СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1997 года по МПК H02K33/02 H02P7/62 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в качестве генератора случайных механических и электрических колебаний.

Известен способ формирования колебаний синхронного двигателя, заключающийся в том, что одну из обмоток статора и обмотку ротора питают переменным током с частотой, равной частоте питания двигателя, а вторую обмотку статора и вторую обмотку ротора переменным током другой частоты (авт.св. N 1307530, кл. Н 02 Р 7/62, 1987).

По известному способу синусоидальные управляющие напряжения в воздушном зазоре двигателя создают два синфазно направленных колебательных электромагнитных поля. В результате согласного взаимодействия электромагнитных полей статора и ротора подвижный элемент двигателя совершает синхронные с частотой колебания магнитного поля статора колебательные движения. Форма колебаний при этом близка к синусоидальной. Получение колебаний другой формы, например, случайных, невозможно.

Следовательно, недостаток известного способа формирования колебаний синхронного двигателя ограниченные функциональные возможности.

Известен также способ формирования колебаний синхронного двигателя, заключающийся в питании обмотки статора переменным током (Патент ФРГ N 2323494, кл. Н 02 К 33/06, 1974 г.). В соответствии с этим способом якорь двигателя, состоящий из постоянного магнита с полюсным наконечником и установленный в начальное нейтральное положение с помощью механических пружин, совершает колебания под действием магнитного поля, создаваемого переменным током в обмотке статора.

При таком способе происходит формирование гармонических колебаний ротора, получение колебаний другой формы не представляется возможным. Следовательно, недостаток известного способа формирования колебаний синхронного двигателя ограниченные функциональные возможности.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ формирования колебаний синхронного двигателя, заключающийся в том, что питают одну из обмоток статора постоянным током, а другую переменным (авт.св. СССР N 1448380, кл. Н 02 Р 7/621, 1988).

При таком способе ротор синхронного двигателя с постоянными магнитами совершает колебательное движение под действием сигналов переменного тока, подаваемых в одну или две обмотки статора. Форма колебаний ротора при этом определяется формой переменного напряжения, подаваемого в одну из обмоток статора. Недостаток известного способа ограниченные функциональные возможности, поскольку он позволяет только воспроизводить колебания произвольной формы, но не позволяет генерировать колебания. Следовательно, недостаток известного способа ограниченные функциональные возможности.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей путем генерирования случайных колебаний.

Цель достигается тем, что в известном способе формирования колебаний синхронного двигателя, заключающемся в том, что одну из обмоток статора питают постоянным током, а другую переменным, дополнительно ротор нагружают механической фрикционной нагрузкой с отрицательным наклоном зависимости момента от скорости при малых скоростях, с помощью третьей обмотки статора получают электрический сигнал, пропорциональный скорости вращения ротора, преобразуют его с помощью пропорционально-интегрального регулирующего устройства, усиливают и используют для питания другой обмотки.

На фиг. 1 приведена функциональная схема реализации способа; на фиг. 2 - статическая характеристика механической фрикционной нагрузки. На схеме, иллюстрирующей предлагаемый способ (фиг. 1), обозначено: 1 источник постоянного тока, 2 синхронный двигатель с тремя обмотками 3, 4 и 5 на статоре и ротором 6 с постоянными магнитами,7 усилитель, 8 - пропорционально-интегральный регулятор, 9 механическая нагрузка.

Формирование колебаний в соответствии с предлагаемым способом осуществляется следующим образом. За счет активного ротора, выполненного с постоянными магнитами, в двигателе создается намагничивающий поток Φ_o. При подключении к источнику постоянного тока 1 первой обмотки 3 статора по ней протекает ток I₀. В результате взаимодействия обмотки 3 с током I₀ ротор 6 двигателя поворачивается и занимает нейтральное положение, соответствующее минимуму энергии электромеханической системы. При повороте ротора 6 на него будет действовать момент
M_в=kI_oΦ_osinα,
где k коэффициент пропорциональности.

Момент М_в стремится вернуть ротор в исходное положение. Следовательно, первая обмотка 3 электрического двигателя 2 выполняет роль электрической пружины, жесткость которой изменяется за счет изменения тока I₀ с помощью источника постоянного тока 1.

При движении ротора 6 магнитный поток Φ_o наводит в третьей обмотке 5 статора электрического двигателя 2 ЭДС, пропорциональную скорости:

Напряжение U₅ с выхода третьей обмотки 5 статора электрического двигателя 2 поступает на вход пропорционально-интегрального регулирующего устройства, который преобразует это напряжение в соответствии с зависимостью

где k₈, T₈ коэффициент передачи и постоянная времени пропорционально-интегрального регулятора 8.

Сигнал с выхода пропорционально-интегрального регулирующего устройства 8 поступает на вход усилителя 7. Усиленный по мощности сигнал U₇ k₇U₈, где k₇ коэффициент передачи усилителя, подается на вторую обмотку 4 статора. Ток, протекающий по второй обмотке 4 статора, взаимодействует с полем 6, в результате чего создается электромагнитный момент, действующий на ротор 6 и приводящий его в движение. При перемещении ротора 6 магнитный поток Φ_o наводит ЭДС в третьей обмотке статора электрической машины 2. Таким образом, в системе осуществляется обратная связь между ротором 6 и обмотками 4 и 5 через последовательно соединенное пропорционально-интегральное регулирующее устройство 8 и усилитель 7.

колебания ротора происходят под действием трех моментов сил:
электромагнитного момента:
M_э=k_oI_oΦ_osinα-ki₄Φ_ocos(α+30^°),
где i₄ ток в обмотке 4 статора;
момента сил трения M_т(Ω);
динамического момента, возникающего при движении и пропорционального угловому ускорению
,
где J момент инерции колеблющихся масс.

Уравнение движения ротора таким образом имеет вид

при колебаниях ротора скорость принципиально не может изменяться точно в соответствии с какой-либо детерминированной функцией, например, гармонической. Всегда за счет случайных неконтролируемых факторов происходят малые девиации скорости.

Небольшие флюктуации скорости вызывают большие изменения момента сил трения. Характер движения при этом сильно изменяется и становится случайным.

При отключении фрикционной нагрузки колебания ротора имеют гармоническую форму.

С целью подтверждения положительного эффекта, достигаемого с помощью предлагаемого технического решения, было проведено физическое и математическое моделирование электромеханической колебательной системы. На фиг. 3 приведены графики колебаний в системе, полученные путем моделирования на ЭВМ. На фиг. 4 показана расчетная корреляционная функция случайных колебаний.

Таким образом, использование в известном способе дополнительно новых операций, состоящих в том, что ротор нагружают механической фрикционной нагрузкой с отрицательным наклоном зависимости момента от скорости при малых скоростях, с помощью третьей обмотки статора получают электрический сигнал пропорционально-интегрального регулирующего устройства, усиливают и используют для питания другой обмотки, что позволяет расширить функциональные возможности способа за счет генерирования случайных колебаний.

Важным достоинством предлагаемого способа является то, что он обеспечивает получение одновременно электрических (на выходе обмотки 5 и усилителя 7) и механических случайных колебаний без дополнительных специальных преобразовательных и воспроизводящих устройств. Кроме того, самостоятельное значение имеет программная реализация способа формирования случайных колебаний.

Использование предлагаемого способа формирования колебаний синхронного двигателя в электротехнике и автоматике позволит повысить эффективность испытаний, идентификации и моделирования технических систем.

Использование: в качестве генератора случайных механических и электрических колебаний. Сущность изобретения: колебания реализуются с помощью синхронного двигателя, первая обмотка статора которого подключена к источнику постоянного тока, вторая обмотка через последовательно соединенные пропорционально-интегральное устройство и усилитель мощности подключена к выходу третьей обмотки, ротор имеет механическую фрикционную нагрузку с отрицательным наклоном зависимости момента от скорости при малых скоростях. Использование предлагаемого способа формирования колебаний в электротехнике и автоматике позволит повысить эффективность испытаний, идентификации и моделирования технических систем. 2 ил.

Способ формирования колебаний синхронного двигателя, заключающийся в том, что одну из обмоток статора питают постоянным током, а другую переменным, отличающийся тем, что ротор нагружают механической фрикционной нагрузкой с отрицательным наклоном зависимости момента от скорости при малых скоростях, с помощью третьей обмотки статора получают электрический сигнал, пропорциональный частоте вращения ротора, преобразуют его с помощью пропорционально-интегрального регулирующего устройства, усиливают и используют для питания другой обмотки.