СИНХРОННЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 1997 года по МПК H02K29/06 

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к электродвигателям с встроенным датчиком углового положения и может быть использовано, например, в вентильных электроприводах в качестве исполнительного элемента, а также в устройствах автоматики.

Известны электродвигатели с встроенным датчиком углового положения, выполненным с разомкнутым ферромагнитным сердечником и обмотками. Недостатком этого типа электродвигателей является сложность конструкции и узкие функциональные возможности, в частности, за счет отсутствия тахометра.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является электромеханический преобразователь вентильного электродвигателя, содержащий датчик углового положения и тахометр.

Магнитопровод статора такого преобразователя агрегата состоит из скрепленных между собой двух крайних и одного среднего пакета. В среднем пакете на месте зубцов, расположенных между катушечными группами якорной обмотки двигателя, закреплены постоянные магниты, а на зубцах статора, расположенных между катушечными группами якорной обмотки двигателя, установлены катушки тахометрической обмотки. Статор электродвигателя имеет аксиальные отверстия, выполненные в спинке статора на оси зубцов, на которых установлены катушки тахометрической обмотки. В этих отверстиях расположены катушки основной обмотки фаз датчика положения.

Недостатком такого электродвигателя являются сложность конструкции и технологии его изготовления, а также ограниченные функциональные возможности ввиду совмещения обмоток возбуждения и выходных обмоток датчика.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет разделения цепей возбуждения и сигнальных цепей датчика, а также упрощение конструкции за счет размещения обмоток всех трех машин на одном общем магнитопроводе.

Поставленная цель достигается тем, что на статоре синхронного агрегата, содержащего ротор с постоянными магнитами и статор, на зубцах которого размещены якорная и тахометрическая обмотки, в основных отверстиях, расположенных на оси зубцов, размещены первые катушки основной обмотки фаз датчика положения, выполнены расположенные ортогонально основным аксиальным отверстиям дополнительные аксиальные отверстия, в которых размещены вторые катушки основной обмотки фаз датчика положения, причем основная обмотка первой фазы датчика положения расположена в первой паре ортогональных аксиальных отверстий, а основная обмотка второй фазы во второй паре ортогональных аксиальных отверстий. Кроме того, при этом на зубцах, на которых расположены катушки тахометрической обмотки, размещены катушки дополнительной обмотки датчика положения, причем в каждой фазе катушки тахометрической обмотки соединены, например, последовательно-встречно, а катушки дополнительной обмотки датчика положения последовательно-согласно.

На чертеже представлен общий вид предложенного синхронного агрегата (для примера рассматривается двухфазный агрегат с Z_ст 24, 2р 22). Он содержит статор 1 на зубцах 2, 3, 4 и 5 которого размещены катушки 6 фаз тахометрических обмоток и катушки 7 дополнительных обмоток выходных фаз датчика положения. На осях вышеуказанных зубцов в спинке статора 1 выполнены две пары 8 и 9 ортогональных аксиальных отверстий, в одной из которых (например 8) размещена основная обмотка 10 первой фазы датчика положения, а в другой 9 основная обмотка 11 второй фазы датчика положения. Выводы 12 основной обмотки 10 первой фазы датчика положения и выводы 13 основной обмотки 11 второй фазы датчика положения являются зажимами, посредством которых эти обмотки подключаются к соответствующим фазам двухфазного источника питания (на чертеже не показан). Ротор 14 электродвигателя состоит из кольца 15, выполненного из немагнитного материала, на котором размещены тангенциально намагниченные магниты 16 и концентраторы 17.

Работает предложенный синхронный агрегат следующим образом. Основные обмотки 10 и 11 первой и второй фаз датчика положения выполняют роль обмоток возбуждения. Посредством выводов 12 и 13 они подключаются к источнику двухфазного переменного напряжения частоты F_B, причем каждая из обмоток 10, 11 подключается к одной из фаз упомянутого источника. Ток, протекающий по обмоткам 10 и 11, создает в спинке статора 1 вокруг каждого из четырех аксиальных отверстий пар 8 и 9 переменный магнитный поток. На чертеже (в левой части) пунктиром показан магнитный поток вокруг одного из ортогональных отверстий пары 8, возникающий при протекании, например, положительной полуволны тока возбуждения. На участке S₁ спинки статора 1 этот поток складывается с основным потоком (показан сплошными линиями-стрелками), создаваемым в зубце статора магнитами 16 ротора 1. На участке S₂ указанные потоки вычитаются. При отрицательной полуволне тока возбуждения состояние участков S₁ и S₂ меняется. Учитывая нелинейность кривой намагничивания стали и насыщение участков S₁ и S₂ спинки статора 1, можно утверждать, что поток возбуждения будет модулировать проходящий по зубцу основной поток по амплитуде (т.е. будет образовывать переменную составляющую) с частотой, равной удвоенной частоте источника возбуждения (2F_B). При этом величина как основного потока, так и его переменной составляющей, являются функцией угла поворота ротора. В результате переменная составляющая потока зубца будет наводить в катушках 6 фаз тахометрической обмотки и катушках 7 дополнительных обмоток выходных фаз датчика положения переменные напряжения, амплитуда которых является функцией угла поворота ротора 14. Пара диаметрально расположенных катушек 6 (катушки, установленные на зубцах 2, 4 и 3, 5) образуют фазы тахометрической обмотки, а пары диаметрально расположенных катушек 7 выходные фазы датчика положения. При условии, что все катушки 6 и 7 помещены на зубцах однозначно, для получения тахометрического сигнала диаметрально расположенные катушки 6 необходимо включить последовательно-встречно, т.к. под диаметральными зубцами проходят разноименные полюсы ротора. Амплитуды и частота напряжения на тахометрических обмотках будет определяться угловой скоростью ротора и числом его полюсов (т.е. имеем двухфазный синхронный генератор-тахометр). Сигналы частоты 2F_B, определяемые угловым положением ротора 1, на фазах тахометрической обмотки будут отсутствовать т.к. фазы переменных напряжений частоты 2F_B на диаметрально расположенных катушках 6 (так же, как и на катушках 7) совпадают и при встречном включении катушек 6 эти сигналы частоты 2F_B будут компенсироваться. И, наоборот, для получения сигналов датчика положения диаметрально расположенные катушки 7 необходимо включить последовательно-согласно. При этом сигналы с частотой 2F_B будут суммироваться, а сигналы тахометра компенсироваться. Получаем двухфазный датчик положения. Далее сигналы двух фаз датчика положения с помощью двух фазочувствительных выпрямителей (на чертеже не показаны) преобразуются в двухфазные сигналы, свободные от частоты 2F_B (которая является несущей). Период двухфазных сигналов соответствует полюсному делению ротора агрегата.

Макет предложенного синхронного агрегата был выполнен на базе многополюсного синхронного электродвигателя типа ДБМ-185. На каждом из четырех зубцов статора, расположенных под углом 90^o относительно друг друга, были установлены по две катушки тахометрическая и выходная фазы датчика положения. В спинке статора на осях упомянутых зубцов были выполнены четыре отверстия, в которых разместили основные обмотки первой и второй фаз датчика положения. Каждая из основных обмоток первой и второй фаз датчика положения содержала 1 виток. Катушки тахометрической и выходной обмоток фаз датчика положения содержали по 20 витков. Основные обмотки первой и второй фаз датчика положения были запитаны от источника двухфазного напряжения частоты 400 Гц. При амплитудном значении тока возбуждения 36 А, амплитуда фазного выходного напряжения составила 150 мВ. Проверялось также влияние реакции якоря электродвигателя на датчик положения. Фаза выходного сигнала датчика положения изменялась не более чем на 5^o при изменении тока якоря электродвигателя от нуля до номинального значения 8 А. Крутизна тахометра составила 15 мВ•мин/об.

Таким образом, в предложенном синхронном агрегате обеспечивается функциональное разделение трех электрических машин: синхронного двигателя, датчика положения и тахометра при гальванической развязке обмоток, что расширяет функциональные возможности агрегата, а выполнение трех машин на одном общем магнитопроводе существенно упрощает конструкцию и технологию изготовления агрегата.

Использование: в электротехнике в области машиностроения и приборостроении. Сущность изобретения: на статоре выполнены дополнительные аксиальные отверстия, в которых размещены катушки основной обмотки второй фазы датчика положения. На зубцах статора размещены дополнительные обмотки датчика положения. В каждой фазе статора катушки тахометрической обмотки соединены последовательно-встречно, а катушки дополнительной обмотки датчика положения - последовательно-согласно. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Синхронный агрегат, содержащий ротор с постоянными магнитами и статор, на зубцах которого размещены якорная и тахометрическая обмотки, в основных аксиальных отверстиях, расположенных на оси зубов, размещены первые катушки основной обмотки фаз датчика положения, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, на статоре выполнены расположенные ортогонально основным дополнительные аксиальные отверстия, в которых размещены вторые катушки основной обмотки фаз датчика положения, при этом основная обмотка первой фазы датчика положения расположена в первой паре ортогональных отверстий, а основная обмотка второй фазы во второй паре ортогональных аксиальных отверстий. 2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что на зубцах, на которых расположены катушки тахометрической обмотки, размещены катушки дополнительной обмотки датчика положения, при этом в каждой фазе катушки тахометрической обмотки соединены, например, последовательно встречно, а катушки дополнительной обмотки датчика положения последовательно согласно.