ОДНОФАЗНЫЙ КОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2008 года по МПК H02K27/22 

Изобретение относится к электромеханике и может быть использовано в электроприводах переменного тока.

Известен однофазный коллекторный двигатель, содержащий обмотку возбуждения, включенную последовательно в цепь якоря [Г.Н.Петров. Электрические машины. Часть третья. М.: Энергия, 1966, с.194-202]. Это техническое решение позволяет устранить рассогласование по фазе между током якоря и основным магнитным потоком. Способ является простейшим и получил широкое распространение.

Известно, что компенсационная обмотка, рассчитанная из условия симметрии линейных нагрузок в пределах расчетной полюсной дуги, при включении последовательно в цепь якоря не всегда может полностью подавить реакцию якоря. При этом ухудшаются потенциальные условия на коллекторе, и не устраняется вероятность возникновения кругового огня [И.Б.Битюцкий. Независимое возбуждение компенсационной обмотки коллекторной машины. «Известия вузов. Электромеханика», 2004, №1. С.16-18].

Известен однофазный коллекторный двигатель, содержащий добавочные полюсы с сердечниками, симметричными относительно геометрической нейтрали, обмотки которых вместе с компенсационной обмоткой и обмоткой главных полюсов включены последовательно в цепь якоря [Г.Н.Петров. Электрические машины. Часть третья. М.: Энергия, 1966, с.194-202].

В коммутируемых секциях якорной обмотки однофазного коллекторного двигателя, имеющего добавочные полюсы, индуктируются три ЭДС: реактивная , трансформаторная и коммутирующая . Реактивная ЭДС , равная сумме ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции одновременно коммутируемых секций, имеет наибольшую величину при амплитудных значениях коммутируемого тока. В этом смысле можно считать, что ЭДС совпадает по фазе и угловой частоте с током якоря, по величине же она прямо пропорциональна произведению силы тока и угловой скорости якоря. Трансформаторная ЭДС индуктируется пульсирующим основным магнитным потоком, совпадает с ним и с током якоря по угловой частоте и отстает от них по фазе на угол . По величине она прямо пропорциональна основному магнитному потоку, а от угловой скорости якоря не зависит. Для безыскровой коммутации необходимо сбалансировать перечисленные ЭДС таким образом, чтобы для любого момента времени . Векторная диаграмма ЭДС, индуктируемых в коммутируемых секциях якорной обмотки коллекторного двигателя, представлена на фигуре 1.

Добавочные полюсы при включении их обмоток последовательно в цепь якоря не удовлетворяют указанному требованию, поскольку ЭДС должна находиться в противофазе относительно суммы ЭДС , амплитуда и фаза которой зависят от режима работы двигателя, кроме того, компенсация ЭДС в коммутируемой секции возможна только при вращающемся якоре, так как ЭДС и изменяются прямо пропорционально скорости ротора, а от нее не зависит.

Известен способ улучшения коммутации однофазного коллекторного двигателя снижением частоты напряжения питания до 25 Гц и даже до с целью снижения роли . Однако этот способ требует установки дополнительных преобразовательных устройств или генераторов и позволяет снизить уровень трансформаторной ЭДС, но не устранить ее.

Известен способ компенсации в однофазных коллекторных двигателях с помощью добавочных полюсов с обмоткой, включенной последовательно в цепь якоря. Для изменения величины и фазы ЭДС , индуктируемой в коммутируемых секциях якорной обмотки полем добавочных полюсов, используются активное сопротивление либо различные сочетания активных и реактивных сопротивлений, шунтирующие обмотку добавочных полюсов [Г.Н.Петров. Электрические машины. Часть третья. М.: Энергия, 1966, с.194-202]. Однако данный способ обеспечивает баланс ЭДС в коммутируемых секциях лишь в дискретном наборе режимов работы двигателя, кроме того, способ эффективен только при вращающемся роторе.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому однофазному коллекторному двигателю является способ полной компенсации ЭДС в коммутируемых секциях якорной обмотки в любом эксплуатационном режиме, включая пусковой, когда якорь неподвижен [Битюцкий И.Б. Способ формирования коммутирующего поля в однофазном коллекторном двигателе. // Патент 2251205 РФ. - БИ 2005, №12]. Способ может быть использован в двигателях с дополнительными полюсами. Результат достигается созданием в коммутационной зоне бегущей волны магнитного поля путем несимметричного относительно геометрической нейтрали распределения магнитной проводимости под наконечниками разноименных добавочных полюсов и создания фазового сдвига между токами в их обмотках возбуждения, для чего используются раздельное независимое питание обмоток разноименных добавочных полюсов с программным управлением, а также сердечники добавочных полюсов с наконечниками, скошенными относительно геометрической нейтрали таким образом, что осью их симметрии является ось главных полюсов.

Техническим результатом является минимизация несбалансированной ЭДС, возникающей в коммутируемых секциях якорной обмотки, регулируемая компенсация МДС якоря, включая возможность перекомпенсации, а также реализация любой технически целесообразной формы механической характеристики программируемым регулированием сочетания величин тока якоря и тока возбуждения, включая возможность форсировки возбуждения для получения максимально допустимого вращающего момента в пусковом и переходных режимах.

В предлагаемом однофазном коллекторном двигателе используется независимое питание обмотки возбуждения, расположенной на главных полюсах, с программным управлением, что предоставляет возможность формирования на одном двигателе механических характеристик, присущих двигателям постоянного тока с традиционными способами возбуждения (независимое, последовательное), сохраняя при этом согласование по фазе тока якоря и основного магнитного потока. Кроме того, появляется возможность форсировать основной магнитный поток в пусковом и переходных режимах, когда необходим максимально допустимый вращающий момент.

В предлагаемом однофазном коллекторном двигателе используется компенсационная обмотка, расположенная на главных полюсах и имеющая независимое возбуждение с программным управлением, что позволяет полностью скомпенсировать МДС якоря с возможностью перекомпенсации в произвольном режиме.

В предлагаемом однофазном коллекторном двигателе используется независимая коммутирующая система, в состав которой входят обмотки добавочных полюсов с независимым раздельным возбуждением разноименных полюсов с программным управлением, добавочные полюсы с наконечниками, скошенными относительно геометрической нейтрали таким образом, что их осью симметрии является ось главных полюсов, датчик тока якоря, датчик трансформаторной ЭДС, датчик угловой скорости, микроконтроллер, на входы которого поступают сигналы с датчиков тока якоря, угловой скорости и трансформаторной ЭДС, и блоки питания обмоток переменным током, построенные на основе широтно-импульсной модуляции, на входы которых поступают управляющие сигналы, обеспечивающие минимизацию несбалансированной ЭДС в коммутируемых секциях. Кроме того, микроконтроллер обеспечивает заданную компенсацию МДС якоря, а также реализацию любой технически целесообразной формы механической характеристики управлением сочетанием величин тока якоря и тока возбуждения, включая возможность форсировки возбуждения машины. К достоинствам объекта заявки следует также отнести возможность точной настройки всех видов компенсации на испытательном стенде, не требующей каких-либо изменений в конструкции, а заключающейся лишь в незначительной корректировке программы управления блоками питания обмоток статора.

На фиг.2 представлена блок-схема заявляемого однофазного коллекторного двигателя. Якорь 1 через коллектор подключается к однофазному источнику питания. Обмотки добавочных полюсов 2 и 3 подключены к блокам питания 4 и 5 соответственно, а компенсационная обмотка 6 - к блоку питания 7. Обмотка возбуждения 8 подключена к блоку питания 9. Выходы датчика тока якоря 10, датчика угловой скорости 11 и датчика трансформаторной ЭДС 12 соединены с входами микроконтроллера 13. Под микроконтроллером понимается функционально-техническое единство микропроцессора, устройств памяти, управления, ввода-вывода и периферийных устройств. Датчик трансформаторной ЭДС 12 представляет собой измерительный контур, охватывающий магнитный поток главного полюса. Число витков этого контура принципиального значения не имеет. К одному из входов микроконтроллера 13 подключено устройство ввода-вывода 14.

Блоки 4, 5, 7 и 9 построены на основе широтно-импульсной модуляции, но ощутимого негативного воздействия на форму кривой напряжения сети не оказывают, так как используются для питания приемников незначительной мощности. Род тока источника электроэнергии для блоков питания 4, 5, 7 и 9 значения не имеет.

Сигналы с датчиков тока якоря 10, угловой скорости 11 и трансформаторной ЭДС 12, содержащие необходимую и достаточную информацию о режиме работы однофазного коллекторного двигателя (ток якоря , угловая скорость Ω, трансформаторная ЭДС ), поступают на входы микроконтроллера 13. Способ передачи этой информации - цифровой или аналоговый - значения не имеет. С выходов микроконтроллера сигналы управления, обеспечивающие минимум несбалансированной ЭДС в коммутируемых секциях якорной обмотки () и заданный уровень компенсации МДС якоря (), подаются на входы блоков 4, 5 и 7, питающих переменным током обмотки 2, 3 и 6 соответственно.

Сигнал задания для блока питания 9 микроконтроллер 13 формирует на основе информации, поступающей с датчика тока якоря 10 и датчика угловой скорости 11, с учетом нелинейности магнитной цепи двигателя. Вид зависимости угловой скорости от вращающего момента на валу двигателя (механической характеристики) определяется набором функций , заложенных в устройство памяти микроконтроллера, в соответствии с которыми формируется управляющий сигнал для блока питания 9. Каждая из функций может быть выбрана оператором с помощью устройства ввода-вывода 14.

Способ формирования управляющих сигналов для блоков питания 4, 5, 7 и 9 - цифровой или аналоговый - значения не имеет.

Алгоритм формирования управляющих сигналов для блоков питания статорных обмоток основывается на обработке информации о режиме работы двигателя с вычислением амплитуды и фазы тока якоря , ЭДС и МДС якоря Задача управления коммутирующей системой сводится к устранению несбалансированных ЭДС, индуктируемых в коммутируемых секциях якорной обмотки. Структурная схема алгоритма представлена на фиг.3.

Изобретение относится к электромеханике и может быть использовано в электроприводах переменного тока. Техническим результатом является минимизация несбалансированной электродвижущей силы (ЭДС) в коммутируемых секциях обмотки якоря, регулируемая компенсация магнитодвижущей силы (МДС) якоря, а также реализация заданных механических характеристик, включая возможность форсировки возбуждения. В предлагаемом однофазном коллекторном двигателе используются обмотки возбуждения и компенсационная, имеющие независимое возбуждение с программным управлением, независимая коммутирующая система, которая содержит обмотки добавочных полюсов с независимым возбуждением разноименных полюсов с программным управлением, добавочные полюсы с наконечниками, скошенными относительно геометрической нейтрали таким образом, что их осью симметрии является ось главных полюсов, датчики тока якоря, трансформаторной ЭДС и угловой скорости, а также устройство ввода-вывода, микроконтроллер, на входы которого поступают сигналы с указанных элементов. 3 ил.

Однофазный коллекторный двигатель, содержащий главные полюсы с обмоткой возбуждения и компенсационной обмоткой, добавочные полюсы с наконечниками, скошенными относительно геометрической нейтрали таким образом, что осью их симметрии является ось главных полюсов, обмотки разноименных добавочных полюсов с раздельным независимым возбуждением, отличающийся тем, что компенсационная обмотка, обмотка возбуждения и обмотки разноименных добавочных полюсов подключены к независимым управляемым блокам питания, входы сигналов задания которых соединены с выходами микроконтроллера, на входы которого поступает информация с датчика тока якоря, датчика угловой скорости, датчика трансформаторной ЭДС и устройства ввода-вывода.