Вентильный двигатель Советский патент 1984 года по МПК H02K29/02 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к специальным эле трическим машинам,и может быть использовано при разработке высоконадежных экономичных систем электропривода . Известны вентильные двигатели (В состоящие из электрической машины п ременного тока, как правило, с вращающимся индуктором, коммутатора, подключающего фазы якорной обмотки источнику постоянного напряжения ил тока, датчика положения ротора (ДПР с чувствительными элементами типа дроссель насыщения и устройства свя зи, с помощью которого выходы ДПР соединены с управлякндими цепями ком мутатора Cl3Из-за существующего технологичес кого разброса параметров диодов в мостах происходит подмагничиваение дросселей, находящихся вне поля инд тора ДПР. По этой причине ВД этого типа имеют невысокие энергетические показатели и завышенные габариты. Более эффективно построены ВД второго и третьего типа с RS-триггерами в составе устройства связи. На личие триггеров обеспечивает высоко экономичную работу силовых элементо ВД. Однако ВД второго типа реализуемы только с четным числом дрюсселей насыщения ( п 7, 4 ), а ВД третьего типа дополняются блоком временных задержек на дискретных элементах. Оба фаК тора ограличивают возможности по минимизации массы и габаритов ВД. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является ВД, содержащий статор с п-фазной якорной обмоткой, ротор, ДПР, усилители мощности, по одному на фаЭу якорной обмотки, образующие коммутатор, и п-ка нальное устройство связи, состоящее из соединенных последовательно в каж дом канале усилителя, инвертора и RS-триггера с логическим элементом И на втором входе. Триггер включен в указанную цепь по первому входу. Уси литель подключен к обмотке дросселя насыщения (выходу ДПР), а выход триг гера объединен со входом усилителя мощности. Кроме того, входы логического элемента И объединены с выходами двух триггеров, входящих в состав последующих по очередности работы каналов устройства связи. ВД с указанным устройством связи содержит минимум дискретных элементов , может быть выполнен с произволь ным числом фаз якорной об,мотки и име ет высокий коэффициент полезного дей ствия (RS-триггер обеЬпечивает экокомичную работу усилителей мощности ключевом режиме) С2}. . Однако из-за нёрациойальности выполнения междуканальных /связей. ВД недостаточна надежен и имеет .ограничения по применению. Значительно усложняется реализация реверсивного варианта ВД ввиду необходимости дополнения устройства связи сложным блоком для перекоммутации междуканальных связей в момент смены направле ния вращения. В этот момент отстающие каналы по очередности работы становятся опережающими. В условиях помех или кратковременных перерывах питания возможно переключение триггеров в несогласованное состояние, что приводит к нарушению работоспособности ВД. По этой причине перед каждым включением устройства необходимо производить установку триггеров в исходное состояние для обеспечения гарантированного пуска ВД. Недостатком данного ВД является также невысокая помехозащищенность. Цель изобретения - повышение надежности работы ВД и расширение области его применения. Это достигается тем, что ВД, содержащий статор с ш-фазной якорной обмоткой, коммутатор с бесконтактными ключами, служащими для подключения фаз обмотки к источнику постоянного напряжения, датчик положения ротора с m чувствительными элементами типа дроссель насыщения, преобразователь постоянного напряжения в переменное и m-канальное логическое устройство, включенное между выходами датчика и входами коммутатора, каждый канал ко торого состоит из транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, инвертора, подключенного по цепи входа к коллектору транзистора, и RS-триггера с логическими элементами на в,5-входах, дроссель насыщения подключен параллельно входу транзистора, прямой выход триггера соединен с входом ключа коммутатора и дополнительно вход транзистора - с выходом преобразователя напряжения через резистор, снабжен логическими элементами И и ИЛИ с (т-1) входами, на S-входе триггера включен логический элемент И с тремя входами, первый вход которого подключен к выходу инвертора одного канала, а второй и третий соединены соответственно с коллектором транзистора последующего и предыдущего каналов, на R-входе триггера включен логический элемент ИЛИ с (т-1)входами и соединен по ним с выходом трехвходового логического элемента И всех каналов, исключая одноименный. Кроме того, в каждый канал логического устройства дополнительно введены два резистора, первый из которых включен в цепь эмиттера транзистора,а второй - между эмиттером транзистора и инверсным выходом триггера . Все междуканальные связи выполнены без использования выходов триггеров и независимо от направления вращения электрической машины. Указанна логика схемных взаимосвязей обеспечи вает не только первоначальную ориентацию RS-триггеров по сигналам ДПР перед пуском ВД, но и повторяет ее в процессе работы с частотой источника переменного напряжения. В результате ВД работоспособен и в условиях повышенного уровня помех, и при кратковременных перерывах электросна бжения. Кроме того, данный ВД без из менений устройства связи может быть реализован в реверсивном варианте, например, только за счет реверса поля индуктора. На фиг.1. представлена принципиаль ная электрическая схема ВД; на фиг.2 и 3 - угловые и временные характерис тики изменения длительностей импульсов на основных элементах ВД, на фиг.4 - диаграмма изменения длительности импульсов на входе логического элемента И с учетом резистивной связи в функции угла поворота. Устройство (фиг.1) содержит ДПР 1 состоящий из диэлектрической втулки в радиальных пазах которой размещены дроссели насыщения, и диска с секторообразными. прорезями 3, устройство связи с однотипными каналами 4, рези тор 5, транзистор б проводимости п-р-п, резисторы 7 и 8, инвертор 9, логические элементы И 10 и ИЛИ 11, RS-триггер 12, коммутатор с бесконтактными ключами 13, электрическая машина переменного тока 14 с якорной обмоткой, содержащей секции А,В...М на статоре, и вращающимся индуктором 15, преобразователь 16 постоянного напряжения в переменное повышенной частоты (f±10-15 кГц), именуемый в дальнейшем преобразователь напряжения., На фиг.2-4 обозначены: г длительность нулевых импульсов на вы ходе транзистора соответствующих каналов связи 1,П, М) Т тельность единичных импульсов на выходе логического элемента И 10; U 2выходное напряжение RS-триггера 12; и ; Оц, и - напряжение, на коллек трое транзистора в соответствующем канале связи 1,П,М; Ug - напряжение на выходе инвертора;U o, напряжение на выходе логического элемента И; f , Т , t: , Т я - длительности нулевых (единичных) импульсов при нуле вом единичном сигнале на прямом выходе RS-триггера соответствующего ка нала связи. Конструктивную основу ВД составля ет электрическая машина (ЭМ)14 переменного тока с вращающимся индуктором 15 электромагнитного или магнитоэлектрического типа. Якорная обмот ка расположена на статоре ЭМ и соеди нена в п лучевуюзвезду А,В...М. Угловое положение индуктора ВД контролируется ДПР 1. Конструктивно ДПР состоит из двух основных деталей: диэлектрической втулки 2 с m радиальными пазами на внутренней поверхности и диска 3 с симметричными секторообразными прорезями. Диэлектри ческая втулка крепится к подшипниковому щиту ЭМ, а профилированный диск насаживается на вал ЭМ и стопорится в плоскости симметрии втулки. Диск изготавливается из магнитотвердого материала и намагничивается радиально. Ширина каждой секторообразной прорези равна 360/тр геометрических градусов. Пазы на втулке расположены со сдвигом на 360/тр геометрических градусов по расточке, и в каждом из них закреплено по одному дросселю насьндения. Дроссели насыщения изготовлены из миниатюрных ферритовых колец. Здесь р - число пар полюсов индуктора ЭМ, am- число фаз якорной обмотки. Электронную часть ВД составляют устройство 4 связи, коммутатор 13 и преобразователь 16 напряжения, с помощью которых ЭМ 14 переменного тока с ДПР 1 преобразуется в бесконтактную машину постоянного тока. Устройство связи состоит из однотипных каналов, объединенных между собой логическими связями. Каждый канал связи содержит три основных элемента: транзистор 6, инвертор 9 и RS-триггер 12 с логическими элементами на входах. На прямом входе S установлен трехвходовый логический элемент И 10, а на входе R - логический элемент ИЛИ 11 с (т-1) входами. Транзистор 6 включен по схеме с общим эмиттером. Его вход является входом канала связи. Параллельно ему подключена обмотка дросселя. Коллекторный вывод транзистора соединен с входом .инвертора 9 (логического элемента НЕ) и дополнительно подключен к источнику питающего напряжения через балластный резистор для повышения помехоустойчивости. Выход инвертора соединен с первым входом трехвходового элемента И. Второй и третий входы элемента подключены к коллекторам тран 3 исторов, соответствен но/последующего и опережающего каналов. Входы (т-1)-входового логического элемента ИЛИ подключены соответственно к выходу трехвходового логического элемента И всех каналов связи, исключая рассматриваемый. Прямой выход триггера 12 является выходом канала связи и поэтому к нему подключена фаза А якорной обмотки через бесконтактный ключ коммутатора 13. С целью повышения надежности работы ВД на объектах- с высоким уровнем вибраций инверсный выход триггера 12 соединен .с эмиттером транзистора 6 через резистор 8 и, кроме того, между эмиттером транзистора и общей точкой устройства включен -второй резистор 7. Питание дросселей насыщения произ водится от преобразователя напряжения .16, который выполнен по одной из модификаций широко известной схемы Ройера. Выходная обмотка преобразова теля напряжения подключена параллель но к обмотке всех дросселей насыщения ДПР через развязывакяцие резисторы, в частности к обмотке дросселя насыщения первого канала подключение выполнено через резистор 5. Конструк -тивная т-канальная симметричность по строения ВД обуславливает т-фазную повторяемость электромагнитных процессов в устройстве. Поэтому рассмо- РИМ работу ВД на примере одной фазы А. С целью определенности изложения за исходное положение ротора ВД примем положение, при котором дроссель насыщения, связанный с входом транзистора 6, находится против прорези секторообразного индуктора ДПР и его серденчик не пронизывается магнитным полем индуктора. При подаче в устройство питакяцего напряжения преобразователь 16 напряжения начинает формировать на выходе переменного напряжения прямоугольной форг-и и повышенной частоты f ее 10 кГц Переменное напряжение поступает на обмотку дросселя насыщения и на вход транзистора б через резистор 5. Пара метры дросселей (число витков W, сечение s) и его индукция В выбраны из условия перемагничивания сердечника по частному циклу кривой намагничивания (ДВ/2 0,9 Вд) переменным напряжением, приложенным к обмотке,где ЕС - индукция насыщения сердечника. Индуктивное сопротивление ненасыщенного дросселя во многом больше индуктивного сопротивления насыщенного дросселя. Поэтому при положительной полуволне напряжения, большая часть тока, протекакхцая через резистор 5, ответвляется в базовую цепь транзистора 6. Транзистор открывается и находится в открытом состоянии полпери ода. Отрицательной полуволной напряжения транзистор закрывается. Для принятого исходного положения отдельные дроссели находятся в зоне действия магниТ ного поля индуктора ДПР и их сердечники насыщены. Низкоомньал сопротивлением насыщенных дрос селей шунтируются входные цепи транзисторов и последние надежно закрыты при любой полярности переменного напряжения. Условимся высокий потенциал на входе (выходе) элемента,устройства счит&ть единичным; а низкий - нулевым. Дальнейшее преобраз,ование сигна лов в каналебвязи происходит таким образом. Нулевые импульсы с выхода транзистора б поступают на вход инвертора 9, на его выходе становятся единичными, и, в свою очередь, поступают на первый вход логического элемента И 10. На второй и третий входы логического элемента И поступают единичные сигналы с выхода закрытых транзисторов двух других каналов связи. Для данной входной комбинации сигналов логический элемент И передает единичные импульсы с первого входа на свой выход и соответственно на S-вход триггера 12. Первым входным импульсом триггер 12 устанавливается в единичное состояние, а триггеры остальных каналов связи этим импульсом переводятся в нулевое состояние по междуканальным связям через логические элементы ИЛИ. Последующие импульсы повторяют принятые триггерами состояния. Единичным сигналом с выхода триггера 12 открывается бесконтактный ключ коммутатора 13 и подключается фаза А якорной обмотки к источнику постоянного напряжения. По фазе А начинает протекать ток. От взаимодействия тока с магнитным полем индуктора 15 возникает вращающий момент. Ротор ЭМ начинает поворачиваться. Пусть вращение ротора происходит в направлении первоочередного появления прорези индуктора ДПР над одним дросселем. При появлении прорези над следующим по направлению вращения дросселем первый дроссель начинает входить в зону действия магнитного поля индуктора ДПР вследствие выбранной геометрии датчика. Первый сердечник дросселя начинает подмагничиваться полем индуктора, а второй сердечник дросселя выходит из насыщенного состояния и начинает перемагничиваться переменным напряжением.В процессе перемагничивания сопротивление дросселя значительно увеличивается и при положительной полуволне напряжения транзистор в следующем канале связи кратковременно открывается. Длительность открытого состояния тран зистора пропорциональна степени размагничивания дросселя ( Ф(, ) и определяется следующим соотношением: W (2B,5-S -Ф, ) У где и - амплитуда положительной полуволны напряжения, Фп - величина подмагничивающего сердечника магнитного пото ка. Подмагничиваение первого дросселя ведет к сокращению длительности его перемагничивания и соответственно к сокращению длительности t открытого состояния транзистора 6. Таким образом, процесс входа второго дросселя в зону прорези индуктора ДПР и выход из нее дросселя первого сопровождается появлением нулевых импульсов на выходе транзистора второго канала связи и сокращением их длитель ности на выходе транзистора 6 первого канала связи. Вид изменения длительности нулевых имп пьсов на выходах транзисторов в функции угла поворота ротора представлен на фиг.2. За счет междуканальной связи нулевые импульсы с коллектора транзистора второго канала связи подаются на второй вход логического элеменаа И 10 и приводят к сокращению его выходного импульса по переднему фронту. Кроме того, выходные импульсы логического элемента И сокращаются и по заднему фронту за счет уменьшения длительности импульсов на первом входе (транзисторе 6). Следовательно, поворот рото ра ВД в зоне перехода (подмагничивания первого дросселя и размагничивания второго дросселя) сопровождается пропорциональным обоим процессам сокращением длительности выходных импульсов логического элемента И соответственно по заднему и переднему фронту (фиг.За). Дальнейший поворот ротора приводит к угловому положению при котором длительности единичных импульсов на первом входе и нулевых на втором входе логического элемента И сравниваются, что соответствует сокращению длительности выходных импуль сов до нуля (фиг.36).Ничтожный последующий поворот ротора ведет к появлению единичных импульсов на выходе логического элемента И во втором канале связи, так как у него единичные импульсы на первом входе будут превосходить нулевые на третьем входе. На втором входе присутствует единичный сигнал (фиг.Зв). Первым единичным им пульсом с выхода логического элемент И во втором канале связи RS-триггер устанавливается в единичное состояние и по междуканальным связям через логические элементы ИЛИ этим же импуль сом ЕЗ-триггер в первом канале связи переключается в нулевое состояние, а в остальных каналах подтверждается нулевое состояние RS-триггеров. Синхронно с переключением триггеров выводится из рабочего состояния фаза А якорной обмотки и включается в работ фаза В, развивающая в этом положении ротора максимальный вращающий момент Под действием электромагнитного момента ротор ВД продолжает разворачиваться в прежнем направлении. Единич ные импульсы на выходе логического элемента И расширяются по длительнос ти, и в момент полного выхода второго дросселя, и в момент полного выхо да второго дросселя из зоны действия магнитного поля индуктора ДПР (соответственно, полного входа в эту зону первого дросселя.) их длительность ст становится равной полупериоду tp Т/2 переменного напряжения повершенной частоты. Последующая работа второго канала связи аналогична описанному с учетом последовательности подключения очередных каналов связи для принятого направления вращения. Таким образом, непрерывно с частотой переменного напряжения в каждом канале связи на один из входов триггера подаются единичные импульсы, однозначно задающие его состояние. На R-входе триггера единичные импульсы присутствуют при повороте ротора на угол, равный 360/тэл.град, когда соответствующий дроссель не насыщен, а на S-входе - при дальнейшем повороте ротора до полного угла. За счет пространственного сдвига дросселей на 360/тр геометрических градусов фазы А,В...М якорной обмотки поочередно переводятся в рабочее состояние, обеспечивая непрерывное действие максимального вращающегося момента на ротор. ВД разгоняется и при достижении электромагнитного равновесия в ЭМ начинает вращаться с постоянной частотой. При вращении ротора ВД из исходного положения в направлении, обратном рассмотренному, процессы в устройстве будут отличаться от описанных лишь тем, что, например, с первым каналом связи будет взаимодействовать следующий по направлению вращения канал связи. Работа ВД рассмотрена без учета влияния дополнительно введенных резисторов в каждый канал связи. Механизм действия введенной резистивной связи рассмотрим на примере функционирования первого канала связи. В процессе работы первого канала связи сигнал на инверсном выходе RSтриггера 12 принимает два значения нулевое и единичное. При нулевом сигнале резистор 8 оказывается подключенным параллельно резистору 7 и шунтирует его. Резистор 7 выбирается низкоомным и в зашунтированном состоянии практически не вносит изменений в работу транзистора б и дросселя первого канала, В случае единичного сигнала резисторы 7 и 8 выполняют роль делителя напряжения и существенно влияют на процесс перемагничивания дросселя первого канала. Положительная полуволна напряжения на обмотке дройселя первого канала возрастает по амплитуде на на величину (dUjj-,) падения напряжения на резисторе 7. Длительность перемагничивания первого дросселя и длительность нулевых импульсов на выходе транзистора 6 сокращается. o;itr-((. При вращении ВД характер действия резистивной связи наглядно рассматривать по дкагр&мме на-фиг.4. Пусть ротор ВД начинает движение из принятого ранее исходного положения, длительность единичных импульсов на первом входе логического элемента И 10 изменяется по кр. С«), так как йЗ-триггер 12 находится в единичном состоянии по прямому выходу. Длительность нулевых импульсов на втором входе логического элемента И изменяется по кривой Т (tl ci:) ввиду фиксации всех остальных триггеров устройства в нулевом состоянии по прямому выходу. Разность между длительностями (f -ь равна длительности импульсов на выхо де логического элемента И и R-входе триггера. В положении ротора Ч , когда разность становится нулевой (импульсы отрицательной длительности не существуют) появляются импульсы н выходе логического элемента И во вто ром канале связи, длительность которых равна разности fj,). Первым же импульсом триггер во втором канале связи переводится в нулевое состо яние по инверсному выходу, а триггер 12 переключается в единичное состояние ло тому же выходу. За счет смены резистивных связей длительность импульсов на выходе логического элемен та И второго канала связи скачком увелк-ивается до величины(f а Теперь, чтобы совершить обратное переключение триггеров, ротор ВД необходимо развернуть в обратном направлении на угол лЧ , пропорциональный коэффициенту передачи резистивной связи. Таким образом, за счет дополнительно введенных резисторов достигается надежное однократное переключение триггеров и силовых элементов ВД даже при колебаниях ротора ЭМ, не превышающих по амплитуде угол 4 . Данный ВД достаточно прост в исполнении, содержит минимум конструктивных деталей и небольшое количество полупроводниковых элементов, обладает широкой универсальностью. Без изменения основы электронной схемы {вариацией числа однотипных каналов связи) ВД может быть реализован с любым (четным и нечетным) числом фаз якорной обмэтки с нулевым или мостовым коммутатором в реверсивном или нереверсивном варианте. Наиболее рациональное построение реверсивного ВД с реверсом в цепи питания электромагнитного индуктора. В электронном блоке ВД могут не применяться крупногабаритные дискретные элементы (конденсаторы) и поэтому он .может быть полностью реализован в интегральном исполнении. В условиях серийного производства ВД с интегральными блоками ожидается положительный экономический эффект при выпуске более 20 тыс. изделий в год, увеличивающийся с ростом выпуска. ВД не только сочетает положительные свойства известных устройств, но также обладает новыми. За счет :зффективных между к анальных связей. достигнута высокая помехозащищенность ВД. В устройстве периодически с высокой частотой (f ь;10 кГц) задается состояние всех логических элементов для любого положения ротора. Поэтому практически на работу ВД не влияют случайные помехи, имеющие место в любой промышленной сети питающего напряжения и кратковременные перерывы в электроснабжении. Кро ме того, посредством дополнительно введенной в устройство резистивной связи обеспечено однократное экономичное переключение силовых элементов ВД даже при воздействии на ротор возмущающих моментов. Сочетание высокой помехозащищенности с экономичной работой силовых элементов гарантирует повышенную надежность работы ВД.

±ш--5-j .W

i. т

1. ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий статор с т-фазной якорной обмоткой, коммутатор с бесконтактными ключами, служащими для подключения фаз обмотки к источнику постоянного напряжения, датчик положения ротора с m чувствительными элементами типа дроссель насыщения, преобразователь постоянного напряжения в nepeMefHHoe и т-канальное логи.ческое устройство, подключенное между выходами датчика и входами коммутатора каждый канал которого состоит из транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером инвертора, подключенного по цепи входа к коллектору транзистора, и RS-триггера с логическими элементами на Е,Б-входах, дроссель насыщения подключен параллельно входу транзистора, прямой выход триггера соединен с входом клю ча коммутатора и дополнительно вход транзистора - с выходом преобразователя напряжения через резистор, о тличающ-ийся тем, что, с целью повышения надежности и расыирения области применения, он с::абжен логическими элекюитами И и ИЛИ с (т-1) входами, на S-входе Триггера подключен логический элемент И с тремя входами, первый вход которого подключен к выходу инвертора одного i канала, а второй и третий соединены соответственно с коллектором транзиКл стора последующего и предьадущего каналов, на R-входе триггера подключен логический элемент ИЛИ с (т-1) входами, соединенными с выходом трехвходового логического элемента И других каналов. 2. Двигатель по п.1, от л и чающийся тем, что в каждый канал логического устройства дополни00 тельно введены два резистора, первый из которых подключен в цепь эмиттера транзистора, а второй.- между эмитте ром транзистора и инверсным выходом ел триггера. 00

;XXL/.tf

У61

2лТ ГВ 3а°

Фuг.