Вентильный электродвигатель с тахометрическим генератором Советский патент 1988 года по МПК H02K29/08 

СО

QD СЛ

со

СН

несущим постоянные магниты 12, и неподвижным якорем 15, снабженным якорной обмоткой 17. Переключение обмотки 17 якоря ТГ и двигателя осуществляется электронными переключающими устройствами, управляемыми датчиком положения ротора. Ротор 14 ТГ выполнен в форме диска, а магнитная ось магнитов 19 параллельна валу 1. Подвижная

часть датчика положения ротора выполнена в виде самого ротора 14 ТГ, взаимодействующего с системой неподвижных магнитных датчиков 16, предпочтительно элементов Холла. Система датчиков 16 установлена на одной из сторон ротора 14 ТГ, а неподвижньгй якорь 15 - с другой стороны ротора 14. 4 з.п. ф-лы, ГЗ ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к двигателям с бесконтактном коммутацией, предназначенным для работы в электроприводе с обратной связью по частоте вращения. Целью изобретения является уменьиение габаритов. Электродвигатель снабжен тахогенератором (ТГ) с ротором 14, закрепленным на валу 1 двигателя и

1

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электродвигателям с бесконтактной коммутацией, вентильным электродвигателям (ВД), предназначенным к работе в электро- приводе с обратной связью по частоте вращения и снабженных для этого тахо- генератором.

Целью изобретения являetcя умень- щение габаритов вентильного электро- двигателя и упрощение его конструкции.

На фиг. 1 показан вентильный электродвигатель, общий вид в осевом разрезе; н фиг. 2 - то же, вид со стороны магниточувствительных элементов; на фиг. 3 - вид А на фиг. 2; на фиг.4- расположение обмотки якоря четырех- фазного тахометрического генератора; на фиг. 5 - электрическая схема обмот ток якоря четырехфазного тахометрического генератора между собой с переключателями; на фиг. 6 - схематический вид индукции от пары сов N и S ротора генератора с расположением магнитных датчиков; сигналы с элементов 27.1-27.4 с выхода магниточувствительных элементов в функции угла поворота ротора; сигналы для пе- реключатецей 26.1-26.4, управляющие переключением якорных обмоток тахометрического генератора и сигналы 29.1-29.8, управляющие переключением якорных обмоток двигателя; на фиг.7 - ЭДС, индуктированные в фазах обмот- ки генератора на фиг. 5; на фиг. 8 - электрическая схема силовой части двухфазного тахометрического генератора; на фиг. 9 - схема обмотки якоря двухфазного тахометрического генератора; на фиг. Ю - ЭДС, индуктиро

5

, 5

0

ванные на клеммах обмоток двухфазного тахометрического генератора; на фиг. 11 - ротор, образованный кольцевым магнитом и двумя дисками, вид в . плане; на фиг. 12 - разрез А-Афиг.1I; на фиг. 13 - блок-схема устройства, управляющего переключателями двигателя и тахометрического генератора от датчика положения ротора.

На фиг. 1 показаны двигатель и та- хометрический генератор, функционально и конструктивно совмещенный с датчиком положения ротора, располо-i женные на одном валу 1. Ротор двигат теля снабжен четырьмя парами полюсов, а на его якоре расположена многофаз- ная обмотка. Его статор состоит из двух половинок, симметрично расположенных с каждой стороны дискообразного ротора 2, причем каждый из этих полустаторов состоит из алюминиевых фланцев 3.1 и 3.2 и якорей 4.1 и 4.2, прикрепленных к внутренней стороне фланцев 3.1 и 3.2 соответственно. Оба фланца соединены кольцом 5, образуя коробку. Якорь состоит из кольцевых магнитопроводов 6.1 и 6.2 и обмоток 7.1 и 7.2,при этом оба элемента обмотки утоплены в пластмассе 8.1 и 8.2, а также из коаксиально встроенных во внутреннее пространство между этими двумя элементами соединительных колец 9.1 и 9.2, частично утопленных в пластмассу, периферийная зона которых сама утоплена в пластмассе 8.1, 8.2. Образованный таким образом якорь составляет компактную деталь. Пакеты магнитопроводов 6.1 и 6.2 выполнены в виде спирали из магнитной ленты, а якорная обмотка расположена напротив ротора 2.

3ta

Соединительные кольца 9. 1 и 9.2 разделены на множество изолированных один от другого сегментов, к концам которых подсоединены якорные обмотки 7.1 и 7.2. Электрические проводники 10.1 и 10.2 соединяют сегменты соеди-| нительных колец 9.1 и 9.2 соответственно со схемами электронной коммутации и проходят через каналы 11. 1 и 11.2, расположенные параллельно оси двигателя во фланцах 3.1 и 3.2 соответственно. Указанные схемы управляются от датчика положения ротора. Обмотка якоря состоит из тридцати двух катушек, образующих четыре фазы, управляемые первым электронным переключающим устройством. Каждая из якорных обмоток 7.1 и 7.2 вьтолнена в виде обмотки внахлестку, как в обычных двигателях постоянного тока.

Дисковый ротор 2 состоит из корпуса 12 из синтетической смолы, внутри которого имеется утолщение, образующее сердечник. В корпусе 12 утоплены восемь постоянных магнитов 13 в форме кольцевого сегмента, каждый встроен, например, в кронштейн из углеродистого волокна с гнездами соответствующей формы, причем все это утоп- лено в синтетической смоле и таким образом ротор выполнен заодно с сердечником, закрепленным на валу 1 двигателя. В остальном конструкция ротора 2 аналогична конструкции ротора 14 тахометрического генератора.

Тахометрический генератор содержит ротор 14. в форме диска, закрепленный на валу 1 двигателя, частота вращения которого должна измеряться, С од-

ной- стороны этого ротора расположен якорь 15, закрепленный на внутренней стороне статорного фланца 16, ас другой стороны ротора 14 установлена система неподвижных магниточувстви- тельных элементов 16.

Якорь 15 состоит из якорной обмотки 17 второго кольцевого сердечника 18, причем оба элемента утоплены в пластмассе. Образованный таким обра- эом якорь 15 является компактной деталью. Второй кольцевой сердечник 18 образован намоткой из магнитной полосы, образуя пакет кольцевой формы, а якорная обмотка 17 расположена напротив роторя 14.

Электрические проводники (не показаны) выводят концы якорной обмотки 17 наружу к второму электронному пе

О

д

Q

5

5

:и

ре; ;1К1Члюшему устройс I py, которое управляется датчиком положения роторп, сигнальные элементы которого являются самим ротором 14, который взлимодай- ствует с мпгниточ вствительньгми элементами 16.

Ротор 14 имеет форму плоского диска, расположенного на в.члу 1 двигателя, и состоит из корпуса из сингеги- ческой смолы, внутри которо -о имеется утолщение, образующее сердечник. В корпусе утоплены восемь постоянных, магнитов 19 (фиг. 1) в форме кольце вого сегмента, которые встроены, например, в кронштейн из углеродистого волокна с гнездами соответствующей формы, причем все это утоплено в синтетической смоле и таким образом ротор выполнен заодно с сердечником, закрепленным на валу I двигателя . Магнитная ось постоянных магнитов 19 параллельна валу I и, следовательно, эти магниты создают магнитные поля, параллельные валу. Толщина постоянных магнитов 19, рабочие поверхности полюсов которых свободны с каждой стороны, приблизительно такая же, что и толщина зоны из синтетического материала, который их окружает. Постоянные магниты 19 равномерно распределены по периферии ротора 14 и расположены таким образом, что на каждой из сторон ротора рабочие поверхности полюсов, следуя друг за другом по окружности, образуют чередующуюся полярность и, таким образом, на каждой стороне ротора имеются равномерно распределенные четыре пары полк/сов.

Магниточувствительные элементы 16, являющиеся в этом примере элементами Холла, запрессованы в отверстиях 20 изолирующей пластины 21, наклеенной на плоскую сторону первого кольцевого сердечника 22, коаксиального оси ротора 14, и закрепленной на статор- ном фланце 23.1 Кольцевой сердечник 22 предпочтительно выполнен из магнитного полосового листа, образующего пакет кольцевой формы, как якорный сердечник 18, для замыкания магнитных полей. Два фланца 23.1 и 23.2 соединены кольцом 24.

Обмотка 17 генератора образована четырьмя обмотками 25.1-25.4, соединенными звездой (фиг. 5). На фиг. i схематически показано относительное расположение четырех обмоток, каждая из которых состоит из соединенных

последовательно четырех отдельных катушек. Угол 0 равен 90° и соответствует электрическому циклу, т.е. электрическому углу 360, так как на роторе расположены четыре пары полюсов

Обмотки 25.1, 25.3 и 25.2, 25.4 наложены друг на друга, но намотаны в противоположном направлении и, таким образом, напряжения, индуктиро- ванные в обмотках, имеют противоположный знак, соответствующий сдвигу по фазе на электрический угол . Обе группы обмоток сдвинуты на 90 эл. град.,т.е. на геометрический угол 22,5, при этом одна пара магнитных полюсов занимает геометрический угол 90. Напряжения, индуктированные в обмотках 25.2-25.4, подаются на выход тахогенератора (фиг;5, точки + и N) посредством последоваТак как затруднительно расположит на геометрической дуге 33,75 четыре элемента Холла 27.1-27.4, их распол

тельных коммутаций переключателей 26.1-26.4.

На фиг. 6 схематически показана одна пара полюсов и положение четырех 25 гают как указано на фиг. 4. Четвер- магниточувствительных элементов 27.1- тый элемент 27.4 располагается на 27.4, например, элементов Холла. Четыре датчика закреплены на поверхности статора, обращенной к ротору (фиг. 1). Угловое расстояние между двумя соседними элементами должно

30

33,75 от первого, второй 27.2 - на 101,, что соответствует, следовательно, помещению второй пары полюсо на угол 11,25 . Третий элемент 27. располагается иа 77,5 от первого и возбуждается прохождением полюса па ры полюсов и по этой причине сигнал подаваемый этим элементом, перед ис 35 пользованием инвертируется. Такое расположение четырех элементов явля ется одним из нескольких возможных расположений и зависит от размеров тахогенератора.

быть равно электрическому углу 45 , т.е. heoMeTpH4ecKOMy углу 11,25 ,

Под двумя полюсами показаны сигналы, поступающие от элементов Холла 27.1-27.4 при прохождении перед ними полюса от одной пары полюсов. Четыре сигнала, управляющие коммутациями переключателей 26.1-26.4, являются производными только от сигналов, подаваемых элементами 27.1 и 27.3, так как следует управлять четырьмя коммутациями ка электрический цикл, и сигналы с элементов 27.1, 27.3,будучи

сдвинутыми по фазе на четверть элект- 45 обмоток посредством восьми переключа- рического цикла 90 эл.град. и сохра- телей 31.1-31.4, 32.-32.4 получают

и

няющими постоянную величину на длину одного полуцикла 180 эл. град, позволяют, таким образом, генерировать четыре сигнала для переключателей (26.1-26.4), управляющие коммутацией обмоток якоря тахогенератора в течение интервалов I-IV (фиг. 6), каждый из которых равен электрическому углу 90 . Индуктированные : напряжения 28.1-28.4 (фиг. 7) в обмотках 25.1- 25.4 имеют постоянную величину, каждое в интервале 90 эл. град. Когда тахогенератор соединен с восьмиполюс

на выходных клеммах + и - генератора четыре индуктированные напряжения, соответствующие напряжениям

5Q тахогенератора, обмотка которого состоит из четырех обмоток, соединенных звездой.

Преимущество якоря с двумя обмотками (фиг. 8) заключается в том,

55 что каждая обмотка 33.1 и 33.2 имеет больще витков, чем каждая из обмоток 25.1-25.4, что позволяет увеличить величину соответствующих индуктированных напряжений.

ным электродвигателем, следует генерировать восемь коммутационных сигналов на электрический цикл и в этом случае эти восемь сигналов 29.1-29.8 формируются путем обработки четырех сигналов с элементов 27.2-27.4.

На фиг. 13 показана блок-схема устройства, управляющего коммутацией обмоток якорей двигателя и тахогенератора от датчика положения ротора. Сигналы, подаваемые элементами Холла 27.1-27.4, посьшаются в два электронных переключающих устройства 30 и З, первое из которых формирует сигналы переключения переключателей 26.1-26.4 якоря тахогенератора, а второе формирует сигналы переключения переключателей 29.1-29.8 якоря двигателя при условии совместимости полюсов двигателя тахогенератора.

Так как затруднительно расположить на геометрической дуге 33,75 четыре элемента Холла 27.1-27.4, их располагают как указано на фиг. 4. Четвер- тый элемент 27.4 располагается на

гают как указано на фиг. 4. Четвер- тый элемент 27.4 располагается на

33,75 от первого, второй 27.2 - на 101,, что соответствует, следовательно, помещению второй пары полюсов на угол 11,25 . Третий элемент 27.3 располагается иа 77,5 от первого и. возбуждается прохождением полюса пары полюсов и по этой причине сигнал, подаваемый этим элементом, перед ис- пользованием инвертируется. Такое расположение четырех элементов является одним из нескольких возможных расположений и зависит от размеров тахогенератора.

Другой вариант якорной обмотки та- хометрического генератора из двух обмоток показан на фиг. 8. Управляя переключением двух клемм каждой из

обмоток посредством восьми переключа- телей 31.1-31.4, 32.-32.4 получают

и

на выходных клеммах + и - генератора четыре индуктированные напряжения, соответствующие напряжениям

тахогенератора, обмотка которого состоит из четырех обмоток, соединенных звездой.

Преимущество якоря с двумя обмотками (фиг. 8) заключается в том,

что каждая обмотка 33.1 и 33.2 имеет больще витков, чем каждая из обмоток 25.1-25.4, что позволяет увеличить величину соответствующих индуктированных напряжений.

714

На фиг. 9 показано относительное расположение двух обмоток 33.1 и 33.2, каждая из которых состоит из четырех соединенных последовательно отдельных катушек, положение которых соответствует положению обмоток 25.1 и 25.3 якоря. Сигналы, описанные применительно к фигуре 6, являются такими же для этого якоря с единственной разницей, что сигнал для переключа- 26.1 управляет коммутацией переключателей 31.1, 31,3; для переключателя 26.2 управляет коммутациями переключателей 31.2, 31.4 и так далее. На фиг. 10 показаны индуктированные напряжения, обозначенные так же, как и обмотки 33.1 и 33.2, и обратные напряжения в тех же обмотках со знаком -, которые получают на клеммах + и - якоря (фиг. 8), когда замыкают переключатели 31.2- 31.4 и соответственно переключатели 32.2, 32.4.

На фиг. 11 и 12 показан вариант выполнения ротора в виде кольцевого магнита 34, одна боковая сторона которого является северньм полюсом, а другая боковая сторона - южным полюсом. На северной боковой стороне размещен металлический диск 35 с диаметром, превышающим диаметр кольцевого магнита 34, при этом периферийный край этого диска, заходящий 3 магнит, имеет равные вырезы 36. На южной боковой стороне кольцевого магнита 34 размещен второй металлический диск 37 того же размера и формы, что и первый металлический диск 35 и который также имеет по своей периферии равные вырезы 38, в количестве и по размерам соответствующие вырезам первого диска 35. Оба диска установлены на кольцевом магните 34 таким образом, что каждый вырез 36 - первого диска 35 находится в интервале между двумя вырезами 38 второго диска 37 без контакта, причем зубцы обоих дисков находятся в одной плоскости симметрии с кольцевым магнитом Таким образом получают ротор, периферия которого содержит последовательность вырезов 36, 38 с чередующейся полярностью.

Формула изобретения

щий ротор, закрепленный на валу электродвигателя, по крайней мере один расположенный на статоре, неподвиж-ный якорь, на котором размещена обмотка якоря, секции которой соединены с выходом первого электронного переключающего устройства, управляющие цепи которого связаны с выходом дат0 чика положения ротора электродвигателя, и тахометрический генератор, ротор которого совмещен с ротором датчика положения ротора электродвигателя и закреплен на валу электродви15 гателя, магниточувствительные элементы, преимущественно элементы Холла, расположены с одной стороны от ротора тахометрического генератора, а неподвижный якорь с обмоткой тахомет0 рического генератора расположены с другой стороны от ротора, число полюсов датчика положения ротора равно числу пар полюсов электродвигателя, отличающийся, тем,

25 что, с целью уменьшения габаритов и упрощения конструкции, ротор датчика положения выполнен в виде диска, на котором установлены постоянные магниты, магнитные оси которых расположе0 ны параллельно валу, а число фаз

якорной обмотки электродвигателя пропорционально числу фаз якорной обмотки тахометрического генератора, которая подключена к второму электрон35 ному переключающему устройству.

0 фланце статора коаксиально ротору, магниточувствительные элементы . встроены в изолирующую пластину, наклеенную на поверхность кольцевого сердечника, вьтолненного из спирально

5 намотанной магнитопроводящей ленты с

изоляционным йлоем.

0 содержит катушки, установленные с

взаимным перекрытием, двигатель снабжен вторым кольцевым сердечником, выполненным из спирально намотанной магнитопроводящей ленты с изоляционg ным слоем и установленным коаксиально оси ротора, а якорная обмотка тахометрического генератора установлена на торцовой стороне второго кольцевого сердечника, обращенной к ротору.

фаз. 2

Л

гг

ки вьтолнены с возможностью формирования сигнала длительностью 180 эл.град.

20

21

/

т у /

/ /

.21 20

ФигЛ

-f

0U2.6

0Ui. 70

Фиг. 8

95

36