Моментный вентильный электродвигатель Советский патент 1991 года по МПК H02K29/06 

теля 1, коммутационных и функциональ- igмотки формируются токи, которые соз- ных блоков источника постоянногодают требуемый электромагнитный мо- сигнала, задатчика момента и датчи-мент и электромагнитные силы, комков 52, 53 линейных ускорений. Якор- гпенсирующие радиальные силы инерции, ная обмотка расположена на четырехдействующие на ротор. 3 ил. равных секторах, оси которых парал

Изобретение относится к момент ным электродвигателям с неограниченным углом поворота ротора и может быть использовано в прецизионных электроприводах, от которых требует

I

Изобретение относится к электротехнике, в частности к моментным электродвигателям с неограниченным углом поворота ротора, и может быть использовано в прецизионных электроприводах, от которых требуются повышенный ресурс, работы и плавность хода ротора.

Целью изобретения является пЬвы- шение надежности и плавности хода при работе на подвижном основании. На фиг. 1 представлена функциональная схема моментного вентильного электродвигателя у на фиг.2 показан синхронный электродвигатель,поперечное сечениеJ на фиг. 3 - расположение датчиков линейных ускорений.

Моментный вентильный электродвигатель содержит синхронный электродвигатель 1 с фазами 2-9 обмотки якоря и с ротором-индуктором 10, си- нусно-косинусный преобразователь 11 перемножители 12-7.7, сумматоры 28-3 усилители 36-43 мощности, датчики 44-51 тока, датчики 52, 53 линейных ускорений, функциональные преобразователи 54, 55, задатчик 56 момента, масштабный преобразователь 57, сумматоры 58-65, перемножители 66-69, операционные усилители 70-73, источник 74 постоянного сигнала.

Ротор-индуктор 10 механически св з,ан с ротором синусно-косинусного побразователя, синусный и косинусный выходы которого подключены к входам перемножителей 12-19 и 20-27 соответственно.

5

0

35

5

40

50

55

Выходы датчиков 52, 53 подключены к входам функциональных преобразователей 54, 55, выходы которых подключены соответственно к входам перемножителей 66, 68, к инвертирующему входу сумматора 63, к входу сумматора 65 и к входам перемножителей 67, 69, сумматора 62, к инвертирующему входу сумматора 64. Выход источника 74 постоянного сигналя подключен к входам сумматоров 58-61, вторые входы которых подключены к выходам операционных усилителей 70-73, а выходы - к вторым входам перемножителей 66-69 соответственно, выходы которых подключены к входам операционных усилителей 70, 71 и к инвертирующим входам операционных усилителей 72, 73. Выходы операционных усилителей 70-73 подключены к их вторым инвертирующим входам. Выход задатчика 56 момента через масштабный преобразователь 57 соединен с вторыми входами сумматоров 62-65.

Выходы операционных усилителей 70-73 подключены к вторым входам перемножителей 12, 20i 14,22; 16,24;

подключены к вторым инвертирующим входам сумматоров 28, 30, 32, 34.

Выходы сумматоров 28-35 подключены к входам усилителей 36-43 мощности соответственно. Их выходы подключены к фазам 2-9 обмотки якоря через входы датчиков 44-51 тока соответственно, выходы которых подключены к вторым инвертирующим входам усилителей 36-43 мощности.

Фазы 2,3; 4,5; 6,7J 8,9 якоря занимают на статоре четыре сектора I-IV, оси соседних секторов пзаим- но перпендикулярны. Оси датчиков 52, 53 ускорения параллельны осям секторов 1,3 и секторов 2, 4 соответственно. Фазы 3, 5, 7, 9 опережают фазы 2 , 4, 6, 8 соответственно на (Г/2 эл.рад.

Функциональные преобразователи 54 55 реализуют функпзш, определяемые равенствами:

мые датчиками 52, 53. Синхронный электродвигатель 1 имеет на статоре двухфазную разделенную на четыре сектора (I-IV) с фазами 2,3} 4,5, 6,7, 8,9 соответственно обмотку и ротор-индуктор 10. Оси двух соседних секторов взаимно перпендикулярны. Датчики 52 и 53 линейных ускорений установлены неподвижно относительно статора и их оси параллельны осям секторов I, III и II, IV соответственно. Число пар полюсов ротора-индуктора 10 делится на четыре (на фиг.З р 8). Фазы 3, 5, 7, 9 сдвинуты относительно фаз 2, 4, 6, 8 на 90 эл.град. в положительном направлении. Один сектор обмотки якоря образует р/2 полюсов. Крестиками и точками показаны положительные направления токов фаз. Показаны направFrf

ления тангенциальных V ftf , F4Ј и радиальных F4t, , F2l., , F4t, электромагнитным сил. Представлены эквивалентные токи возбуждения ротора-индуктора ij, а также продольные i1cj , iicj , i , i4cj и поперечные

,, , J составляющие сиг- темы токов всех четырех секторов. То246176

ки возбуждения и продольные составляющие токов якоря изображены совпадающими по направлению с радиальными силами, а поперечные составляющие токов якоря - с тангенциальными силами, которые они создают. Показаны направления радиальных усилий ротора Fx и FU на подшипники под действием

Ю линейных ускорений а и а ц.

Моментный вентильный электродвигатель работает следующим образом.

Задатчик 56 момента вырабатывает сигнал, пропорциональный требуемому

15 моменту Мо, который , проходя через масштабный преобразователь 57 с коэффициентом преобразования 1/4гс, где

0

5

г - наружный радиус ротора-индуктора, с - постоянный коэффициент, поступает на первые входы сумматоров 62-65 в виде сигнала, пропорционального множителю Лагранжа fl. . Датчики 52 и 53 линейных ускорений вырабатывают сигналы, пропорциональные ускорениям а х и а,. но и равные Рх и F

соответственР„ па

X

0

где Fj(

FSf

3

V

па

Ч

усилия, действующие на ротор согласно линейным ускорениям ад и аи, m - масса подвижных частей. Эти сигналы поступают на функциональ- 5 ные преобразователи, которые реализуют функции:

г V (FX)

ft} Ц (),(2)

0

представленные в неявном виде:

126

5

(1 -А|а)г

2М2 (1 -fl|a)2

-

Vе;

271, Tjc ,

(3)

(4)

где ftz. Aj- множители Лагранжа; i. - приведенный ток возбуждения обобщенной электрической машины} а - постоянный коэффициент. Источник 74 постоянного сигнала вырабатывает сигнал, пропорциональ- ,ный ie, который поступает на первые входы сумматоров 58-61. С выходов этих сумматоров сигналы поступают на вторые входы перемножителей 66- 69 соответственно, а на первые входы

71

перемножителей 66, 68 и 67, 69 поступают сигналы, пропорциональные Д и Л соответственно. Сигналы с выходов перемножителей 66,67 и 68,69 поступают на первые входы операционных усилителей 70, 71 и на первые инвертирующие входы операционных усилителей 72, 73 соответственно. С их выходов сигналы поступают на вторые входы сумматоров 58-61 соответственно. Четыре функциональных узла, каждый из которых состоит из сумматора, перемножителя и операционного усилителя, формируют продольные токи iAj , i4d, ijj, i4d в соответствии с уравнениями:

. Н

Id

1 -Ъга

(5)

ft a

1 + fl«a

-Ь

-ъ.

(6)

(7)

(8)

Одновременно сигнал, пропорциональный Ал поступает на второй инвертирующий вход сумматора 63 и на вто- рой вход сумматора 65,, а сигнал, пропорциональный Tlj , поступает на второй вход сумматора 62 и на второй инвертирующий вход сумматора 64. На выходе сумматоров 62-65 формируются поперечные токи i-, ig, в соответствии с уравнениями:

(9) (10)

(11) (12)

+ Ъъ j i /Л, - 1}

щ - ;

14 в +/Л«- Синусно-косинусный преобразователь механически связан с ротором-индуктором 10 и вырабатывает сигналы, прпорциональные sin об и cosO, где - угол поворота ротора-индуктора. Сигнал, пропорциональный sin Об, поступает на первые входы перемножителей 12-19, а пропорциональный cosO --на первые входы перемножи

.г г«

i4

0

5

0 5

0

г

78

телей 20-27. На вторые входы перемножителей 12 и 20, 13 и 21, 14 и. 22, 15 и 23, 16 и 24, 17 и 25, 18 и 26, , 19 и 27 поступают сигналы, пропорциональные i, 12,,), i-щ, ijcj, , i4a соответственно. С выходов перемножителей 20-27 сигна- лы поступают на первые входы сумматоров 28-35 восьми каналов формирования якорных токов. На вторые инвертирующие входы сумматоров 28, 30, 32, 34 и на вторые входы сумматоров 29, 31, 33, 35 поступают сигналы с перемножителей i 3 , 15, 17, 19 и 12, 14, 16, 18 соответственно. На выходах сумматоров 28-35 формируются требуемые оптимальные токи, if, , ifu

.О о .с «О .0

г2& 1-9А Ч& г4А ЧВ которые сформированы синусно-косинусными преобразователями 11, перемножителями 12-27, сумматорами 28-35 в соответствии с известными формулами:

1Д ijcosoi- } 1„ i sinoi + i.cos oi ,

Эти токи, проходя через усилители мощности, запитывают восемь фаз якорной обмотки и обеспечивают создание тангенциальных (F, F, Fyj., F4-j) и радиальных (V(r , F2r , F,r , F) электромагнитных сил, действующих на ротор в каждом секторе и удовлетворяющих следующим условиям:

F, +F M0/r; (13) F Ј-F3t, +F4Ј -F FX) (14) Fur-F4r -F,C F9 15)

8результате создаются требуемый момент Мл и радиальные усилия, разгружающие подшипники от действия сил инерции при минимальных потерях в обмотке якоря.

Равенства с (1) по (12) получаются в результате рещения задачи на ус ловий экстремум с тремя ограничениями типа равенства (13), (14),(15), которая решается методом множителей

Лагранжа: найти токи i

М

L2d

г1о, Hd 4d г4 удовлетворяющие соотношениям:

г min

(16) (17)

Vx f(H+ (ib + + Ц V °;

.)

V fo V - H+V1 +(i

где VQ - функция дели,

V V V/W X

Vur - ограничения типа равенства

Здесь уравнение (16) соответствует условию минимума потерь в обмотке якоря, уравнение (17) - получению требуемого электромагнитного момеита М0 (условие 13), а уравнения (18) и (19) - условию равновесия приложенных к ротору радиальных сил (условия 14 и 15). Функция Лагранжа и . условия ее стационарности по токам имеют вид

V 0,5 V0 - VVM - VK-V stPt;

1;ld

V(ii + ЧР °3 -V(H + y °;

X2d

Ј3j i9d) 0;

i4J n,a(ib + ) 0;

8i}- , ,-0;

9V- ; Л Л - 0

9iH LH 4 u

Откуда получаем:

V °;

.)

V - Vе °;

(18) (19)

i-ц - Аг ЈН Ъ, Ъг ,

Mq, .1 + 4 Подставляя значения токов в уравнения (16-19), получим:

(Ю)

(11) (12)

5

20

(1 ) 3

Синусно-косинусный преобразователь угла может быть выполнен в виде си- нусно-косинусного вращающегося трансформатора и двух фазочувствитель- ных вьтрямителей. Перемножители, операционные усилители и сумматоры могут быть выполнены на интегральных микросхемах. Функциональные чпреобразователи могут быть выполнены на операционных усилителях с диодными цепочками или на ПЗУ.

Таким образом, благодаря введению двух датчиков линейных ускорений, а также четырнадцати блоков перемножения, восьми сумматоров, четырех операционных усилителей, двух функциональных преобразователей, связанных определенным образом, в якорной обмотке формируются токи, которые кроме требуемого электромагнитного момента создают электромагнитные си-, лы, разгружающие подшипники от радиальных усилий со стороны ротора, возникающих под действием ускорений, действующих на двигатель, в том числе ускорения земного тяготения. г

Изобретение позволяет увеличить ресурс работы моментного электродвигателя постоянного тока и повысить плав- ность хода ротора при сохранении положения оси ротора относительно, статора и минимуме потерь при работе на подвижном основании.

Формула изобретения

Моментный вентильный электродвигатель, содержащий электромеханиче 11

ский преобразователь с якорной обмоткой на статоре из восьми фаз и размещенной на четырех рапных секторах по две фазы на каждом, четные фазы сдвинуты в сторону опережения по направлению вращения относительно нечетных фаз на /2 эл.рад. и с ротором-индуктором, механически связанным с валом Синусно-косинусного преобразователя угла, восемь каналов формирования якорных токов, каждый из которых содержит сумматор, выход которого подключен к неинвертирующему входу усилителя мощности, а к его инвертирующему входу подключен выход датчика тока, к входу которого и к выходу усилителя мощности подключена соответствующая фаза якорной обмотки, два перемножителя и за- датчик момента, отличающий. с я тем, что, с целью повышения надежности и плавности хода при работе на подвижном основании, введены источник постоянного сигнала, четыре операционных усилителя, восемнадцать перемножителей, восемь сумматоров, два функциональных преобразователя и два датчика линейных ускорений, оси первого и второго датчиков паралель- ны осям первого и второго секторов соответственно, выходы перемножителей с первого по восьмой подключены к первым входам сумматоров с первого по восьмой каналов соответственно, выходы девятого, одиннадцатого, тринадцатого и пятнадцатого перемножителей подключены к вторым входам сумм аторов второго, четвертого, шестого, восьмого каналов соответст- венно, а выходы десятого, двенадцатого, четырнадцатого и шестнадцатого перемножителей подключены к вторым инвертирующим входам сумматоров первого, третьего, пятого и седьмого каналов соответственно, косинусный и синусный выходы синусно-косинусно- го преобразователя подключены к первым входам перемножителей с первого по восьмой и с девятого по шестнад- цатьтй соответственно, операционные усилители с первого по четвертый охвачены каждый глубокой отрицательной обратной связью на вторые входы а их выходы подключены к вторым вхо- дам перемножителен первого и девятого, третьего и одиннадцатого, пятого и тринадцатого, седьмого и пятнадцатого соответственно, а также

0 5 0 ,д 0 с

5

2 Ьаг1| (1 )

2 Азаг1|

(1 -fl|aO

где Д2, л - множители Лангранжа задачи на условный экстремум ,

-постоянный коэффициент;

-эквивалентный ток возбуждения ротора-инлукто- Р-т,

-масга подвижных частей;

т + тад/с-, + 2 Ц та и/с

т

131624617

с - Коэффициент,связывающий поперечную составляющую i

1

14

тока сектора с тангенциальной силой.

J

ФЬг.1