СОВМЕЩЕННЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ИНДУКТОРНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2007 года по МПК H02K29/06 H02P6/16 

Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано в системах автоматического управления.

Известны совмещенные электрические машины, в которых в едином корпусе размещаются электрические машины разного класса: двигатель - генератор, двигатель - датчик положения, двигатель - магнитный усилитель и т.д. Использование общей магнитной системы для электрических машин разного класса позволяет существенно снизить массогабаритные показатели устройства и уменьшить количество сочленяемых агрегатов. При совмещении электрических машин разного класса в общей магнитной системе необходимо предусмотреть меры, направленные на устранение электромагнитного взаимодействия между совмещенными электрическими машинами. Для этого у совмещаемых электрических машин применяют разное число полюсов, различное укорочение шагов обмоток, измененный порядок соединения катушечных групп в фазе и т.д. [Совмещенные электрические машины для автоматики. Под общей ред. Д.В.Свечарника. - М.: "Энергия", 1969].

В качестве прототипа выберем SRM (Switched Reluctance Motor), приведенный на Fig.7.2 (Page 100) и описанный в монографии Miller T.J.E. Switched reluctance motor and their control. Magna physics publishing and Clarendon press. Oxford. 1993. Рассматриваемый двигатель состоит из синхронного индукторно-реактивного двигателя, датчика положения ротора, системы управления и вентильного коммутатора. Статор синхронного индукторно-реактивного двигателя выполняется с прямыми зубцами, на которых размещаются катушечные обмотки, соединяемые в многофазную обмотку; ротор - зубчатый, безобмоточный. Число зубцов статора не равно числу зубцов ротора. В отечественной технической литературе данный тип двигателя получил наименование вентильный индукторно-реактивный двигатель (ВИРД). [Голландцев Ю.А. Вентильные индукторно-реактивные двигатели. СПб.: ГНЦ РФ - ЦНИИ "Электроприбор", 2003]. К недостаткам прототипа можно отнести наличие дополнительного датчика положения, установка которого на валу двигателя увеличивает массогабаритные размеры электромашинного агрегата.

В вентильных двигателях число пар полюсов и фаз у двигателя и датчика положения ротора должно быть одинаковым, поэтому многие из известных мер исключения электромагнитного взаимодействия между полями двигателя и датчика положения ротора в совмещенном ВИРД непригодны.

Из существующего многообразия датчиков положения ротора в совмещенном ВИРД целесообразно использовать редуктосин, магнитная система которого соответствует магнитной системе индукторно-реактивных двигателей, но отличается системой обмоток: обмоткой возбуждения и многофазной сигнальной обмоткой [Юферов Ф.М. Электрические микромашины автоматических устройств. - М.: Высшая школа, 1976].

Задачей изобретения является повышение надежности, технологичности, а также улучшение массогабаритных показателей ВИРД.

Поставленная задача в рассматриваемом совмещенном ВИРД решена тем, что конфигурации магнитных систем двигателя и датчика положения ротора одинаковы. Под конфигурацией магнитной системы понимаем параметры зубцовой зоны: число зубцов статора и ротора, геометрические размеры зубцов и ярма. Катушечные обмотки, размещенные на зубцах пакета статора двигателя, соединяются в m-фазную обмотку двигателя. На каждом зубце статора датчика расположены две маломощных катушки. Нижние катушки, охватывающие основания зубцов, соединяются последовательно и образуют однофазную высокочастотную обмотку возбуждения. Верхние катушки образуют m-фазную сигнальную обмотку. Число фаз обмотки двигателя и сигнальной обмотки датчика равно друг другу. Зубчатый безобмоточный ротор является единым для двигателя и датчика.

Для предотвращения взаимодействия между электромагнитными полями обмоток двигателя и датчика предусмотрены специальные конструктивные решения. Для исключения замыкания переменных магнитных потоков рассеяния по продольной оси совмещенного ВИРД пакет статора датчика устанавливается в немагнитную втулку, которая крепится к корпусу. Для исключения трансформаторной связи между потоками рассеяния лобовых частей обмоток двигателя и датчика между статорами двигателя и датчика устанавливается электромагнитный экран, который может состоять из двух тонких листов пермаллоя, между которыми проложен тонкий лист меди.

Для регулирования угла установки датчика положения ротора относительно оси обмотки статора двигателя в совмещенном ВИРД предусмотрено устройство, обеспечивающее поворот и жесткую фиксацию немагнитной втулки со статором датчика относительно оси статора двигателя в пределах двойного полюсного деления ротора.

Сущность изобретения поясняется приведенными чертежами.

На фиг.1 изображен общий вид совмещенного ВИРД, на которой используются следующие обозначения:

1 - валик, 2 - корпус, 3 - электромагнитный экран, 4 - статор двигателя, 5 - немагнитная втулка статора датчика, 6 - статор датчика, 7 - подшипниковый щит, 8 - ротор двигателя и датчика.

На фиг.2 приведено поперечное сечение (А-А) магнитной системы статора и ротора двигателя: 9 - m-фазная обмотка двигателя.

На фиг.3 приведено поперечное сечение (Б-Б) магнитной системы статора и ротора датчика положения ротора, 10 - m-фазная сигнальная обмотка датчика, 11 - однофазная высокочастотная обмотка возбуждения датчика.

На фиг.4 приведена схема вентильного коммутатора при m=3. Модули трехфазного вентильного коммутатора фаз А, В, С выполнены по схеме асимметричного моста. На схеме использованы следующие обозначения: 13 - основной транзистор, 14 - вспомогательный транзистор, 15, 16 - обратные диоды, 17 - обмотка фазы A, U_п - напряжение питания вентильного коммутатора, 12 - входной конденсатор. Транзисторы вентильного коммутатора управляются сформированными сигналами датчика положения.

На фиг.5 представлена блок-схема системы управления совмещенного ВИРД. На схеме использованы следующие обозначения: 18 - однофазная высокочастотная обмотка возбуждения датчика, 19, 20, 21 - фазные сигнальные обмотки датчика; 24 - высокочастотный генератор, 23 - однофазный инвертор напряжения, 25, 26, 27 - фазочувствительные выпрямители соответствующей фазы сигнальной обмотки, 28, 29, 30 - триггеры Шмитта соответствующей фазы, и - соответственно прямой и инверсный выходы соответствующего триггера Шмитта, 31, 32, 33 - логические схемы "И".

На фиг.6 приведены эпюры напряжений на входах/выходах соответствующих элементов схемы управления: - напряжение возбуждения датчика положения ротора, , , - напряжения на фазных сигнальных обмотках, 1, 2, 3 - огибающие кривые напряжений сигнальных обмоток, которые формируются на выходах ФЧВ; , , - напряжения с прямых выходов триггеров Шмитта, используемые для управления вспомогательными транзисторами соответственно - VT2, VT4, VT6; , , - напряжения, сформированные с помощью схем "И" и используемые для управления основными транзисторами вентильного коммутатора соответственно - VT1, VT3, VT5.

Совмещенный ВИРД работает следующим образом. На статоре двигателя 4 размещены m-фазные обмотки 9, на статоре датчика 6 размещены две обмотки: высокочастотная обмотка возбуждения 11 и m-фазная сигнальная обмотка 10. Статор датчика установлен в немагнитную втулку 5. Между статорами двигателя и датчика установлен электромагнитный экран 3. Фазные обмотки ВИРД через транзисторы вентильного коммутатора - VT1, VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 подключены к источнику питания постоянного тока - . Сигналы на открытие транзисторов формируются в системе управления двигателя из сигналов датчика положения ротора.

Высокочастотный генератор (24) формирует напряжение повышенной частоты - 5-10 кГц , которое поступает через однофазный инвертор напряжения (22) на однофазную обмотку возбуждения датчика положения ротора - 18. Пульсирующий магнитный поток, созданный переменным током обмотки возбуждения, наводит в сигнальной обмотке - 19, 20, 21 переменные ЭДС - , , , амплитуда которых зависит от угла сдвига между осью обмотки возбуждения и осью соответствующей сигнальной обмотки. В 25, 26, 27 выделяются низкочастотные огибающие наведенных ЭДС - 34, 35, 36, которые подаются на вход соответствующего триггера Шмитта. Выходные прямые (, , ) и инверсные (, , ) сигналы триггеров Шмитта используются для формирования управляющих сигналов на открытие соответствующих основных (, , ) и вспомогательных транзисторов (, , ) вентильного коммутатора совмещенного ВИРД. При любом угловом положении ротора всегда формируются сигналы на открытие транзисторов одного из модулей вентильного коммутатора. Ток, протекающий по фазной обмотке двигателя, создает магнитное поле под возбужденными зубцами статора двигателя, в которое "втягиваются" зубцы ротора. Для получения непрерывного вращения ротора необходимо обеспечить пространственный сдвиг в 90 эл. градусов между осью фазной обмотки двигателя и осью кривой изменения магнитной проводимости в воздушном зазоре. Требуемый угол сдвига устанавливается за счет необходимого поворота статора датчика положения ротора 6 относительно статора двигателя 4.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах автоматического управления. Совмещенный вентильный индукторно-реактивного двигатель содержит статор с m-фазной обмоткой и датчик положения с однофазной высокочастотной обмоткой возбуждения и m-фазной сигнальной обмоткой. Статор датчика положения установлен в немагнитную втулку, позволяющую поворачивать статор датчика относительно статора двигателя. Между статорами двигателя и датчика установлен немагнитный экран. Ротор двигателя и датчика выполнен единым. Магнитные системы двигателя и датчика выполнены идентичными. Система управления двигателя содержит высокочастотный генератор, фазочувствительные выпрямители и логический блок, формирующий импульсы управления транзисторами вентильного коммутатора двигателя. В двигателе обеспечивается повышение надежности, технологичности и улучшение массогабаритных показателей. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Совмещенный вентильный индукторно-реактивный двигатель, состоящий из зубчатого статора с m-фазной обмоткой, зубчатого безобмоточного ротора, датчика положения ротора, вентильного коммутатора и системы управления, отличающийся тем, что статор двигателя и статор датчика положения размещаются в общем корпусе, между ними расположен магнитный экран, ротор двигателя и датчика положения является единым узлом с единой конфигурацией магнитных систем, при этом фазные обмотки вентильного индукторно-реактивного двигателя через транзисторы вентильного коммутатора подключены к источнику питания постоянного тока, сигналы управления трназисторами вентильного коммутатора формируются в системе управления из сигналов датчика положения ротора, статор датчика положения установлен в немагнитную втулку, позволяющую поворачивать статор датчика относительно статора двигателя.2. Совмещенный вентильный индукторно-реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что система управления состоит из высокочастотного генератора, фазочувствительных выпрямителей и блока, формирующего импульсы управления транзисторами вентильного коммутатора двигателя.