Вентильный электродвигатель

 

< >985891

Союз Советскик

Социалистическик

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свил-оу и 664265 (22) Заявлено 27. 02. 81 (21) 3252355/24-07 (5! )М. Кл.

Н 02 К 29/02 с присоелинением заявки И

Гооудоротмооый комитет

СССР (23) Приоритет по долом оэобретений н открытий (53) УДК 621 313, . 13.014.2:

:621.382

0 8

Опубликовано 30.12.82. Бюллетень №48

Дата опубликования описания 05. 01.83 (72) Авторы изобретения

A. М. Ланген и В. А. Соловьев

Московский ордена Трудового Краснотч Знамени ..",,текстильный институт ь<; °,4 / .3/ (7l) Заявитель (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к электоическим машинам, а точнее к вентильным электродвигателям, предназначенным для использования в аппаратах звуко- и видеозаписи.

По основному авт. св. М 664265 известен вентильный электродвигатель, содержащий статор с якорной обмоткой, ротор с системой возбуждения, обеспечивающей синусоидальное распределение магнитной индукции в рабочем воз; душном зазоре, расположенные в рабочем воздушном зазоре элементы Холла, систему управления и каналы усиления, каждый из которых состоит из линейного усиления, силового транзистора, в коллекторную цепь которого включена секция якорной обмотки и ключа, расположе".ного в цепи запирания силового транзистора, входные цепи которого подключены к выходу линейного усилителя, а вход последнего соединен с выводным :электродом одного из элементов Холла. При этом входные электроды элементов Холла подключены к выходу системы управления (1 ).

Для получения высокой равномерно- сти вращающего момента в известном вентильном электродвигателе должны

5 соблюдаться строгая синусоидальность распределения магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре и отсутствовать искажения полусинусоидальной формы токов в секциях якорной обмотки. Однако точное выполнение первого из этих условий затруднено по ряду технологических причин. Отклонение распределения магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре от синусоидального может быть вызвано эксцентриситетом статора и ротора, неравномерностью воздушного зазора. обусловленного зубчатостью статора, эллипсообразностью поверхностей статора и ротора и т. д. Применение в электродвигателе то ового способа управления силовыми транзисторами хотя и позволяет уменьшить искажения полусинусо98589 идальных токов . в секциях его якорной обмотки, но полностью их не устраняет. Это обусловлено зависимостью статического коэффициента передачи тока базы транзистора от тока его коллектора. Влияние всех этих факторов не . позволяет получить в известном вен5 1, тильном электродвигателе высокой равноме рност и вращающе ro момента .

Цель изобретения - повышение равномерности вращающего момента вентильного электродвигателя.

Поставленная цель достигается тем, тами Холла, расположенными в рабочем воздушном зазоре, резисторами, включенными в эмиттерные цепи силовых транзисторов, дифференциальными усилителями, повторителями напряжения с гальванически развязанными цепями питания, двумя суммирующими усилителями и масштабным -усилителем, при этом эмиттер каждого силового транзистора соединен с одним из входов дифференциальных усилителей, к выходу каждого из которых подключены входные электроды одного из вторых элементов Холла, а их выходные элек троды соединены с входами повторителей напряжения с гальванически разZ0

30 вязанными цепями питания, выходы этих повторителей напряжения подключены к входам одного из суммирующих усилителей, а его выход - к одному из б входов второго суммирующего, второи вход которого предназначен для подключения к системе управления электродвигателя, а выход соединен с входом масштабного усилителя, к выходу

40 которого подключены входные электро ды первых элементов Холла.

Такое исполнение вентильного электродвигателя позволяет повысить равномерность его вращающего момента за

45 счет регулирования по отклонению от заданного значения.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема вентильного электродвигателя.

Электродвигатель содержит статор с якорной обмоткой, состоящей из четырех секций 1-4, ротор с системой возбуждения, обеспечивающей синусоидальное распределение магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре, и

55 расположенные в этом воздушном зазоре элементы 5 и 6 Холла. Управление токами секций 1-4 якорной обмотки что вентильный электродвигатель додополнительно снабжен вторыми элемен- 15

1 4 осуществляется четырьмя каналами усиления. Каждый канал усиления, например, первый, состоит из линейного усилителя 7, силового транзистора 8 и ключа 9, расположенного в цепи за- пирания силового транзистора. Вход линейного усилителя 7 этого канала усиления соединен с одним из выходных электродов (левым по чертежу) элемента 5 Холла, а к его выходу подключены входные цепи ключа 9 и база силового транзистора 8. В коллекторную цепь силового транзистора 8 включена секция 1 якорной обмотки. Второй, третий и четвертый каналы усиления выполнены аналогично и содержат соответственно линейные усилители 10-12, вход каждого из которых подключен к одному из выходных электродов элементов 5 и 6 Холла, силовые транзисторы

13-15 и ключи 16- 18. В эмиттерную цепь каждого силового транзистора 8, 13- 15 включены соответственно резисторы 19-22. К эмиттеру силового транзистора 8 подключен инвертирующий вход дифференциального усилителя 23, а к эмиттеру силового транзистора 14неинвертирующий вход этого дифференциального усилителя. Эмиттер силового транзистора 13 соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 24, а его неинвертирующий вход с эмиттером силового транзистора 15. К выходам дифференциальных усилителей 23 и 24 подключены соответственно входные электроды вторых элементов 25 и 26 Холла, расположенных в рабочем воздушном зазоре электродвигателя. Выходные электроды элементов 25 и 26 Холла соединены соответственно с входами повторителей 27 и 28 напряжения с гальванически развязанными цепями питания. Выходы этих повторителей подключены к входам сум-. мирующего усилителя 29. К выходу последнего присоединен один из входов второго суммирующего усилителя 30, второй вход которого предназначен для подключения к системе управления, а к его выходу присоединен масштабный усилитель 31. К выходу масштабного усилителя 31 подключены входные электроды элементов 5 и 6 Холла

Устройство работает следующим образом.

При подключении вентильного электродвигателя к источнику питания с поступлением с системы управления на один из входов суммирующего усилите91 6

На выходе дифференциального усили теля 24 также возникает напряжение положительной полярности (3) ОАУ24 КД где U*> 4 — величина напряжения на выходе дифференциального усилителя 24;

3 — ток секции 2 якорной обмотки;

К вЂ” коэффициент пропорциональности между током секции 2 якорной обмот" ки и напряжением на выходе дифференциального усилителя 24.

Выходные напряжения дифференциальных усилителей 23 и 24 подаются на входные электроды соответственно элементов 25 и 26 Холла, расположенных в рабочем воздушном зазоре электродвигателя под углом 90о Поэтому на их выходных электродах возникают напряжения

UR = 33ВЗ, (1)

Э

Где 3 — ток эмиттера силового транэ зистора;

R> — величина резистора в цепи эмиттера силового транзистора;

012 . — падение напряжения на резисторе, включенном в цепь эмиттера силового транзистора.

При использовании силовых транзис оров 8, 13-15 со значениями статических коэффициентов передачи тока базы более 30-50 токи их коллекторов

40 практически не отличаются от токов эмиттеров. Поэтому на выходе дифференциального усилителя 23 возникает постоянное напряжение положительной полярности

"рХ г5 = К5ЪЧ фсвв. Г—

K К ф с „соз gð (5) 11Зх Ы = КдО*Ч24фз ind>=

К К Р3 ы и 0 2, — напряжения íà выэх26 ходных электродах соответственно элементов Холла

25. и 26;

Ф вЂ” величина магнитного потока в направлении продольной оси полюсов ротора;

К,К4 — коэффициенты, отражающие связь напряжения на вы-. ходных электродах соответственно элементов 25 и 26

Холла с напряжением на их входных электродах и величиной магнитного потока в направлении продольной оси полюсов ротора, 45 (2) "Ау гЗ= K4s< величина напряжения на выхОде дифференциальнОгО. усилителя 23; ток секции 1 якорной обмотки коэффициент пропорциональности между током сек5 секции 1 якорной обмотки и напряжением на выходе дифференциального усилителя 23. где ОдЧ дЗ

351 к„

5 9858 ля 30 постоянного напряжения отрицательной полярности на его выходе будет напряжение положительной полярности. Оно усиливается масштабным усилителем 31 и подается на входные электроды элементов 5 и 6 Холла, расположенных в рабочем воздушном зазоре электродвигателя под углам 90 . ПоэТОМУ ПРИ ПОЛОЖЕНИИ РОтОРа ЭЛеКтРОДВИгателя, в котором его магнитный воток"0 направлен к элементам 5 и 6 Холла, и соответствующем подключении их вход иых электродов к выходу масштабного усилителя 31 силовые транзисторы 8 и

73 открыты. Ilo секциям I и 2 якорной обмотки проходят коллекторные токи силовых транзисторов 8 и 13 соответственно. Возникающий при этом вращающий момент поворачивает ротор электродвигателя. При прохождении по резистору 20

19 эмиттерного тока силового транзис-. тора 8, а по резистору 20 — эмиттерного тока силового транзистора 13 на каждом,из них возникает падение напряжения 25

aha — угол между осью секции 2 якорной обмотки и продольной осью полюсов ротора. 5

Величина каждого из этих напряжений, катс следует из выражений (4) и (5), прямо пропорциональна вращающему моменту, создаваемому при взаимодействии магнитных полей ротора и $0 соответствующей секции якорной обмотки. Напряжения U эХ 2 и Uax 2ü подаются на входы .соответственно повторителей 27 и 28 напряжения с гальванически развязанными цепями питания. Они $5 предназначены для гальванической развязки цепей питания силовых транзисторов 8, 13 - 15 и линейных усилителей 7, 10- 12 вентильного электродвигателя и цепей питания его системы 2о управления, также для получения напРЯжений, Равных U x 2 и Уэх 26 и изменяющихся относительно общей шины цепей питания системы управления.

Необходимость этой развязки обуслов- 25 лена тем, что общие шины цепей питания силовых транзисторов с линейными усилителями и сИстемы управления не имеют непосредственного соединения, а соединяются через входные и выходные 5В электроды элементов 5 и 6 Холла. Поэтому на выходных электродах элементов 25 и 26 Холла относительно общей шины цепей питания системы управления помимо напряжений, определяемых выражениями (4) и (5), будет и напря$5 жение, равное напряжению эквипотенциальных точек этих элементов Холла.

Вь)деление составляющих U» 2g и ОзХ2 напряжения на выходных электродах элементов 25 и 26 Холла осуществляется повторителями 27 и 28 напряжения с гальванически развязанными цепями питания. При этом.их выходные напряжения будут равны соответственно на45 пряжениям U3X 25и U3Õ26«измен"ются относительно общей шины питания системы управления.

При понижении ротора электродвигателя, когда его магнитный поток

50 направлен к элементам 25 и 26 Холла, и соответствующем подключении их входных электродов к выходам дифференциальных усилителей 23 и 24 на выходах повторителей напряжения 27 и 28 с гальванически развязанными це$5 пями питания возникают напряжения отрицательной полярности. Эти напряжения поступают на входы суммиру891 8 ющего усилителя 29. При равенстве резисторов 19-22, одинаковых коэффициентах усиления дифференциальных усилителей 23 и- 24 и однотипных элементах 25 и 26 Холла на выходе сум мирующего усилителя 29 возникает на пряжение положительной полярности

Ucy2g = Ky4(3>„cos d.2+ 3>2 s indy)(6) где K 5 К К 5 = К2Ко

При повороте ротора электродвигателя под действием вращающего момента на 90 его магнитный поток изменяет свое направление по отношению к элементам 5 и 6 Холла и элементам 25 и

26 Холла. Он будет одновременно направлен от элементов 5 и 25 Холла и к элементам 6 и 26 Холла. Силовой транзистор 8 закрывается, а силовой транзистор 14 открывается. Секция

1 якорной обмотки обесточивается, а по секции 3 якорной обмотки проходит коллекторный ток силового.транзистора 14. На выходе дифференциального усилителя 23 появляется напряжение отрицательной полярности, прямо пропорциональное току секции 3 якорной обмотки, а на выходе дифференциального усилителя 24 — напряжение положительной полярности, прямо пропорциональное току секции 2 якорной обмотки. Для описанного выше положения ротора электродвигателя, учитывая направление его"магнитного потока по отношению к элементам 25 и 26 Холла, напряжение на выходе суммирующего усилителя 29 определяется по формуле

Ucggg= Ф(3 2cosdy+ ЛS>s пЫЗ) (/

) где 3< — ток секции 3 якорной обмот3 ки;

at — угол между осью секции 3 якорной обмотки и продольной осью полюсов ротора; — величина напряжения на выС529 ходе суммирующего усилителя 29.

Аналогичные процессы происходят в вентильном электродвигателе при любом положении его ротора. Величина напряжения на выходе суммирующе го усилите-. пя 29 будет прямо пропорциональна мгновенному значению вращающего мо985О

Формула изобретения мента электродвигателя, а полярность определяет его направление. Это напряжение подается на один из входов суммирующего yñèëèòåëÿ 30, при помощи которого осуществляется сравнение выходного напряжения суммирующего усилителя 29 с напряжением на выходе системы управления, определяющим заданное значение вращающего момента вентильного электродвигателя. Выход- >0 ное напряжение суммирующего усилителя 30, равное разности выходных напряжений суммирующего усилителя 29 и системы управления, усиливается масштабным усилителем 31 и поступает 15 на входные электроды элементов 5 и 6

Холла. При уменьшении .вращающего момента электродвигателя уменьшается напряжение на выходе суммирующего усилителя 29. Это приводит к воз- 20 растанию напряжения на выходе суммирующего усилителя 30, и соответственно, на входных электродах элементов

5 и 6 Холла. Возрастают значения токов во включенных секциях якорной 25 обмотки, и вращающий момент вычислительного электродвигателя увеличивается. С увеличением вращающего момента электродвигателя все происходит наоборот. 30

Таким образом, за счет регулирования вращающего момента вентильного электродвигателя по отклонению от заданного уменьшаются его пульсации, вызванные отклонением распределения магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре от сийусоидального и искажениями полусинусоидальной формы токов секций якорной обмотки. Вследствие этого повышается равномерность 40 вращающего момента электродвигателя.

Это позволяет использовать его в электроприводах лентопротяжных механизмов, приборов, аппаратов звуко- и

91 10 видеозаписи, а также в качестве испол» нительных электродвигателей в бортовой автоматике летательных аппаратов.

Вентильный электродвигатель по авт. св. Н 664265, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения равномерности вращающего момента, он дополнительно снабжен вторыми элементами Холла, расположенными в рабочем воздушном зазоре, резисторами, включенными в змиттерные цепи силовых транзисторов, дифференциальными усилителями, повторителями напряжения с гальванически развязанными цепями питания, двумя суммирующими усилителями и масштабным усилителем, при этом эмиттер каждого силового транзистора соединен с одним из входов дифференциальных усилителей„ к выходу каждого из которых подключены входные электроды одного из вторых элементов Холла, а их выходные электроды соединены с входами повторителей напряжения с гальванически развязанными цепями питания, выходы этих повторителей напряжения подключены к входам одного из суммирующих усилителей, а его выход - к одному из входов второго суммирующего усилите- . ля, второй вход которого предназначен для подключения к системе управления электродвигателя, а выход соединен с входом масштабного усилителя, к выходу которого подключены входные электроды первых элементов Холла.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

И 664265, кл. H 02 Н 29/02, 1977.

985891

Заказ 10178/74

Тираж 721 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, Составитель А. Санталов

Редактор А. Orap Техред Е,Харитончик корректор E. Рошко