МЕХАТРОННАЯ СИСТЕМА С ЧЕТЫРЕХФАЗНЫМ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ Российский патент 2012 года по МПК H02K19/10 H02K19/20 H02K29/06 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в электроприводах различных механизмов и исполнительных устройствах автоматических систем.

Известны мехатронные системы, содержащие вентильно-индукторные двигатели, с четырьмя фазами и явнополюсными безобмоточными роторами и статорами с сосредоточенными обмотками. Каждая фаза этих двигателей коммутируется напряжением при помощи полумостовой схемы, содержащей два транзистора и два диода (Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - М.: Издательство МЭИ, 2003. - С.10-21).

Недостатками этих мехатронных систем являются высокий уровень пульсаций момента, большое число и стоимость полупроводниковых приборов инвертора, коммутирующего обмотки фаз. Инвертор, коммутирующий обмотки фаз четырехфазного вентильно-индукторного двигателя, содержит восемь силовых транзисторов и восемь силовых диодов.

Целями предлагаемого изобретения является уменьшение неравномерности момента и уменьшение числа силовых полупроводниковых приборов и стоимости инвертора.

Поставленные цели достигаются тем, что мехатронная система, содержащая известный четырехфазный вентильно-индукторный двигатель со статором с числом прямоугольных полюсов, кратным четырем, и ротором с числом полюсов, меньшим числа полюсов статора на величину этой кратности (например, и так далее), угловая ширина полюсов статора равна угловой ширине межполюсного расстояния статора, а угловая ширина полюсов ротора равна угловой ширине межполюсного расстояния ротора ( где - угловая ширина полюсов статора; - угловая ширина межполюсного расстояния статора; - угловая ширина полюсов ротора, где - угловая ширина межполюсного расстояния ротора). Поверхность межполюсной впадины полюсов ротора имеет форму скошенного полуцилиндра, радиус которого равен половине линейного межполюсного расстояния полюсов ротора где - радиус полуцилиндра, - линейное межполюсное расстояние полюсов ротора), радиальный угол скоса полюсов ротора равен разности угловой ширины полюсов ротора и угловой ширины полюсов статора (, где а_р - радиальный угол скоса полюсов ротора). В этом случае индуктивности фаз описываются как гармонические функции, в состав которых входит нулевая и первая гармоники

где: L_A, L_B, L_C, L_D - индуктивности фаз; L_max - максимальное значение индуктивности фаз; L_min - минимальное значение индуктивности фаз; θ - угловое положение ротора в электрических градусах, где φ - угловое положение ротора в механических градусах). Фазные обмотки соединены в звезду. Двигатель управляется токами, протекающими в одном направлении, содержащими нулевую и первую гармоники, причем первые гармоники смежных фаз сдвинуты на угол 90 электрических градусов

где: i_A, i_B, i_C, i_D - текущие значения токов фаз, токи формируются с помощью частотно-токового управления (Бродовский В.Н., Иванов Е.С.Приводы с частотно - токовым управлением. Под. ред. В.Н.Бродовского. М.: «Энергия», 1974) инвертором, содержащим две полумостовые схемы, число полупроводниковых приборов которого в два раза меньше, чем у прототипа. Это становится возможным благодаря тому, что i_A+i_B+i_C+i_D=2I_max. Форма и амплитудное значение токов фаз задается периодическим датчиком положения ротора и устройством управления, формирующим токи фаз, содержащими нулевую и первую гармоники. В результате этого крутящий момент одной фазы а крутящий момент четырехфазного вентильно-индукторного двигателя

По сравнению с наиболее близкими аналогичными техническими решениями предлагаемые устройства имеют следующие новые признаки:

1. Угловая ширина полюсов статора равна угловой ширине межполюсного расстояния статора. Угловая ширина полюсов ротора равна угловой ширине межполюсного расстояния, поверхность межполюсной впадины полюсов ротора имеет форму скошенного полуцилиндра, радиус которого равен половине линейного межполюсного расстояния полюсов ротора, радиальный угол скоса полюсов ротора равен разности угловой ширины ротора и угловой ширины статора, а обмотки соединены в звезду.

2. Двигатель управляется токами, протекающими в одном направлении, содержащими нулевую и первую гармоники, причем первые гармоники смежных фаз сдвинуты на угол 90 электрических градусов.

3. Число полупроводниковых приборов инвертора в два раза меньше, чем у прототипа.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».

Предлагаемое изобретение было реализовано и испытано в ОАО «НИПТИЭМ». При испытаниях предлагаемого изобретения установлено, что пульсации момента составляют 2%, число транзисторов инвертора равно четырем, число диодов инвертора равно четырем. Общее число полупроводниковых приборов инвертора, состоящего из двух полумостовых схем, равно восьми.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».

По отличительным признакам проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики и электропривода мехатронной системы, содержащей четырехфазный вентильно-индукторный двигатель со статором с числом прямоугольных полюсов, кратным четырем, и ротором с числом полюсов, меньшим числа полюсов статора на величину этой кратности, с угловой шириной полюсов статора, равной угловой ширине межполюсного расстояния статора, с угловой шириной полюсов ротора, равной угловой ширине межполюсного расстояния ротора и поверхностью межполюсной впадины полюсов ротора, имеющей форму скошенного полуцилиндра, радиус которого равен половине линейного межполюсного расстояния полюсов ротора, радиальный угол скоса полюсов ротора равен половине разности угловой ширины полюсов ротора и угловой ширины полюсов статора, с индуктивностями фаз, описывающимися как гармонические функции, в состав которых входит нулевая и первая гармоники, а фазные обмотки соединены в звезду, и управляемый токами, протекающими в одном направлении, содержащими нулевую и первую гармоники, причем первые гармоники смежных фаз сдвинуты на угол 90 электрических градусов, с токами, формирующимися с помощью частотно-токового управления инвертором, содержащим две полумостовые схемы, число полупроводниковых приборов которого в два раза меньше, чем у прототипа, с суммой текущих значений токов фаз, равной двум амплитудным значениям тока, а форма и амплитудное значение токов фаз задается периодическим датчиком положения ротора и специальным устройством, не обнаружено.

Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показан четырехфазный вентильно-индукторный двигатель с восьмью полюсами статора, на которых размещены восемь сосредоточенных обмоток и симметричный ротор с шестью полюсами.

На фиг.1 обозначено: 1 - статор; 2 - обмотка; 3 - ротор; R - радиус полуцилиндра, образующего межполюсную поверхность ротора; l - линейное расстояние между полюсами ротора; А, В, С, D, - полюса статора с обмотками соответствующих фаз.

На фиг.2 показаны развертки поверхностей полюсов четырехфазного вентильно-индукторного двигателя.

На фиг.3 показаны диаграммы индуктивностей фаз и диаграммы производных индуктивностей фаз по углу поворота ротора четырехфазного вентильно-индукторного двигателя.

На фиг.3 обозначено: L_A, L_B, L_C, L_D - индуктивности фаз; , , , - производные индуктивностей фаз по углу поворота ротора.

На фиг.4 показаны диаграммы токов фаз четырехфазного вентильно-индукторного двигателя.

На фиг.4 обозначено: i_A, i_B, i_c, i_D - текущие значения токов соответствующих фаз.

На фиг.5 показаны диаграммы моментов фаз и суммарного крутящего момента четырехфазного вентильно-индукторного двигателя.

На фиг.5 обозначено: M_A, M_B, M_C, M_D - моменты соответствующих фаз; M - суммарный крутящий момент четырехфазного вентильно-индукторного двигателя.

На фиг.6 показана блок-схема регулирования текущих значений токов фаз четырехфазного вентильно-индукторного двигателя.

На фиг.6 обозначено:

I₃ - амплитудное значение заданного вектора тока; ДП - периодический трехфазный датчик положения с высокой разрешающей способностью; БУ1-БУ4 - блоки умножения; i_A, i_B, i_c, i_D - сигналы, пропорциональные текущим значениям токов задания; БС1-БС4 - блоки сравнения токов задания и токов обратной связи; К1-К4 - компараторы с гистерезисом; VT1-VT6 - транзисторы; VD1-VD6 - диоды; А, В, С, D - обмотки соответствующих фаз двигателя; ДТ1-ДТ4 - датчики тока; С1 - конденсатор источника напряжения; U - источник напряжения.

Использование предлагаемой мехатронной системы в различных промышленных устройствах позволит улучшить технические характеристики оборудования.

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для использования в различных мехатронных системах. В результате использования изобретения по сравнению с известными техническими решениями достигается технический результат, состоящий в уменьшении пульсации момента индукторного двигателя, а также снижение его стоимости за счет уменьшения числа силовых полупроводниковых приборов инвертора, входящего в конструкцию данного двигателя. Указанный технический результат достигается тем, что магнитопровод четырехфазного вентильно-индукторного двигателя имеет специальную конфигурацию, согласно которой угловая ширина полюсов статора равна угловой ширине межполюсного расстояния полюсов статора, угловая ширина полюсов ротора равна угловой ширине межполюсного расстояния ротора, поверхность межполюсной впадины полюсов ротора имеет форму скошенного полуцилиндра, радиус которого равен половине линейного межполюсного расстояния полюсов ротора, радиальный угол скоса полюсов ротора равен разности угловой ширины полюсов ротора и угловой ширины полюсов статора, обмотки фаз соединены в «звезду», схема управления позволяет за счет обратной связи по току и частотно-токовому способу регулирования тока формировать токи фаз, протекающие в одном направлении, содержащие нулевую и первую гармоники и регулируемые по амплитуде при помощи инвертора, состоящего из двух полумостовых схем. 6 ил.

Мехатронная система, содержащая четырехфазный вентильно-индукторный двигатель, статор которого имеет число прямоугольных полюсов, кратное четырем, и ротор с числом полюсов, меньшим числа полюсов статора на величину этой кратности, датчик положения ротора, схему управления и инвертор, отличающаяся тем, что угловая ширина полюсов статора равна угловой ширине межполюсного расстояния полюсов статора, угловая ширина полюсов ротора равна угловой ширине межполюсного расстояния ротора, поверхность межполюсной впадины полюсов ротора имеет форму скошенного полуцилиндра, радиус которого равен половине линейного межполюсного расстояния полюсов ротора, радиальный угол скоса полюсов ротора равен разности угловой ширины полюсов ротора и угловой ширины полюсов статора, обмотки соединены в звезду и питаются токами, синхронизированными с угловым положением ротора, протекающими в одном направлении, содержащими нулевую и первую гармоники, причем первые гармоники токов смежных фаз сдвинуты на угол 90 электрических градусов, а их мгновенные значения формируются при помощи датчика положения ротора и инвертора, содержащего четыре транзистора и четыре диода.