ТРЕХФАЗНЫЙ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С МИНИМАЛЬНЫМИ ШУМАМИ, ВИБРАЦИЯМИ И ПУЛЬСАЦИЯМИ МОМЕНТА, СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК H02K19/10 H02K29/06 H02P25/08 H02P6/08 H02P6/16 

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

Известны многофазные вентильно-индукторные двигатели с прямыми полюсами ротора и статора и сосредоточенными обмотками, расположенными на полюсах статора [Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - М.: Издательство МЭИ, 2003. С.62]. В таких двигателях Z₂=Z₁±2, где Z₂ - число полюсов ротора; Z₁ - число полюсов статора, поэтому ротор вентильно-индукторного двигателя вращается с частотой, меньшей чем частота первой гармоники токов фаз , где Ω - частота вращения ротора; ω - частота первой гармоники токов фаз.

Фазы этих двигателей коммутируются напряжением при помощи полумостовых схем. В результате чего токи фаз становятся существенно нелинейными, в общем случае несинусоидальными и при разложении в ряд Фурье имеют в своем составе нулевую, первую и высшие гармоники [Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - М., Издательство МЭИ, 2003. С.10-19].

Основным недостатком этого технического решения являются повышенный уровень шумов и вибраций, возникающих из-за резонансных явлений частей вентильно-индукторных двигателей при частотах первой и высших гармоник тока фаз [Шабаев В.А. Анализ источников шума вентильно-индукторного двигателя // Электротехника. 2005, №5. С.62]. Вторым источником шумов и вибраций являются ударные колебания частей вентильно-индукторных двигателей, возникающие благодаря наличию разрывов производных токов фаз и производных индуктивностей фаз по углу поворота ротора, если в этот момент токи фаз не равны нулю. Особенно сильно это проявляется, если эти разрывы совпадают по времени [Wu. С., Pollock С.Analysis and reduction of vibration and acoustic noise in the switches reluctance drive // IEEE transaction on industry application. - V.31. - 1995. - №1. - P.91-98].

Вторым недостатком этого технического решения являются высокие пульсации момента [Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - М.: Издательство МЭИ, 2003. С.19-21].

Третьим недостатком этого технического решения являются большие потери мощности в магнитопроводе и обмотках вентильно-индукторных двигателей, которые возникают благодаря наличию токов Фуко, гистерезису и скин эффекту и особенно сильно проявляются при большом числе полюсов ротора и высоких частотах вращения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению являются реверсивные вентильно-индукторные двигатели с числом фаз, большим или равным трем, и двухполюсным ротором [Патент №2396674 РФ. / Шабаев В.А., Кругликов О.В., Тубис Я.Б. // БИ. 2010. №22].

Основным недостатком этого технического решения является невозможность точного изготовления ротора, поверхности полюсов которого выполнены в виде пяти цилиндрических поверхностей одинакового радиуса, ось одной цилиндрической поверхности совпадает с осью ротора, а эта поверхность расположена в центральных частях полюсов ротора, угловая ширина этой поверхности в каждом полюсе ротора равна угловой ширине полюса статора, а оси четырех цилиндрических поверхностей с угловой шириной в два, два с половиной раза большей угловой ширины полюсного деления статора, не совпадают с осью ротора, которую невозможно выполнить при помощи обработки на токарном оборудовании.

Целями предлагаемого изобретения являются уменьшение уровня шумов, вибраций, пульсаций момента и уменьшение потерь мощности в магнитопроводе и обмотках при высоких частотах вращения.

Поставленные цели достигается тем, что в известных трехфазных вентильно-индукторных двигателях, содержащих явнополюсные симметричные статор и ротор, оснащенный клювообразными полюсами с Z₁=(2×3)p Z₂=2p, где Z₁ - число полюсов статора; Z₂ - число полюсов ротора; p - число пар полюсов статора, p=1, 2, 4, 8……, угловая ширина полюсов статора равна угловой ширине межполюсного расстояния полюсов статора и ротора, угловая ширина полюсов ротора в пять раз больше угловой ширины межполюсного расстояния полюсов статора и ротора , линейная ширина полюсов ротора в основании клювообразных выступов равна линейной ширине полюсов статора и равна половине расстояния от поверхности ротора до основания клювообразных полюсов , а обмотки полюсов статора управляются тремя токами,

, при 0°<θ<60°, iA=I_max, при 60°<θ<120°, , при 120°<θ<180° iA=0, при 180°<θ<360°, , при 120°<θ<180°, iB=I_max, при 180°<θ<240°, , при 240°<θ<300° iB=0, при 300°<θ<420°, , при 240°<θ<300°, iC=I_max, при 300°<θ<360°, , при 0°<θ<60° iC=0, при 60°<θ<240°; где iA, iB, iC - текущее значение токов соответствующих фаз; I_max - максимальное значение токов фаз; θ - угловое положение ротора в электрических градусах, которые формируются за счет датчиков токов фаз, датчика положения тока ротора при помощи релейно-токового способа управления.

По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемое устройство имеет следующие новые признаки:

- угловая ширина полюсов статора равна угловой ширине межполюсного расстояния полюсов статора и ротора, угловая ширина полюсов ротора в пять раз больше угловой ширины межполюсного расстояния полюсов статора и ротора , линейная ширина полюсов ротора в основании клювообразных выступов равна линейной ширине полюсов статора и равна половине расстояния от поверхности ротора до основания клювообразных полюсов

- обмотки полюсов статора управляются тремя токами, , при 0°<θ<60°, iA=I_max, при 60°<θ<120°, , при 120°<θ<180° iA=0, при 180°<θ<360°, , при 120°<θ<180°, iB=I_max, при 180°<θ<240°, , при 240°<θ<300° iB=0, при 300°<θ<420°, , при 240°<θ<300°, iC=I_max, при 300°<θ<360°, , при 0°<θ<60° iC=0 при 60°<θ<240°;

- текущие значения токов фаз формируются за счет датчиков токов фаз, датчика положения тока ротора при помощи релейно-токового способа управления.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствует требованию «новизна».

При реализации предлагаемого изобретения уменьшаются потери мощности в магнитопроводе и обмотках при той же скорости вращения, что и у прототипа, уменьшаются шумы и вибрации вентильно-индукторного двигателя за счет отсутствия разрывов производных токов при текущих значениях токов, не равных нулю, и уменьшаются пульсации момента за счет того, что при такой форме тока и соотношениях угловой ширины полюсов и межполюсных расстояний ротора и статора, определяющих производные индуктивностей фаз по углу поворота ротора, вращающий момент на валу становится постоянным и не зависит от углового положения ротора.

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

По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, электропривода и электродвигателей.

В трехфазных вентильно-индукторных двигателях, содержащих явнополюсные симметричные статор и ротор, оснащенный клювообразными полюсами с Z₁=(2×3)_p Z₂=2p, угловая ширина полюсов статора которых равна угловой ширине межполюсного расстояния полюсов статора и ротора, угловая ширина полюсов ротора в пять раз больше угловой ширины межполюсного расстояния полюсов статора и ротора , линейная ширина полюсов ротора в основании клювообразных выступов равна линейной ширине полюсов статора и равна половине расстояния от поверхности ротора до основания клювообразных полюсов , a обмотки полюсов статора питаются тремя токами, , при 0°<θ<60°, iA=I_max, при 60°<θ<120°, , при 120°<θ<180° iA=0, при 180°<θ<360°, , при 120°<θ<180°, iB=I_max, при 180°<θ<240°, , при 240°<θ<300° iB=0, при 300°<θ<420°, , при 240°<θ<300°, iC=I_max, при 300°<θ<360°, , при 0°<θ<60° iC=0 при 60°<θ<240°, которые формируются за счет датчиков токов фаз, датчика положения ротора при помощи релейно-токового способа управления, в известных технических решениях не обнаружено.

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

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 приведен трехфазный вентильно-индукторный двигатель с минимальными шумами, вибрациями и пульсациями момента, с 6 полюсами статора и 4 полюсами ротора. На фиг.1 обозначено: 1 - полюс статора; 2 - полюс ротора; 3 - обмотка полюса статора; 4 - вал; A-C - полюса статора, оснащенные обмотками соответствующих фаз; α_пр - угловой размер полюса ротора; α_пс - угловой размер полюса статора; α_мр - угловой размер межполюсного расстояния ротора; α_мс - угловой размер межполюсного расстояния статора; l_пс - линейная ширина полюсов статора; l_пр - линейная ширина полюсов ротора в основании клювообразных выступов l-_ок расстояние от поверхности ротора до основания клювообразных полюсов. В данном двигателе

На фиг.2 приведены диаграммы работы трехфазного вентильно-индукторного двигателя с минимальными шумами, вибрациями и пульсациями момента. На фиг.2 обозначено: θ=0°…360° - угловое положение ротора относительно статора, в электрических градусах; iA, iB, iC - текущие значения токов соответствующих фаз; (iA)², (iB)², (iC)² - текущие значения токов соответствующих фаз в квадрате; LA, LB, LC - индуктивности соответствующих фаз в зависимости от углового положения ротора; L_max, L_min - максимальные и минимальные значения индуктивностей фаз; , , - производные индуктивностей фаз по углу поворота ротора; MA(t):=dLA(t)0,5(IA(t))² - крутящий момент на валу двигателя, создаваемый фазой А; МА+MB+МС - суммарный крутящий момент на валу двигателя, создаваемый фазами А, В С.

На фиг.3 приведена структурная схема регулятора момента трехфазного вентильно-индукторного двигателя с минимальными шумами, вибрациями и пульсациями момента. На фиг.3 обозначено: R - резистор, задающий амплитуду и направление вращения вектора заданного тока; +U, -U - напряжения питания резистора, задающего амплитуду и направление вращения вектора заданного тока; I_з - заданный вектор тока; БИП - блок изменения полярности; БВМ - блок выделения модуля (линейный выпрямитель); ЦАПА, ЦАПВ, ЦАПС - цифроаналоговые преобразователи соответствующих фаз; ПЗУА, ПЗУВ, ПЗУС - постоянные запоминающие устройства соответствующих фаз; ДП - датчик положения ротора вентильно-индукторного двигателя; БСА, БСВ, БСС - блоки сравнения текущих значений заданных токов и токов обмоток соответствующих фаз; i_A, i_B, i_C - текущие значения токов обмоток соответствующих фаз; K1-K6 - компараторы с гистерезисом; VT1-VT6 - силовые транзисторы; K-7 -компаратор направления момента; VD1-VD6 - силовые диоды; ДТ1-ДТ4 - датчики тока; Е - источник постоянного напряжения; С - конденсатор источника постоянного напряжения; L_A-L_C - индуктивности соответствующих фаз; БВМ - блок выделения модуля.

Регулятор момента трехфазного вентильно-индукторного двигателя работает следующим образом. Резистором R задается амплитуда и полярность вектора тока I_з. Сигнал, пропорциональный I_з, подается на вход БВМ, с выхода которого сигналы подаются на аналоговые входы ЦАПА, ЦАПВ и ЦАПС. Сигнал, пропорциональный I_з, подается и на вход K7, который определяет направление вращающего момента в зависимости от полярности I_з, на вторые входы ЦАПА, ЦАПВ и ЦАПС подаются коды с выходов ПЗУА, ПЗУВ, ПЗУС, входы которых соединены с выходами датчика положения ротора ДП и выходом компаратора K7. На выходах ЦАПА, ЦАПВ и ЦАПС формируются сигналы, пропорциональные заданным токам фаз (в соответствии с фиг.2), эти сигналы подаются на входы БСА, БСВ и БСС, на другие входы которых подаются сигналы, пропорциональные текущим значениям токов i_A, i_B, i_C, а разности сигналов, пропорциональных заданным токам и текущим значениям токов фаз, подаются на входы компараторов K1-K6, выходы которых подсоединены к базам соответствующих транзисторов и включают и выключают их, регулируя среднее значение токов i_A, i_B, i_C в соответствии с заданными значениями. Момент, который развивает каждая фаза, равен . При конфигурации вентильно-индукторных двигателей, показанных на фиг.1, индуктивность каждой фазы двигателя в процессе вращения увеличивается и уменьшается линейно пропорционально углу поворота ротора с периодом 360 электрических градусов и со сдвигом 120 электрических градусов (как показано на фиг.2), поэтому функция постоянна по амплитуде, но периодически меняет свой знак через 180 электрических градусов, а периоды сдвинуты на 120 электрических градусов. Ток фазы А, квадрат тока фазы А и , при 120°>θ>60° - постоянны и имеют положительный знак, поэтому и момент, развиваемый этой фазой - постоянен, имеет положительный знак и При 60°>θ>0° , а , так как , то , аналогичные вычисления можно провести для 360°>θ>0° и везде момент будет иметь постоянное значение, а уменьшение шумов и вибраций обеспечивается тем, что разрыв производных индуктивностей фаз по углу поворота ротора происходит при токах этих фаз, равных нулю.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах различных механизмов и исполнительных устройствах автоматических систем. Техническим результатом является уменьшение потерь в обмотках и магнитопроводе при такой же скорости вращения, как и в традиционных вентильно-индукторных двигателях, уменьшение шумов и вибраций и увеличение равномерности крутящего момента. В трехфазном высокоскоростном вентильно-индукторном двигателе число полюсов ротора равно удвоенному числу пар полюсов статора, магнитопровод двигателя имеет такую конфигурацию ротора и статора, которая обеспечивает постоянную величину производных индуктивностей обмоток фаз по углу поворота ротора, знак которой меняется периодически с периодом 360 электрических градусов, а период производных индуктивностей обмоток фаз по углу поворота ротора сдвинут на 120 электрических градусов, фазы двигателя коммутируются токами специальной формы, которая не имеет разрывов производных при токах, не равных нулю, и обеспечивает отсутствие тока в точках, где происходит разрыв производных индуктивностей фаз по углу поворота ротора, форма этих токов обеспечивается схемой управления при помощи релейно-токового способа управления. 3 ил.

Трехфазный вентильно-индукторный двигатель, содержащий явнополюсные симметричные статор и ротор, оснащенный клювообразными полюсами с Z₁=(2×3)p, Z₂=2р, где Z₁ - число полюсов статора; Z₂ - число полюсов ротора; р - число пар полюсов статора, р=1, 2, 4, 8……, с угловой шириной полюсов статора, равной угловой ширине межполюсного расстояния полюсов статора и ротора, угловой шириной полюсов ротора, в пять раз большей угловой ширины межполюсного расстояния полюсов статора и ротора , линейной шириной полюсов ротора в основании клювообразных выступов, равной линейной ширине полюсов статора и равной половине расстояния от поверхности ротора до основания клювообразных полюсов , обмотки полюсов статора которого питаются тремя токами, , при 0°<θ<60°, iA=I_max, при 60°<θ<120°, , при 120°<θ<180°, iA=0, при 180°<θ<360°, , при 120°<θ<180°, iB=I_max, при 180°<θ<240°, , при 240°<θ<300°, iB=0, при 300°<θ<420°, , при 240°<θ<300°, iC=I_max, при 300°<θ<360°, , при 0°<θ<60°, iC=0, при 60°<θ<240°,
где iA, iB, iC - текущее значение токов соответствующих фаз, которые формируются за счет датчиков токов фаз, датчика положения тока ротора при помощи релейно-токового способа управления.