Вентильный электродвигатель (его варианты) Советский патент 1986 года по МПК H02K29/06 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к исполнительным электродвигателям систем автоматического управления.

Цель изобретения - упрощение конструкции электродвигателя.

На фиг. 1 изображена структурная схема вентильного электродвигателя в варианте для двухфазной машины, на фиг. 2 - питающая статорная пластина для мащины с одной парой полюсов (условно показаны напряжения, питающие ее секторы); на фиг. 3 - электрическая схема питания фазовращателя; на фиг. 4 - вариант реализации фазовращателя для двухфазной и двухполюсной машины; на фиг. 5 - взаимное расположение пластин ротора и статора фазовращателя для трехфазного двигателя; на фиг. 6 - пластины ротора фазовращателя, на фиг; 7 - выходные характеристики М (oi) и Ч „(сС) предлагаемого фазовращателя (линией V (показана характеритика вход-выход известного фазовращателя); на фиг. 8 - принципиальная схема блока вьщеления фазового сдвига сигналов; на фиг. 9 - принципиальная схема блоков реверса знака; на фиг. 10 - эпюры напряжений U,

6 7, 11 w iB выходе соответствующих блоков.

В соответствии с первым вариантом электродвигатель содержит генератор 1 импульсов высокой частоты, который через счетчик 2, выполняющий роль делителя частоты, подключен на вход формирователя 3 синусоидальных напряжений. С выхода фор- мирователя 3 напряжения поступают на секторы статорной питающей пластины фазовращателя 4, укрепленного на валу синхронной мащины.

Выходы фазовращателя, на которых образуются напряжения Ug,, Ug,,, (фиг. 10), подключены к управляющим входам преобразователя частоты через детекторы 5-7 пересечения сигналом нулевого уровня (выходные сигналы детекторов формируются в соответст- .вии с уровнями дискретной логики) и блоки 8 и 9 выделения фазовых сдвигов выходных напряжений фазовращателя относительно опорного. Каждый из блоков 8 и 9 (фиг. 8)состоит из двух схем, первая из которых (Ц ) вьще- ляет временной интервал, пропорциональный фазовому сдвигу, а вторая

CD) определяет, какая из двух входных последовательностей импульсов является опережающей. Таким образом, выходной сигнал схемы D можно ин5 терпретировать как ,знак фазового расстояния, вьщеленного схемой D. К выходам схем 10 и 11 реверса знака фазового сдвига, которые работают в соответствии с логическим урав0 нением.

и jslgnf t/i.) если и у О e ixio(iif signH , , если Uj : О

подключены входы преобразователей

5 12 и 13 частоты. Реле 14 реверса служит для выделения знака управляющего сигнала. Вторые входы схем 10 и П связаны с выходом реле 14 реверса и могут быть выполнены, как показано

0 на фиг. 9. Секции 15 и 16 обмотки якоря синхронной машины 17 подключены к выходам преобразователей 12 и 13 частоты.

В соответствии с вторым вариантом

5 (для трехфазного двигателя) схема содержит еще один выход фазовращателя, на котором формируется напряжение , и дополнительный канал, СОСТОЯ1ЦИЙ из блоков, аналогичных бло0 кам двухфазного электродвигателя (детектора блока выделения фазового сдвига и схем реверса знака фазового сдвига), и формирующий сигналы 1ц) ) и sign в соответствии с описанными для двухфазной машины законами. Напряжение и,,, с третьего выхода фазовращателя через указанный канал выделения сигналов ) и sign Vj связан с управляющими входами третьего преобразователя частоты, к выходу которого подключена третья секция статора.

Вентильный электродвигатель работает следующим образом.

Счетчик 2 выполняет функции делителя частоты импульсов. Формирователь 3 синусоидальных напряжений вырабатьшает опорное напряжение Uj,, которое подключено к двум противолежащим сектор-ам питающей пластины фазовращателя 4 (фиг. 2), и два противофазных напряжения U и Uj, квадратурных относительно напряжения Uo и питающих два других противолежащих сектора.

5

0

5

Роторные пластины находятся на минимальном расстоянии от пластин питающего статора, параллельны им.

31

перекрывают их поочередно в зависимости от угла поворота ротора и выполнены из материала с высокой диэлектрической проницаемостью.

Для двухфазной машины с одной парой полюсов на роторе можно выполнить фазовращатель, как показано на фиг. 4, .где обозначены питающая статорная пластина 18, по обе стороны которой расположены два ротора 19 и 20, оси симметрии которых сдвинуты в пространстве на 90°. Выходные напряжения снимаются с двух неподвижных съемных пластин 2 и 22, которые охватывают роторные.

Формирователь 3 синусоидальных напряжений (фиг. 3)содержит фильтр 23 первой гармоники, интегратор 24 и инвертор 25, вьтолненные, например, на операционных усилителях.

Фазовые сдвиги S и v выходных напряжений фазовращателя относительно опорного напряжения Uo являются периодическими функциями угла поворота oL ротора двигателя. Конкретный вид этих периодических функций Ч (ot) и foC) выбирается в зависимости от формы и размеров роторных и ста- торных пластин фазовращателя.

Поскольку принцип действия.датчика не отличается от принципа действия емкостного фазовращателя, основанного на изменении емкостей между ротором и каждой из пластин питающего статора вследствие изменения площади перекрытия пластин статора ротором, то для получения нужных форм статорных и роторных пластин, обеспечивающих желаемый вид функций Y(oi), следует использовать известные соотнощения, адаптировав их к числу фаз питающего напряжения и числу секторов на питающем статоре.

На фиг. 7 вид функций 4(d) и V (о(.) выбран гармоническим, а необходимый сдвиг между ними обеспечивается благодаря пространственному сдвигу роторных пластин.

Число пластин на питающем статоре подчиняется общим закономерностям, определяющим число сигнальных секторов датчика положения ротора в зависимости от числа пар полюсов ротора двигателя.

Для трехфазной мащины (второй вариант) нужны три функции типа f (.о) на фиг. 7, сдвинутые между собой на 120 эл.град. Их можно получить, используя взаимодействие трех роторных

10

15

20

25

21699

пластин, сдвинутых между собой в пространстве на I20° с пластинами питающего статора, запитанного так, как показано на фиг. 2.

5 Одно из возможных технических решений этой задачи представлено на фиг. 5, где показано взаимное расположение питающего статора 18 и ротора 19, жестко закрепленного на валу двигателя. Ротор 19 представляет собой три пластины, изолированные друг от друга и расположенные со сдвигом в пространстве на 120° (крепление ротора к валу не показано). Форма зтих пластин выбирается в соответствии с видом выходной характеристики фазовращателя.

С целью уменьшения наводок и бесконтактного снятия выходного сигнала фазовращателя он снабжен еще одним ротором (.20), расположенным на том же валу на небольшом расстоянии от ротОра 19, и съемным статором 21. Пластины ротора 20 (фиг. 6), представляют собой концентрические круговые кольца одинаковой площади, каждое из которых электрически соеди- ненб с одной из пластин ротора 19, Конструкция статора 21 аналогична конструкции ротора 20, Статор 21 и ротор 20 расположены соосно.

Выходные сигналы фазовращателя снимаются с колец статора 21 н из- меряются относительно схемной земли.) ; Фазовые сдвиги V V, fj выход-. .

ных напряжений фазовращателя отйрсин телЬно опорного напряжения Up являются периодическими функциями угла поворота oJ вала двигателя.

Временные интервалы, соответствующие фазовым сдвигам Ч , f , Ч вьщеляются одним из описанных способов и через преобразователи.часто ты осуществляют щиротно-импуль.сную V модуляцию напряжений на статорных

обмотках синхронной машины по гар- ; моническим законам, необходимым . для получения плавно вращающегося магнитного поля.

Реверс электродвигателя осуществляется по сигналам реле 14 реверса, которое выделя ёт знак signUy управляющего напряжения Uy. При срабатывании реле инвертирует знаки ,широтно-модулированных импульсов

55 |4 J 1Ч, I и iH jl , поступающих на входы преобразователей частоты и тем осуществляется инвер-Нсрр- вание напряжения на обмотках

30

40

50

двигателя, т.е. последний реверсируется .

Модуль и,, используется для управления абсолютной величиной скорости вращения по одному из известных способов, например по способу двойной широтно-импульсной модуляции фазных напряжений.

Таким образом, описанное выполнение фазовращателя (добавление одной роторной и одной статорной пластин) позволяет упростить электродвигатель путем исключения сложных и дорогостоящих элементов - двух аналоговых запоминающих устройств и двух аналоговых элементов умножения. Кроме того, вместо двух сложных в реализации реверсивных широт- но-импульсных модуляторов, можно использовать более простые нереверсивные модуляторы. Вместе с тем датчик дает возможность легко построить схему управления трехфаз- ньм двигателем, изменяя только форму роторной пластины фазовращателя Характеристики предлагаемого вентилного электродвигателя по сравнению с известным более стабильны, так как в нем.использованы лишь дискретные элементы.

Вентильный электродвигатель может быть эффективно использован в качестве исполнительного элемента в автоматических системах самого различного назначения при высоких требованиях к пульсациям вращающего момента, массогабаритным характеристикам и надежности.

Формула изобретени

1. Вентильный электродвигатель, содержащий электрическую машину с двухфазной обмоткой якоря и вращающимся индуктором, преобразователи частоты, к выходам которых подключена двухфазная обмотка якоря, управляющие входы преобразователей частоты связаны с двумя выходами фазовращателя, установленного на валу электрической машины, и источник двухфазного высокочастотного напряжения связанный первым и вторым выходами с входами фазовращателя, отличающийся тем, что, с целью упрощения двигателя,, он дополнительно снабжен первым и вторым измерителями временных интервалов, соответствующих фазовым сдвигам выходных Сигналов фазовращателя относительно , напряжения первого.выхода источника двухфазного высокочастотного напряжения, последний снабжен дополнительным выходом с напряжением той же частоты, противофазным напряжению 10 первого выхода указанного источника, а фазовращатель содержит питающую статорнзпо пластину, две роторные пластины, укрепленные на валу двигателя по обе CTopoHti от питающей пластины 5 со сдвигом в пространстве в 90 и две съемные неподвижные пластины, охватывающие роторные пластины, питающая статорная пластина разделена на четыре сектора, два противолежащих

0 из которых электрически объединены и подключены к первому выходу источника двухфазного высокочастотного напряжения, второй и дополнительный выходы которого подключены соответ5 ственно к двум другим секторам питающей статорной пластины фазовращателя, съемные пластины которого подключены к управляющим входам преобразователя частоты через указанные

0 измерители временных интервалов.

2. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен реле реверса и блоками реверса знака выделенного временно, го интервала, включенными между выходами измерителей временных интервалов и входами преобразователей частоты, вторые входа блоков реверса объединены и подключены к выходу

Q реле реверса.

3. Вентильный электродвигатель, содержащий электрическую мащину с обмоткой якоря и вращающимся индуктором, преобразователи частоты, к

2 вькодам которых подключены фазы обмотки якоря, управляющие входы преобразователей частоты связаны с выходами фазовращателя, установленного на валу электрической машины, и исQ точниК трехфазного высокочастотного .напряжения, связанный выходами.с входами фазовращателя, отличающийся тем, что, с целью упрощения электродвигателя, он снаб- жен дополнительно тремя измерителя

ми временных интервалов, соответствующих фазовым сдвигам выходных сигналов фазовращателя относительно

напряжения первого выхода источника высокочастотного напряжения, снабженного вторым выходом, напряжение с которого находится в противофазе с напряжением первого выхода, электрическая машина имеет трехфазную обмотку якоря, причем три преобразователя частоты, к выходам которых подключена трехфазная обмотка якоря, управляющими входами связаны с тремя выходами фазовращателя, установленного на валу электрической машины и снабженного питающей статорной ш acтинoй первым и вторым роторами, укрепленными на валу двигателя, первый ротор выполнен в виде трех .одинаковых пластин,, расположенных со сдвигом в пространстве на 120 и против питающей статорной пластины, а пластины второго ротора вьшол- нены в виде трех концентрических круговых колец, каждое из которых

электрически объединено с одной из пластин первого ротора и съемным статором, конструкция которого аналогична конструкции второго ротора

и располагается соосно с ним, а каждое из трех колец второго ротора электрически связано с одним из трех выходов фазовращателя, каждый из выходов фазовращателя подключен

к управляющему входу одного из преобразователей частоты через указан- ньй измеритель временного интервала.

4. Электродвигатель по п. 3, отличающийся тем, что

он снабжен реле реверса и блоками реверса знака выделенного временного интервала, включенными между выходами измерителей временных интервалов и входами преобразователей

частоты, вторые входы блоков реверса объединены и подключены к выходу, реле реверса..

Изобретение позволяет упростить конструкцию электродвигателя (Э). Э содержит электрическую машину с двухфазной обмоткой якоря и вращающимся индуктором. Обмотка якоря сое- .динена с преобразователем частоты, управляющие входы которых связаны с выходами фазовращателя. Фазовращатель (Ф) содержит две роторные пластины и одну статорную. Роторные пластины укреплены на валу дни-, гателя со сдвигом на 90. Две съемные пластины Ф охватывают роторные пластины. Статорная пластина Ф разделена на четыре сектора, два противолежащих из которых электрически объединены и подключены к первому выходу источника двухфазиого высокочастотного напряжения, второй и дополнительный выходы которого подключены к двум другим секторам ста- торной пластины. Съемные пластины Ф подключены к управляющим входам преобразователя частоты. За счет такого выполнения Ф достигается поставленная задача, поскольку|йсдключа- ются сложные и дорогостоящие элементы - аналоговые запоминающие устройства и два аналоговых элемента умножения. 2 с.п. и 2 з.п. ф-лы,10 ип. (П

фцг,/

Uz

7J

A

Фиг. 3

21П 19 22

U(,

L

f

фиг. 2

%//2

Л/л)

2Q

фиг.It

/3

ФЦ8. 5

Риг,8

(put.7

фие, i

фиб.З