзисторов происходит поочередно в каждый полупериод переменного напряжения и приводит к широтно-импульсной модуляции напряжения, прикладываемого к секции якорной обмотки. Изменяя величину управляющего напряжения Uу, можно регу лировать глубину широтно-импульсной модуляции налряжения в широких пределах

9 0839 и тем самым, управлять частотой Враще нйя ВД.

ВД обладает широкой универсальностью в зависимости от конкретных требований к электрической машине, ВД .может быть выполнен с любым (четным или нечетным) числом секций якорной обмотки, с одной или несколькими секциями, находящимися под нагрузкой. Для этого достаточно, в первом случае, изготовить 1а

ДПР с числом пазов, равным числу секций якорной обмотки и дополнить устройство транзисторными формирователями, а во. втором - изменить ширину сектора магнита ДПР. 15

Реализация в устройстве ВМ широтноимпульсного регулятора напряжения поз- воляет использовать его для широкого . класса различных механизмов, особенно в иэделиях с автономными нерегулируе- 2О мыми химическими или лучистыми источниками электроэнергии постоянного тока.

В сравнении с известными бесконтактными машинами постоянного тока, предлагаемый ВМ достаточно прост в конст 2S руктивном и схемном исполнении, техноло гичен в серийном производстве, обеспечивает качественное регулирование частоты вращения во всем диапазоне, имеет вьс окий КПД особенно в микроминиатюр- зе ном исполнении, когда ДПР становится соизмеримым по габаритам и потребляемой мощности с самой электрической машиной. Транзисторы формирователей, 35 чей и преобразователя работают в экономичном ключевом режиме. Высокая крутизна фронтов переключения транзисторов обеспечивается за счет применения сер- дечников для дросселей насьпцения и преобразователя напряжения из мате wana с прямоугольной петлей гисте- резиса..

Управляемый вентильный электродвигатель, содержащий индуктор, статор с

1п =екционной якорной обмоткой, дат чик положения ротора, выполненный в виде магнитоэлектрической машины, в щ пазах статора которой, выполненного из диэлектрического материала, размещено по одному дроссетпо насыщения, преобразователь постоянного напряжения в переменное с двумя противофаэными выходами со средней точкой и комплект из щ транзисторных формирователей выходного сигнала дросселей насыщения, каждый из которых состоит из одного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, базовый вывод транзистора присоединен через резистор к первому выходу преобразователя напряжения, а коллекторный — к секции якорной обмотки, параллельно переходу база эмиттер транзистора подключена обмоч ка дросселя насыщения. о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения области применения путем обеспечения возможности регулировании частоты вращения, он снабжен регулируемым источником постоянного напряжения, дополни тельно введен второй комплект иэ ve. транзисторных формирователей, аналоги ных первому, в каждом пазу датчика положения ротора установлен второй дроссель насыщения, обмотка второго дросселя присоединена аналогично перво» .му к дополнительно введенному транзисторному формирователю, а базовый вьпкщ последнего подключен через резистор к второму выходу преобразователя напряжения, и между средней точкой преобразователя напряжения и обьединенными эмиттерами всех транзисторных форми» рователей жлючен регулируемый источник постоянного напряжения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Ж 488286, кл. Н 02 К 29/02, 1973.

2. Крывой В. Н. и щз. Бесконтактные электродвигатели постоянного тока. М., "Информэлектро, 1970, с. 51.

3. Авторское свидетельство СССР

¹ 754595; кл. Н,02 К 29/02, 1978.

Наибольший экономический эффект от использования предлагаемого ВМ достигается в системах стабилизации (регулирования) частоты вращения силовых .. гироскопов, применяемых для управления аппара ами с автономными .лучистыми или химическими источниками электроэнергии постоянного ток&

24 10

Формула изобретения