ИНДУКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H02K19/06 H02P8/00 H02K29/06 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к управляемым электродвигателям индукторного типа, и может быть использовано в бытовой технике для привода многоскоростных стиральных машин.

Известен трехфазный шаговый двигатель индукторного типа, содержащий статор, набранный из трех секций магнитопроводов П-образного сечения с цилиндрическими фазными катушками, и трехсекционный зубчатый магнитопровод ротора, выполненный без обмоток (В.П. Рубцов, Л.А. Садовский, А.С. Филатов. Системы с силовыми шаговыми двигателями для металлургической промышленности. Б-ка по автоматике. Вып. 246. Электроприводы с полупроводниковым управлением. М. Энергия, 1967, с.7).

Известен способ управления индукторным двигателем при подмагничивании за счет постоянной составляющей, предусматривающий для обеспечения пуска, реверса и устойчивой работы наличие на двигателе как минимум трех фаз. Способ управления состоит в подаче однополярных токовых импульсов определенной последовательности и частоты в обмотки двигателя (В.П.Рубцов, Л.А.Садовский, А. С. Филатов. Системы с силовыми шаговыми двигателями для металлургической промышленности. Б-ка по автоматике. Вып. 246. Электроприводы с полупроводниковым управлением. М. Энергия, 1967, с. 6).

Недостатком данного устройства и способа его управления является то, что из-за отсутствия обратной связи по положению ротора относительно статора не обеспечивается быстрый разгон двигателя, а также требуется минимум трехфазное питание двигателя, что усложняет систему.

Известен трехфазный индукторный двигатель, статор которого выполнен с зубцами, охваченными сосредоточенными фазными катушками, а ротор зубчатым и безобмоточным (патент США N4647802, кл. H02K 37/00, от 03.03.1987 г.).

Широко известны способы управления трех- и четырехфазными индукторными двигателями, заключающиеся в последовательной подаче однополярных токовых импульсов в фазные обмотки от электронного коммутатора по сигналам от датчика положения ротора относительно статора. При этом обеспечивается надежный пуск и реверс двигателя из любого начального углового положения ротора (Патенты США N4933621, кл. H02P 8/00, от 12.06.1990 г. и N5015939, кл. H02P 5/40 от 14.05.1991 г.).

Недостатком трех- и четырехфазных индукторных двигателей являются значительные размеры и стоимость необходимого для их работы электронного коммутатора, которые существенно зависят от числа фаз двигателя. Недостатком указанных способов управления является ненадежность работы двигателя двухфазного исполнения при использовании этих способов. Это особенно касается режимов пуска и реверса двухфазного двигателя.

Предполагаемое изобретение направлено на уменьшение числа фаз индукторного электродвигателя при одновременном обеспечении его надежной работы.

Поставленная цель достигается тем, что в индукторном электродвигателе, содержащем зубчатый статор с числом зубцов Z_s, выполненный с полюсами, охваченными катушками, соединенными в фазы, и безобмоточный ротор с числом зубцов Z_r и угловым зубцовым делением t_z, при этом число зубцов одного полюса равно k, где k 1, 2, 3, датчик положения зубцов ротора относительно зубцов статора и электронный коммутатор, к которому подсоединены фазные обмотки с возможностью поочередного включения с учетом сигналов датчика положения, при этом полюса, принадлежащие одной фазе, сдвинуты между собой на угол, кратный t_z, согласно данному заявлению, катушки соединены в две фазы и каждый полюс одной фазы расположен между двумя полюсами другой фазы, а углы между осями трех соседних полюсов выполнены разными, при этом меньший угол равен (m + (0,3. 0,47))•t_z, где m 1, 2, 3, и число зубцов ротора Z_r Z_s + 2_n, где n 1, 2, 3, Поставленная цель достигается также тем, что на фазные обмотки индукторного электродвигателя подают импульсы тока по сигналам от датчика положения ротора, причем, согласно данному заявлению, в начале пуска в одну из фазных обмоток, например, в первую, независимо от сигнала датчика положения ротора подается ток в течение времени, достаточного для того, чтобы ротор занял стартовое положение, в котором зубцы ротора устанавливаются напротив зубцов возбужденных полюсов. В дальнейшем указанная фаза обесточивается, а вторая фаза включается, затем включается первая фаза и т.д. по сигналам датчика положения ротора. В этом случае ротор вращается по направлению от полюса, возбужденного первым кратковременным импульсом тока, к ближайшему соседнему полюсу второй фазы. Для изменения направления вращения, т.е. реверса, независимо от сигналов датчика положения ротора первое включение тока осуществляется во вторую фазу и далее, в соответствии с сигналами от датчика положения ротора, в первую, вторую и т.д.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным выполнением со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показаны:
фиг. 1 поперечное сечение индукторного электродвигателя;
фиг. 2 схема электронного коммутатора;
фиг. 3 зависимость электромагнитных моментов, развиваемых полюсами, при угловом смещении ротора.

Электрическая машина, показанная на фиг. 1, содержит набранный из пластин сердечник статора 1 с зубцами 2 и пазами 3. Зубцы 2 и пазы 3 образуют полюса 4, 5, 6 и 7, на которых располагаются катушки 8, 9, 10 и 11. Оси полюсов 4 и 6 и, соответственно, зубцов 2 этих полюсов смещены между собой по расточке статора на угол, кратный угловому зубцовому делению t_z. В рассматриваемом случае этим условиям удовлетворяет их диаметральное расположение. Аналогичный взаимный сдвиг между собой имеют полюса 5 и 7 и, соответственно, зубцы 12 этих полюсов. Однако полюса 5 и 7 так размещены по расточке статора, что их оси смещены относительно осей полюсов 4 и 6 в одном направлении на угол α = 2,4•tz. Катушки 4, 6 и 5, 7 образуют две независимые обмотки ab и cd. Ротор 13 выполнен безобмоточным с зубцами 14 и пазами.

Электронный коммутатор, показанный на фиг. 2, состоит из блока управления (БУ), работающего по командам датчика положения ротора (ДПР), фазных обмоток управления (ОУ1 и ОУ2), обозначенных на фиг. 1, соответственно, ab и cd, источника питания (ИП), фильтровой емкости C и инвертора, состоящего из ключей VT1, VT2, VT3, VT4 и диодов VD1, VD2, VD3 и VD4.

В исходном состоянии обмотки ab и dc обесточены. Для надежного пуска двигателя ротор должен занять стартовое положение, которое зависит от выбранного направления вращения.

Рассмотрим пуск ротора двигателя в направлении вращения часовой стрелки (см. фиг. 1). Стартовое положение ротора 13 для вращения по часовой стрелке обеспечивается подачей в обмотку cd (OУ2) импульса тока. С этой целью БУ вырабатывает команду на открытие ключей VT3 и VT4. Длительность импульса должна быть такой, чтобы ротор под действием возникшего электромагнитного момента M_cd, созданного полюсами 5 и 7 при включенной обмотке cd, занял положение, в котором оси зубцов 14 ротора 13 и зубцов 12 возбуждения полюсов 5, 7 статора 1 совпадают. Например, не более 5 секунд.

Это взаимное угловое положение статора и ротора, показанное на фиг. 1, является оптимальным для создания электромагнитного момента полюсами 4 и 6 и его использования для вращения ротора по часовой стрелке. Этому положению ротора на фиг. 3 соответствует точка j. В дальнейшем открытием ключей VT1 и VT2 подается импульс тока в обмотку ab (ОУ1). В это время закрытием ключей VT3 и VT4 обесточивается обмотка cd (ОУ2). В этом случае возбуждаются полюса 4 и 6, вследствие чего ротор 13 под действием момента M_ab начинает вращение по часовой стрелке, то есть по направлению от полюса 7 к полюсу 6. Как только ротор достигает положения точки e (см. фиг. 3), в котором оси зубцов ротора и зубцов полюсов 4 и 6 статора совпадают, закрытием ключей VT1 и VT2 обмотка ab (ОУ1) обесточивается, так как в противном случае при дальнейшем вращении на ротор со стороны полюсов 4 и 6 начнет действовать тормозной момент M_ab, показанный на фиг. 3 пунктирной линией. За счет запасенной кинетической энергии ротор продолжает вращение. Как только ротор достигает углового положения точки i (см. фиг. 3), в котором оси ротора совпадают с осями пазов в полюсах 5 и 7, открытием ключей VT3 и VT4 подается импульс тока в обмотку cd. В результате на зубцы ротора начинают действовать силы тяжения со стороны зубцов полюсов 5 и 7. Возникший таким образом вращающий момент M_cd также направлен по часовой стрелке. Под действием момента ротор увеличивает частоту вращения. Обмотка cd (ОУ2) оказывается во включенном состоянии до тех пор, пока ротор не займет положение точки f, в котором оси зубцов ротора и зубцов 12 полюсов 5 и 7 совпадают. При этом уже в точке h включается обмотка ab (ОУ1) и на ротор, помимо момента M_cd, действует момент M_ab, также направленный по часовой стрелке.

Для вращения ротора против часовой стрелки (см. фиг. 1), то есть реверса, стартовое положение обеспечивается подачей тока в обмотку ab (ОУ1). Для этого БУ вырабатывается команда на открытие ключей VT1 и VT2. Под действием магнитного поля полюсов 4, 6 ротор занимает стартовое положение, показанное на фиг. 3 точкой e, в котором оси зубцов 14 ротора 13 совпадают с осями зубцов 2 полюсов 4 и 6. Это положение является оптимальным для создания электромагнитного момента полюсами 5, 7, причем направление этого момента совпадает с выбранным направлением вращения. Поэтому в этом положении БУ по сигналам ДПР вырабатывает команду на открытие ключей VT3 и VT4 и в обмотку cd (ОУ2) подается импульс тока. При этом БУ выдает команду на закрытие ключей VT1 и VT2, что обеспечивает быстрое снижение тока в ab (ОУ1). Это приводит к тому, что магнитное поле полюсов 4, 6 затухает, а полюсов 5, 7 увеличивается. На зубцы ротора начинают действовать силы тяжести к зубцам 12 полюсов 5, 7. Ротор начинает вращение против часовой стрелки. В дальнейшем импульсы тока подаются в обмотку ab (ОУ1) и cd (ОУ2) по командам БУ в соответствии с сигналами ДПР, аналогично работе при вращении ротора по часовой стрелке, которая описана выше.

Таким образом, поочередная подача однополярных импульсов тока в обмотки ab (ОУ1) и cd (ОУ2) обеспечивает однонаправленное силовое взаимодействие ротора с полюсами 4, 6 и 5, 7, что, в свою очередь, приводит ротор во вращение в заданном направлении. Подача импульсов тока в обмотки ab (ОУ1) и cd (ОУ2) обеспечивается электронным коммутатором по командам БУ в соответствии с сигналами от ДПР.

Для обеспечения соответствия действительного направления вращения ротора заданному между осями полюсов 4, 6 и 5, 7 должен быть угловой сдвиг α = (m+(0,3...0,47))•tz. Соответствующий сдвиг должен быть обеспечен между ДПР каждой фазы.

При заданном направлении вращения по часовой стрелке и наличии некоторой статической нагрузки M_н (см. фиг. 3) на валу неподвижного ротора последний может оказаться в мертвой зоне, ограниченной вертикальными линиями q и p. В этой зоне электромагнитный момент, развиваемый возбужденными полюсами 5 и 7, оказывается меньше M_н в силу того, что зубцы ротора расположены практически против пазов полюсов 5 и 7. Зависимости электромагнитных моментов от углового перемещения ротора, создаваемых возбужденными полюсами 4, 6 и 5, 7, приведены на фиг. 3 и обозначены, соответственно, M_ab и M_cd. Таким образом, случайно оказавшись в мертвой зоне, ротор не сможет занять необходимого стартового положения для надежного пуска по часовой стрелке. При этом, в соответствии с основным режимом работы, описанным выше, в мертвой зоне для полюсов 5, 7 ключи VT1 и VT2 закрыты по командам БУ согласно сигналам ДПР.

Для обеспечения надежного пуска по направлению часовой стрелки в случае остановки ротора в мертвой зоне, о которой будет свидетельствовать сигнал от ДПР, после подачи кратковременного импульса тока в обмотку cd (ОУ2) подается кратковременный импульс тока в обмотку ab (ОУ1). В этом случае ротор под действием как минимум момента M_o, созданного полюсами 4 и 6, перемещается против часовой стрелки на небольшой угол и занимает положение, в котором оси зубцов ротора и зубцов 2 полюсов 4 и 6 совпадают. Этому положению ротора на фиг. 3 соответствует точка e. В результате ротор выходит из мертвой зоны полюсов 5 и 7. После этого вновь импульс тока подается в обмотку cd (ОУ2) и ротор по действием момента M_п, созданного полюсами 5 и 7, перемещается против часовой стрелки до положения, в котором оси зубцов ротора и зубцов 12 полюсов 5 и 7 совпадают. Этому положению ротора на фиг. 3 соответствует точка j. Таким образом, распознав с помощью ДПР попадание ротора в мертвую зону, БУ последовательной подачей дополнительных двух импульсов в фазные обмотки обеспечивает установку ротора в стартовое положение для вращения по часовой стрелке. Дальнейший пуск и вращение ротора осуществляются подачей токовых импульсов в фазные обмотки ОУ1 и ОУ2 по сигналам ДПР, аналогично рассмотренному выше пуску двигателя по направлению часовой стрелки (см. фиг. 1).

При вращении против часовой стрелки также возможно попадание ротора в мертвую зону, ограниченную на фиг. 3 вертикальными линиями v и w. Выведение ротора из этой мертвой зоны осуществляется также последовательной подачей дополнительных двух импульсов тока, соответственно, сначала в обмотку cd (ОУ2), затем в ab (ОУ1).

Следует отметить, что действия по управлению электродвигателем в случае попадания ротора в мертвую зону могут быть выделены в качестве самостоятельного способа пуска. То есть, для вращения по часовой стрелке независимо от сигналов датчика положения ротора последовательно подаются токовые импульсы в обмотки ОУ1 и ОУ2, после чего подаются токовые импульсы в обмотки с учетом сигналов от ДПР. Для вращения ротора против часовой стрелки последовательность подачи тока в фазные обмотки обратная.

Предложенные способы управления обеспечивают пуск в любом направлении вращения при статическом моменте сопротивления на валу M_ст (см. фиг. 3), величина которого зависит от углового сдвига между осями полюсов разных фаз.

Положительный эффект от использования предлагаемого технического решения состоит в том, что за счет сдвига одной группы полюсов, в данном случае 4 и 6, относительно другой, а именно полюсов 5 и 7, на угол (m + (0,3. 0,47))t_z, надежно обеспечивается необходимое стартовое положение ротора за счет большого значения синхронизирующего момента полюсов, включенных на время пуска.

Предложенный способ управления индукторным двигателем обеспечивает надежный пуск и реверс, что позволяет использовать его для привода различных устройств с тяжелыми условиями пуска.

Использование: в бытовой технике для привода многоскоростных стиральных машин. Сущность: индукторный электродвигатель, содержащий статор с обмотками, охватывающими зубцы, и зубчатый ротор, зубцы статора объединены в четыре полюса, оси диаметрально расположенных полюсов имеют взаимный сдвиг, кратный зубцовому шагу ротора t_z, оси двух полюсов сдвинуты вдоль расточки статора в одном направлении по отношению к осям двух других полюсов на величину (m + (0,3...0,47))t_z, где m = 1, 2, 3,... На одну из фазных обмоток, в зависимости от выбранного направления вращения, подается независимо от сигнала датчика положения ротора ток до установки зубцов ротора напротив зубца возбуждения полюсов, затем в фазные обмотки подаются импульсы тока в соответствии с сигналами датчика положения ротора. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Индукторный электродвигатель, содержащий зубчатый статор с числом зубцов Z_s, выполненный с полюсами, охваченными катушками, соединенными в фазы, при числе зубцов одного полюса, равным K, где K 1, 2, 3 безобмоточный ротор с числом зубцов Z_r и угловым зубцовым делением t_z, датчик положения зубцов ротора относительно зубцов статора и электронный коммутатор, к которому подсоединены фазные обмотки с возможностью поочередного включения с учетом сигналов датчика положения ротора, при этом полюса, принадлежащие одной фазе, сдвинуты между собой на угол, кратный t_z, отличающийся тем, что катушки соединены в две фазы и каждый полюс одной фазы расположен между двумя полюсами другой фазы, а между осями трех соседних полюсов выполнены разные углы, меньший из которых равен (m + (0,3 - 0,47)) t_z, где m 1, 2, 3 при этом число зубцов ротора Z_r Z_s + 2n, где n 1, 2, 3
2. Способ управления индукторным электродвигателем, содержащем две фазы, заключающийся в поочередной подаче однополярных импульсов тока в фазные обмотки с учетом сигналов от датчика положения ротора, отличающийся тем, что при задании вращения ротора от полюсов первой фазы к полюсам второй фазы, когда между осями полюсов расположен меньший угол, в момент пуска независимо от сигналов датчика положения ротора включает первую фазу до установки зубцов ротора напротив зубцов полюсов первой фазы, а при задании обратного вращения ротора включает вторую фазу до установки зубцов ротора напротив зубцов полюсов второй фазы, а потом в обоих случаях управляют включением фаз по сигналам датчика положения ротора. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что сначала включают первую фазу, затем проверяют наличие сигнала от датчика положения ротора на включение второй фазы и при его отсутствии включают вторую фазу, затем отключают вторую фазу и включают первую, а потом управляют включением фаз по сигналам датчика положения ротора, а при задании обратного вращения ротора сначала включают вторую фазу, проверяют наличие сигнала датчика положения ротора на включение первой фазы и при его отсутствии включают первую фазу, затем вторую фазу, а потом включение фаз осуществляют по сигналам датчика положения ротора.