СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТА ДЛЯ БЕСКОНТАКТНЫХ ИНДУКТОРНЫХ ВЕНТИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 2004 года по МПК H02P6/08 

Изобретение относится к электрическим машинам и используется в приводах, применяемых в различных областях человеческой деятельности для преобразования электрической энергии в механическую. Максимальный эффект может быть достигнут при использовании заявляемого способа в тяговых электроприводах транспортных средств, грузоподъемных машинах, в станочном приводе, в приводах насосов для качания нефти из скважин, а также в приводах насосов компрессоров.

Заявляемый способ получения вращающего момента для бесконтактных индукторных вентильных двигателей позволит получить выходные характеристики этих электрических машин, эквивалентные характеристикам коллекторной машины постоянного тока последовательного возбуждения.

Электрические машины являются устройствами преобразования электрической энергии в механическую. В основе электрической машины лежит принцип взаимодействия одного магнитного потока, создаваемого за счет естественных или искусственных магнитов, с другим, также создаваемым естественными или искусственными магнитами. Преобразование электрической энергии, расходуемой на создание магнитного потока, в механическую, снимаемую с вала электродвигателя в виде вращающего момента, можно описать выражением, представляющим собой векторное произведение двух магнитных потоков

где М - вращающий момент на валу электродвигателя;

Ф_я - магнитный поток якоря;

Фв - магнитный поток возбуждения;

k - коэффициент пропорциональности, учитывающий конструктивные особенности.

Магнитный поток, создаваемый фазными обмотками, называется магнитным потоком якоря, а магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами или обмотками возбуждения, называется магнитным потоком возбуждения.

Величина снимаемого вращающего момента будет зависеть как от величин магнитных потоков, так и угла между ними. Поэтому для получения больших вращающих моментов при заданных габаритах необходимо применение специальных магнитных материалов, специальных конструкций ротора или сравнительно больших токов, протекающих через обмотки электрической машины. Выполнение этих двух условий всегда связано с усложнением конструкции привода. Повысить величину вращающего момента можно также за счет приближения угла между магнитными потоками якоря и возбуждения к 90° за счет применения коллекторного узла в машинах постоянного тока или датчиков положения ротора [2, с.72-75] в бесконтактных машинах переменного тока.

В настоящее время известны различные способы получения вращающего момента, реализованные в машинах постоянного тока с независимым, последовательным и смешанным возбуждением, а также в асинхронных электрических машинах с короткозамкнутым ротором, в синхронных бесконтактных машинах с постоянными магнитами [4, с.205], в сверхпроводниковой вентильной индукторной машине [1, патент RU 2178942 С1].

В машинах постоянного тока с независимым возбуждением формирование магнитных потоков якоря и возбуждения осуществляется за счет независимого подключения якорной обмотки и обмотки возбуждения. При таком способе формирования магнитных потоков имеется возможность одновременного и независимого их изменения, что позволяет получить вращающий момент в достаточно широком диапазоне значений. Однако в этом случае требуются два независимых регулятора, что ведет к усложнению конструкции привода.

Аналогичный способ получения вращающего момента применяется в коллекторных машинах постоянного тока последовательного возбуждения, где магнитный поток якоря создается якорной обмоткой, а магнитный поток возбуждения обмоткой возбуждения, подключаемой через коллекторный узел, путем последовательного включения этой обмотки с якорной так, что один из выводов якорной обмотки всегда соединяется с началом или концом обмотки возбуждения. К особым достоинствам машин этого класса относится то, что имеется возможность получить высокие значения вращающих моментов и угловых скоростей за счет изменения величин магнитного потока возбуждения. При этом упрощается управление машиной по магнитному потоку возбуждения, поскольку отсутствует необходимость введения дополнительного регулятора.

Однако реализовать данный способ получения вращающего момента для бесконтактных индукторных вентильных машин путем последовательного соединения якорной обмотки и обмотки возбуждения нельзя, так как они, во-первых, являются машинами переменного тока, а направление тока в обмотке возбуждения не должно изменяться, и, во-вторых, магнитный поток якоря в машинах постоянного тока создается обмоткой, размещенной на роторе, причем наличие коллекторного узла оказывается обязательным в отличие от индукторных, в которых магнитный поток якоря создается фазными обмотками, всегда размещенными на статоре.

Принципиальные конструктивные различия электрических машин этих классов позволяют сделать вывод, что заявляемый способ получения вращающего момента является новым и авторам неизвестно применение где-либо предлагаемого способа получения вращающего момента для электрических машин с фазными обмотками. Предлагаемый способ получения вращающего момента позволит получить выходные характеристики бесконтактных индукторных вентильных машин, подобные характеристикам коллекторных машин постоянного тока с последовательным возбуждением, но наличие регулятора и полупроводникового коммутатора позволяет расширить возможности машин этого класса.

Наиболее близкими аналогами с точки зрения конструктивного исполнения, где может быть реализован разработанный авторами способ получения вращающего момента, являются различные типы бесконтактных вентильных двигателей, в которых магнитный поток якоря создается за счет пропускания электрического тока через фазные обмотки: асинхронные электрические машины с короткозамкнутым ротором [4, с.272-274], синхронные бесконтактные машины с постоянными магнитами [4, с.205], сверхпроводниковая вентильная индукторная машина [1, патент RU 2178942 С1].

В асинхронной электрической машине с короткозамкнутым ротором [4, с.272-274] за счет подключения фазных обмоток к сети переменного тока создается вращающийся магнитный поток якоря, который во взаимодействии с магнитным потоком возбуждения, создаваемым наведенными в “беличьей клетке” ротора токами, приводит к получению вращающего момента на валу электродвигателя. При этом за счет фазового сдвига при образовании магнитного потока возбуждения, который в называют скольжением [5, с.390], возможно изменение угла между магнитным потоком якоря и магнитным потоком возбуждения, что позволяет получить требуемые механические характеристики.

В синхронной бесконтактной машине с постоянными магнитами [4, с.205] (фиг.1) получение вращающего момента на валу электродвигателя 1 осуществляется за счет взаимодействия магнитного потока якоря, создаваемого фазными обмотками А, В, С путем их согласованного подключения к питающему напряжению полупроводникового коммутатора 2, с магнитным потоком возбуждения, создаваемым постоянными магнитами (N-S), размещенными на роторе 7 двигателя 1. Вращение магнитного потока, создаваемого фазными обмотками, обеспечивается за счет специальных способов их коммутации устройствами 3, 4, 5 по сигналам от датчиков положения ротора, поступающим на контакты 3к и 4к устройства согласования 6 в виде управляющего напряжения U_упp.

Для управления магнитным потоком якоря фиг.2 применяют различные микросхемы 2, позволяющие получить требуемые значения вращающего момента электродвигателя 1 с постоянными магнитами N-S на роторе [3, с.189] и, соответственно, расширить область применения машин этого класса.

В сверхпроводниковой вентильной индукторной машине [1, с.8] получение вращающего момента осуществляется за счет создания многофазной обмоткой магнитного потока якоря и формирования комбинированным способом магнитного потока возбуждения за счет размещения на роторе электродвигателя постоянного магнита и на статоре - катушки возбуждения. Согласное или встречное включение с встроенным магнитом (“вмороженным” магнитным потоком) независимой обмотки возбуждения позволяет изменять величину магнитного потока возбуждения, чем достигается изменение величины вращающего момента. При таком способе получения вращающего момента обмотка возбуждения подключается отдельно и независимо от фазных обмоток [1, с.8].

Магнитный поток якоря в бесконтактном индукторном вентильном двигателе 1 (на фиг.3) создается за счет поочередного подключения фазных обмоток А, В, С через полупроводниковый коммутатор 5, который формирует токи в фазных обмотках двигателя по выбранному закону. При этом силовые элементы 6 полупроводникового коммутатора 5 работают в ключевом режиме, а шунтирующие диоды 7 предназначены для замыкания токов от ЭДС самоиндукции при отключении того или иного силового элемента. Получение вращающего момента осуществляется за счет взаимодействия двух магнитных потоков: магнитного потока якоря, который создается за счет протекания тока по фазным обмоткам А, В, С, подключенным к соответствующим элементам специального инвертора 5, и магнитного потока возбуждения, создаваемого независимой обмоткой возбуждения ОВ, подключенной через регулятор 4 к источнику питающего напряжения .

При таком способе получения вращающего момента возможны два варианта изменения его величины. В первом случае, путем управления величиной магнитного потока якоря за счет изменения токов, протекающих по фазным обмоткам, и во втором случае, за счет изменения магнитного потока возбуждения, осуществляемого изменением величины тока в обмотке возбуждения, подключенной к независимому источнику питания. Такой способ получения вращающего момента обеспечивает требуемые значения вращающего момента для определенного диапазона мощностей, но при этом необходим независимый источник питания, к которому должна быть подключена обмотка возбуждения.

При таком подключении обмотки возбуждения токи в фазных обмотках формируются через коммутирующее устройство, а обмотка возбуждения запитывается от постороннего источника через отдельный регулятор, как, например, в устройстве, описанном в [1, с.8].

Недостатком этого способа является то, что регулятор для управления токами в обмотке возбуждения должен быть достаточно мощным и на нем будет происходить существенное выделение энергии, при этом общая стоимость привода возрастает.

Наиболее близким по своей сути является способ получения вращающего момента, реализованный в устройстве [1, патент RU 2178942 С1, Сверхпроводниковая вентильная индукторная машина], описанный выше и в [2, с.16-18], и взятый за прототип, который включает себя:

1) подачу постоянного напряжения на полупроводниковый коммутатор и через него подключение фазных обмоток по своим цепям, получение в фазных обмотках переменного тока и создание магнитного потока якоря;

2) независимое подключение обмотки возбуждения к питающему напряжению постоянного тока и создание магнитного потока возбуждения;

3) взаимодействие магнитных потоков якоря и возбуждения;

4) получение вращающего момента на валу электродвигателя.

Целью изобретения является получение выходных характеристик бесконтактных индукторных вентильных электрических двигателей, подобных выходным характеристикам коллекторных машин постоянного тока последовательного или смешанного возбуждения, путем последовательного с фазными обмотками подключения обмотки возбуждения, что позволит расширить область применения электрических машин данного класса.

Цель достигается за счет применения нового способа получения вращающего момента, который заключается в следующей последовательности операций:

1) подачу постоянного напряжения на полупроводниковый коммутатор и через него подключение фазных обмоток по своим цепям, обеспечивая получение в фазных обмотках переменного тока для создания магнитного потока якоря;

2) подключение обмотки возбуждения последовательно с фазными обмотками для подачи на нее постоянного напряжения таким образом, чтобы через нее протекал постоянный ток, мгновенное значение которого пропорционально сумме абсолютных величин фазных токов для различных способов соединения фазных обмоток, и создание магнитного потока возбуждения;

3) взаимодействие магнитных потоков якоря и возбуждения;

4) получение вращающего момента на валу электродвигателя.

Сущность изобретения заключается в следующем. При получении вращающего момента на валу двигателя применяют различные способы создания магнитных потоков якоря, которые можно разделить на группы. К первой группе относятся способы с пассивной паузой, характеризующиеся тем, что во время паузы между управляющими импульсами фазная обмотка машины отключается от источника питания посредством запирания силовых ключей коммутатора. При этом возможны два варианта [2, с.16-18].

Сущность первого из них поясняется фиг.4. При подаче импульса, формируемого с учетом сигналов датчика положения ротора, на управляющие цепи коммутатора 2 отпираются силовые транзисторы, соответствующие данному положению ротора. Положим, что на участке перекрытия открыты транзисторы Т₂, Т₄, Т₆. При этом ток от положительной шины источника питания протекает через коллекторную цепь транзистора Т₂, все три секции обмотки и коллекторные цепи транзисторов Т₄ и Т₆ к отрицательной шине. В паузе между управляющими импульсами все ключи коммутатора запираются. Ток от ЭДС самоиндукции продолжает протекать по обмотке и замыкается через шунтирующие диоды Д₁ Д₃ и Д₅ на источник питания, причем напряжение источника оказывается приложенным встречно с ЭДС самоиндукции, что способствует быстрейшему спаду тока в паузе. Встречное включение напряжения источника и ЭДС самоиндукции в паузе между управляющими импульсами вносит специфику в электромагнитные процессы и оказывает существенное влияние на вид механических и регулировочных характеристик двигателя. При этом поток возбуждения создается независимой обмоткой возбуждения ОВ, которая подключается через регулятор 4 к независимому источнику питания с напряжением .

Во втором варианте фиг.5, с пассивной паузой, в паузе между управляющими импульсами запирается лишь одна группа силовых ключей коммутатора, например анодная. Транзисторы же второй группы остаются в том состоянии, в котором они находились в течение предшествующего импульса, т.е. управляются лишь с учетом сигналов датчика положения ротора. Поскольку транзисторы катодной и анодной групп включены последовательно с секциями якорной обмотки двигателя, то в паузе эта обмотка оказывается отключенной от источника питания. Однако ток от ЭДС самоиндукции протекает уже по иному пути, чем в первом варианте, что также оказывает влияние на механические и регулировочные характеристики двигателя.

К другой группе способов создания магнитных потоков якоря относятся способы с динамическим торможением в паузе. Возможна различная реализация динамического торможения. Для торможения двигателя по схеме, приведенной на фиг.3, достаточно переключателем 3 отключить его от источника питания и замкнуть входные шины коммутатора 5 на токоограничивающее сопротивление 2. Силовые транзисторные ключи 6 при этом должны быть заперты. Ток, проходящий через токоограничивающее сопротивление 2, создает момент динамического торможения, а мостовой полупроводниковый коммутатор 5 позволяет осуществлять динамическое торможение в паузе без применения дополнительных элементов в силовой части за счет организации особых алгоритмов управления.

В зависимости от способа соединения фазных обмоток (в треугольник, в звезду, независимо), которые известны и описаны в [7, с.12. Рис.1-4. Классификационная таблица.], а также [6, с.146, рис.5.9 (где приведены схемы с несколькими триадами фазных обмоток)] и их количества, схема подключения последовательной обмотки возбуждения для создания магнитного потока возбуждения может иметь следующие виды.

При соединении фазных обмоток в треугольник (фиг.6) заявляемый способ получения вращающего момента для бесконтактных индукторных вентильных двигателей реализуется за счет последовательного подключения обмотки возбуждения OB₁ таким образом, что она подключается в цепь питающего напряжения полупроводникового коммутатора 2, а общие точки шунтирующих диодов Д1-Д6 подключены до обмотки возбуждения OB₁. При этом магнитный поток возбуждения создается током, который оказывается пропорциональным сумме абсолютных величин фазных токов, что дает возможность для создания магнитного потока возбуждения частично использовать токи от ЭДС самоиндукции и обеспечивает получение необходимой величины вращающего момента.

На фиг.6 и всех последующих фигурах элементы конструкции электрической машины, находящиеся внутри зон, ограниченных пунктирной линией с цифрой 1, размещены непосредственно в электрической машине и являются элементами ее конструкции. Также на фиг.6 и всех последующих фигурах элементы, находящиеся внутри зон, ограниченных пунктирной линией с цифрой 2, являются элементами полупроводникового коммутатора или инвертора.

Аналогичным образом можно осуществить подключение обмотки возбуждения и для машины, в которой фазные обмотки соединены в звезду (фиг.7). Как описывалось выше, при наличии нескольких групп фазных обмоток, соединенных в треугольник, звезду или вообще фазных обмоток, подключенных независимо друг от друга, схема включения последовательной обмотки возбуждения фиг.8, 9, 10 имеет тот же вид. При этом ток, протекающий по фазным обмоткам, будет использоваться для создания магнитного потока возбуждения, т.е. пропорциональность между создаваемым магнитным потоком возбуждения и фазными токами будет для каждой схемы соединения фазных обмоток сохраняться. При применении этого способа получения вращающего момента при такой схеме подключения последовательной обмотки возбуждения упрощается конструкция электрической машины.

В том случае, если имеется возможность обмотку возбуждения OB₁ выполнить расщепленной на две ветви или состоящей из двух частей, то возможно включение каждой секции обмотки возбуждения OB_1-1 и ОВ_1-2 (фиг.11) к источнику постоянного питающего напряжения так, что токи от ЭДС самоиндукции полностью будут проходить через обмотки OB_1-1 или OB_1-2.

Аналогичным образом возможно подключение последовательной расщепленной обмотки возбуждения ОВ_1-1 и OB_1-2 (фиг.12) и при соединении фазных обмоток в звезду. При этом также мгновенное значение тока возбуждения пропорционально сумме абсолютных величин фазных токов.

Для реализации заявляемого способа получения вращающего момента для бесконтактных индукторных вентильных двигателей при нескольких группах фазных обмоток, соединенных в звезду или треугольник, а также для независимого друг от друг соединения фазных обмоток, подключение последовательной расщепленной обмотки возбуждения OB_1-1 и OB_1-2 к источнику постоянного питающего напряжения будет иметь вид, представленный на фиг.13, 14, 15. Последовательная обмотка возбуждения OB₁, состоящая из двух секций (расщепленная) OB_1-1 и OB_1-2, включена в цепь постоянного питающего напряжения последовательно с инвертором и фазными обмотками.

Для получения внешней характеристики двигателя, аналогичной характеристике двигателя постоянного тока смешанного возбуждения, или необходимости варьирования видом характеристики в разных режимах работы электрической машины возможно применение также независимой обмотки возбуждения ОВ₂. Наличие независимой обмотки возбуждения позволяет в еще более широких пределах изменять магнитный поток возбуждения, что приводит к расширению диапазона регулирования вращающего момента при той же частоте вращения. В зависимости от вида последовательной обмотки возбуждения (цельная или расщепленная) для различных схем соединения фазных обмоток (в треугольник, в звезду, в несколько триад, независимое друг от друга подключение фазных обмоток) способ получения вращающего момента для бесконтактных индукторных вентильных двигателей может быть реализован за счет схем подключения, представленных на фиг.16, 17, 18, 19, 20, 21, 22. При этом дополнительный поток возбуждения создается независимой обмоткой возбуждения ОВ₂, которая подключается через регулятор 3 к независимому источнику питания с напряжением . Вместе с тем пропорциональность мгновенного значения тока возбуждения сумме абсолютных величин фазных токов сохраняется, изменяется лишь коэффициент пропорциональности.

Заявляемый способ получения вращающего момента отличается от существующих тем, что подключение фазных обмоток и обмотки возбуждения осуществляется последовательно и одновременно.

Реализация этого способа невозможна с использованием конструкций электрических машин определенного класса, не имеющих обмоток возбуждения, таких, например, как асинхронные машины переменного тока или бесконтактные машины переменного тока с постоянными магнитами.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Необходимость применения этого способа получения вращающего момента может возникнуть при использовании бесконтактных индукторных вентильных электрических машин в качестве тяговых двигателей на транспорте, в грузоподъемных машинах, в станочном приводе и в приводах насосов для качания нефти из скважин, когда требуется достигнуть в электрических машинах переменного тока таких же выходных характеристик, как и в коллекторных машинах постоянного тока последовательного возбуждения.

Заявляемый способ получения вращающего момента позволяет улучшить выходные характеристики бесконтактных индукторных вентильных электрических машин и таким образом расширить сферу применения данного класса машин.

Источники информации

1. Патент RU 2178942.

2. Авдолоткин Н.П., Гращенко В.Т., Лебедев Н.И., Овчинников И.Н., Стыцына А.К. Управляемые бесконтактные двигатели постоянного тока. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1984, 160 с.

3. Энциклопедия ремонта. Выпуск 12. Микросхемы для управления электродвигателями. М.: ДОДЭКА, 1999, 288 с.

4. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1976, 416 с.

5. Х.Э.Зейдель, В.В.Коген-Дален, В.В.Крымов, В.Г.Герасимов, Д.Н.Морозов и др. Электротехника для вузов. М.: Высшая школа, 1985, 480 с.

6. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. Учебное пособие для электромеханических и электроэнергетических спец. втузов.. М.: Высшая школа, 1985, 255 с.

7. Овчинников И.Е., Лебедев Н.И. Бесконтактные двигатели постоянного тока. Л.: Наука, Ленинградское отделение, 1979, 270 с.

Изобретение относится к электрическим машинам и может быть использовано в приводах, применяемых в тяговых электроприводах транспортных средств, грузоподъемных машинах, в станочном приводе, в приводах насосов для качания нефти из скважин, а также в приводах насосов компрессоров. Техническим результатом является получение выходных характеристик индукторных вентильных двигателей, эквивалентных характеристикам коллекторных машин постоянного тока последовательного возбуждения. Способ получения вращающего момента для бесконтактных индукторных вентильных двигателей осуществляют следующим образом. Подают постоянное напряжение на инвертор от источника питания и через него подключают фазные обмотки по своим цепям, обеспечивая в фазных обмотках переменный ток, подают постоянный ток от указанного источника. Обмотку возбуждения подключают в цепь питающего напряжения последовательно с полупроводниковым коммутатором и фазными обмотками так, что мгновенное значение тока возбуждения пропорционально сумме абсолютных величин фазных токов. 22 ил.

Способ получения вращающего момента для бесконтактных индукторных вентильных электродвигателей, включающий подачу постоянного напряжения на инвертор от источника питания и через него подключение фазных обмоток по своим цепям, обеспечивая прохождение в фазных обмотках переменного тока, подачу постоянного тока в обмотку возбуждения и получение в результате взаимодействия магнитных потоков якоря и возбуждения вращающего момента на валу электродвигателя, отличающийся тем, что постоянный ток в обмотку возбуждения подают от указанного источника питания, при этом обмотку возбуждения подключают в цепь питающего напряжения последовательно с инвертором и фазными обмотками так, что мгновенное значение тока возбуждения пропорционально сумме абсолютных величин фазных токов.