Моментный вентильный электродвигатель Советский патент 1992 года по МПК H02K29/06 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к моментным электродвигателям с неограниченным углом поворота ротора, может быть использовано в прецизионных электроприводах, от которых требуются повышенный ресурс работы и плавность хода ротора, и является усовершенствованием изобретения по авт.св. № 624617.

Известен двигатель, в котором собственные функции конструктивно и функционально совмещены с системой подвеса ротора, использующей электромагнитные силы отталкивания.

Недостатками данного двигателя являются подвижность ротора в радиальном и осевом направлениях относительно статора, что ограничивает применение данного двигателя в прецизионных системах, и повышенный расход энергии в обмотке якоря.

Известен двигатель, в котором собственные функции конструктивно и функционально совмещены с системой электромагнитной компенсации силы тяжести ротора. Положение оси ротора относительно статора неизменно.

Недостатком указанного двигателя является то, что в нем происходит компенсация только веса ротора, в то время как другие радиальные силы инерции, действующие на опоры вращения, не компенсируются.

Наиболее близким к предлагаемому двигателю по функциональным и конструктивным признакам является моментный вентильный электродвигатель, который содержит синхронную электрическую машину, состоящую из статора с якорной обмоткой и ротора-индуктора, восемь каналов формирования якорных токов, синусно- косинусный преобразователь угла, механически связанный с ротором-индуктором, двадцать перемножителей, восемь сумматоров, четыре операционных усилителя, два функциональных преобразователя, два датчика линейных ускорений, задатчик момента, масштабный преобразователь и источник постоянного сигнала. Якорная обмотка размещена на четырех секторах, а в каждом секторе расположены две фазы, сдвинутые одна относительно другой на п /2 электрических радиан, образуя восемь фаз по порядку, каждая из которых включена в соответствующий канал формирования якорных токов. Благодаря определенным связям двух датчиков линейных ускорений задатчика момента и синусно-косинусного преобразователя угла с функциональными блоками, в якорной обмотке формируются токи, создающие требуемый электромагнитный момент и электромагнитные силы, компенсирующие внешние радиальные силы инерции, приложенные к двигателю под воздействием линейных ускорений, при минимуме потерь мощности в якорной обмотке.

Недостатками известного двигателя являются низкие надежность и плавность хода, связанные с тем, что его опоры

вращения работают в нагруженном режиме под воздействием сил, возникающих в результате того, что центр масс узлов, размещенных на валу двигателя, не лежит в плоскости поперечного сечения, проходящей через середину активной зоны двигателя.

Целью изобретения является повышение надежности двигателя и плавности хода ротора при минимуме потерь в обмотке якоря и сохранении положения оси ротора относительно статора неизменным путем создания электромагнитных сил, компенсирующих действия радиальных сил, возника- ющих из-за того, что центр масс всех узлов,

закрепленных на валу, не расположен в плоскости поперечного сечения проходящей через середину активной зоны двигателя.

Указанная цель достигается тем, что в моментный вентильный электродвигатель

введены третий и четвертый функциональные преобразователи, четыре масштабных преобразователя, второй электромеханический преобразователь с системой управления, выполненные идентично первым.

Ротор введенного электромеханического преобразователя расположен на одном валуе ротором первого электромеханического преобразователя, симметрично относительно нагрузки. Выход первого датчика линейных ускорений через введенные второй и четвертый масштабные преобразователи с коэффициентами преобразования

45

Ki

m И

соответственно подключен к входам первого и третьего функциональных преобразователей, Выход второго датчика линейных

ускорений через введенные третий и пятый масштабные преобразователи с коэффициентами преобразования KI и Ки соответственно подключен к входам второго и четвертого функциональных преобразователей. Выходы третьего и четвертого функциональных преобразователей подключены к перемножителям и сумматорам второй системы управления аналогично тому как выходы первого и второго функциональных

преобразователей подключены к идентичным перемножителям и сумматорам первой системы управления. Введенные функциональные преобразователи выполнены с возможностью реализации функций

0i()

соответственно определяемых равенствами

2 А2 а2 ||

,

(1 -Ж

+ 2A2

)

где А2 Аз - множители Лагранжа задачи на условный экстремум;

Wx, Wy - линейные ускорения датчиков линейных ускорений;

ib эквивалентный ток возбуждения ротора индуктора;

С - коэффициент, связывающий поперечную составляющую тока сектора с тангенциальной электромагнитной силой;

а - постоянный коэффициент;

KI и Кн - коэффициегты преобразования второго и четвертого масштабных преобразователей;

m - масса вала и всех узлов, размещенных на нем;

li и In - расстояния по оси вращения от центра масс УЗЛОВ, размещенных на валу до середины активных зон первого и второго электромеханических преобразователей соответственно.

На фиг. 1 представлена кинематическая схема расположения двух электромеханических преобразователей (ЭМП) и нагрузки; на фиг. 2- ЭМП, поперечное сечение; на фиг. 3 - функциональная схема моментного вентильного электродвигателя (МВД).

Оба ЭМП 1 и 2 (фиг.1) состоят из статоров 3 и роторов-индукторов 4, которые размещены на одном валу 5 с нагрузкой 6 между ними. Центр масс вала и всех узлов, размещенных на нем, расположен в точке О и совпадает с центром декартовой системы координат, ось z которой совпадает с осью вала 5. По осям х и у расположены датчики линейных ускорений Wx 7 и Wy 8, по осям х и у показаны радиальные силы инерции Fx и Fy, вокруг оси z - требуемый электромагнитный момент М0. Статоры каждого ЭМП разделяются на четыре равных сектора (I,. I, III, IV), таким образом, что оси I и III секторов

параллельны оси х, а оси II и IV секторов параллельны оси у. По осям этих секторов в плоскостях, проходящих через середины активных зон каждого ЭМП, показаны векторы электромагнитных радиальных Fkr и тангенциальных F сил, когда k и j - порядковые номера секторов и ЭМП соответственно (k 1,2,3,4, j - I и II). Расстояния от плоскостей, проходящих через середины ак0 тивных зон каждого ЭМП до начала координат, h и In соответственно.

ЭМП 1 (фиг.2) содержит статор 3 и ротор-индуктор 4. На одном основании со статором по осям х и у расположены датчики

5 ускорений Wx 7 и Wy 8. Двухфазная якорная обмотка статора 3 расположена на четырех секторах I-IV с фазами 9 и 10, 11 и 12, 13 и 14, 15 и 16 соответственно. Оси двух соседних секторов взаимно перпендикулярны.

0 Фазы 10, 12, 14 и 16 сдвинуты относительно фаз 9, 10, 13 и 15 на л 12 электрических радиан в положительном направлении. Крестиками и точками показаны положительные направления токов фаз. Показаны

5 направления тангенциальных Fin F4r и

радиальных Fi r электромагнитных

сил. Представлены эквивалентный ток возбуждения ротора-индуктора 4 ь , а также продольные iid, .,l4d и поперечные

0 iiq.-. составляющие систем токов всех четырех секторов. Токи возбуждения и продольные составляющие токов якоря изображены совпадающими по направлению с радиальными силами, а поперечные состав5 ляющие токов якоря - с тангенциальными силами, которые они создают. Показаны положительные направления усилий ротора Fx и Fy на опоры вращения под действием линейных ускорений Wx и Wy,

0Моментный вентильный электродвигатель (МВД) содержит два идентичных ЭМП 1 и 2 (фиг.З), каждый из которых состоит из статора 3 и ротора-индуктора 4, два датчика линейных ускорений Wx 7 и Wy 8, на стато5 pax 3 обоих ЭМП расположена якорная обмотка с фазами 9-16, синусно-косинусный преобразователь 17, источники 18 постоянного сигнала, задатчик 19 момента, функци- ональные преобразователи 20-23,

0 масштабные преобразователи 24-28, системы (СУ) управления 29 и 30.

Каждая из СУ состоит из усилителей 31- 38 мощности, датчиков 39-46 тока, сумматоров 47-62, перемножителей 63-82 и

5 операционных усилителей 83-86.

Роторы-индукторы 4 каждого ЭМП механически связаны с ротором синусно-коси- нусного преобразователя 17 угла, синусный и косинусный выходы которого подключены к входам перемножителей 71-78 и 63-70 соответственно обеих СУ (29 и 30). Выходы датчиков 7 и 8 линейных ускорений через масштабные преобразователи 25, 26 и 27, 28 подключены к входам функциональных преобразователей 20, 21 и 22, 23 соответственно. Выходы функциональных преобразователей 20 и 22 подключены к входам перемножителей 79, 81 и 80, 82, к входам сумматоров 58 и 55, инвертирующим входам сумматоров 56 и 57 соответственно СУ 29. Выходы функциональных преобразователей 21 и 23 подключены к входам аналогичных блоков СУ 30. Выход источника 18 постоянного сигнала подключен к входам сумматоров 59-62 обеих СУ (29 и 30), вторые входы которых подключены к выходам операционных усилителей 83-86, а выходы подключены к вторым входам перемножителей 79-82 соответственно. Выходы перемножителей 79 и 80 подключены к входам операционных усилителей 83 и 84, а выходы перемножителей 81 и 82 - к инвертирующим входам операционных усилителей 85 и 86 соответственно, Выходы операционных усилителей 83-86 подключены к их вторым инвертирующим входам. Выход задатчика 19 момента через масштабный преобразователь 24 с коэффициентом преобразования 1/8 RC, где R - средний радиус воздушного зазора ЭМП, С - коэффициент, связывающий поперечную составляющую тока сектора с тангенциальной силой, соединены с вторыми входами сумматоров 55- 58 каждой СУ (29 и 30). Выходы операционных усилителей 83-86 подключены к вторым входам перемножителей 71 и 63, 73 и 65, 75 и 67, 77 и 69 соответственно, а выходы сумматоров 55-58 - к вторым входам перемножителей 72 и 64, 74 и 66, 76 и .68, 78 и 70 соответственно. Выходы перемножителей 60-70 подключены ко входам сумматоров 47-54 соответственно. Выходы перемножителей 71,73,75и 77 подключены к вторым входам сумматоров 48, 50, 52 и 54 соответственно. Выходы перемножителей 72, 74, 76 и 78 подключены к вторым инвертирующим входам сумматоров 47, 49, 51 и

53соответственно. Выходы сумматоров 4754подключены к входам усилителей 31-38 мощности соответственно. Выходы усилителей 31-38 мощности подключены к фазам 9-16 обмотки якоря соответствующего ЭМП через входы датчиков 39-46 тока соответственно, выходы которых подключены к вторым инвертирующим входам усилителей 31-38 мощности. Функциональные преобразователи 20-23 реализуют функции, определяемые равенствами

2AVgi§ + FX/C

(1-АЈ)2а2)2

. (1-АЈ) а2)2

F/C (1-ЯЈ)2а2)2

2Лз а212. +2Aij Fii/c (1 -rf )

a2)2

где Лг 2 Лз АЗ - множители Лагранжа за- дачи на условный экстремум;

а - постоянный коэффициент;

Fx , Fx, Fy , Fy - доли радиальных сил инерции по осям х и у, которые действуют на ЭМП 1 и 2.

Fx1 Fy , Fy - определяются в соответствии с равенствами

,

30

F -K, 1-х -К| с

35

Wy

С

Fy Кп

Wx С

KI и Кп - коэффициенты преобразования 40 масштабных преобразователей 20, 22 и 21, 23 соответственно, которые определяются в соответствии с равенствами

45

К|

m fu

Кп

m fn F+Ш

где ft и fti - расстояние от плоскостей поперечных сечений, проходящих через середины активных частей соответствующих ЭМП, до центра масс всей системы;

m - масса вала и всех узлов, размещен- ных на нем.

Моментный вентильный электродвигатель работает следующим образом.

Задатчик 19 момента вырабатывает сигнал, пропорциональный требуемому моменту М0, который, проходя через масштабный

преобразователь 24 с коэффициентом преобразования 1/8RC, поступает на первые входы сумматоров 55-58 СУ 29 и 30 в виде сигнала пропорционального множителя Лагранжа AI . Датчики 7 и 8 линейных уско- рений вырабатывают сигналы, пропорциональные линейным ускорениям Wx и Wy соответственно. Эти сигналы через масштабные преобразователи 25, 27 и 26, 28 с коэффициентами преобразования

к:, -JUlL

14 - -г-:-s- ft + til

И

K,,.mf

d+fti

поступают на функциональные преобразователи 20, 22 и 21, 23 соответственно. Фун- 20 кциональные преобразователи 20-23 реализуют функции

rtFJO А2 р(рЛ) & -p(Fy) № rtF{/)

дставленные в неявном виде

-Ц44- + 2 Р1/С (1-АЈ) а2)2

2 Д|/ FJI/C (1-)

а ; 2АзаЧ

+ 2 Ji Р/С

(1-Аз1) а2)2 +

-Аз)2

(1

,

сумматоров 59-62 СУ 29 и 30. С выходов этих сумматоров сигналы поступают на вторые входы перемножителей 79-82 соответственно, а на первые входы перемножителей 79, 81 и 80, 82 поступают сигналы, пропорциональные соответственно СУ 29

иА2 и Аз СУ 30. Сигналы с выходов перемножителей 79, 80 и 81, 82 поступают на первые входы операционных усилителей 83, 84 и на первые инвертирующие входы операционных усилителей 85, 86 соответственно. С их выходов сигналы поступают на вторые входы сумматоров 59-62 соответственно. Четыре функциональных узла, каждый из которых состоит из сумматора 59, перемножителя 79 и операционного усилителя 83, формируют продольные токи Ист fed1. i3dL Ud1 в СУ 29 и iidl is I, i 4d СУ 30 в соответствии с уравнениями

i id

А1 -AL

ь,

i2d

А

1 -АЬ

i3d .

1 +А|,

ib,

35

,i Аза . - id ib ,

+АЗ,

iVd

A2

1-A2

ib

lid -

Аз

1-Аз1

ib

a

На выходе сумматоров 55-58 формируются поперечные токи Hq1, i2q i ЗдГ i4qi-e СУ

29 И hq J4ql В СУ 30 В СООТВвТСТвии с уравнениями

Использование: в прецизионных электроприводах, от которых требуется повышенный ресурс работы и плавность хода ротора. Сущность изобретения: моментный вентильный электродвигатель содержит два Х%Я электромеханических преобразователей 1 и 2, каждый из которых состоит из статора 3 и ротора-индуктора 4, размещенных на одном валу 5 с нагрузкой между ними, два датчика линейных ускорений 7 и 8, якорные обмотки 9-16, расположенные на статорах, синусно- косинусный преобразователь 17, источник постоянного сигнала 18, задатчик момента 19, функциональные преобразователи 20- 23, масштабные преобразователи 24-28 и системы управления 29 и 30. Каждая система управления состоит из усилителей мощности 31-38, датчиков тока 39-46, сумматоров 47-62, перемножителеи 63-82 и операционных усилителей 83-86. Это позволяет повысить надежность и плавность хода при минимуме потерь в якорной обмотке 3 ил. сл С vi NJ Ч) 4 Ю Ю X 7 IZI I I I I .

С выходов функциональных преобразователей 20 и 22 сигналы, пропорциональные

А2 и Ai , поступают на блоки СУ 29, а с выходов функциональных преобразователей 21 и

23 сигналы, пропорциональные А2 и Аз1 , поступают на идентичные блоки СУ 30.

Источник 18 постоянного сигнала вырабатывает сигнал, пропорциональный ib, который поступает на первые входы

0

5

Hq Al i3q, Al

-At

Ai

ilq 4

W -Ai

+ АЗ

-Аг -Аз + A2 + Аз -A2 Аз + A2

(1)

Синусно-косинусный преобразователь 17 механически связан с роторами-индукторами 4 обоих ЭМП 1 и 2 и вырабатывает сигналы-, пропорциональные sin а и cos a , где а - угол поворота роторов индукторов 4. Сигнал, пропорциональный sin , поступает на первые входы перемножителей 71-78 СУ 29 и СУ 30, а пропорциональный cos a - на первые входы перемножителей 62-70 СУ

29и СУ 30, на вторые входы перемножителей 71 и 63 и 64, 73 и 65, 74 и 66, 75 и 67, 76 и 68, 77 и 69, 78 и 70 поступают сигналы, пропорциональные iid iiql i2dl lag i3di, iaqi, i4d Uq соответственно СУ 29 и hdl Hql1 i2d

i2q, i3dl iSql i4dl - Uql СУ 30. С ВЫХОДОВ

перемножителей 63-70 сигналы поступают на первые входы сумматоров 47-54 восьми каналов формирования якорныхтоков СУ 29 и СУ 30. На вторые инвертирующие входы сумматоров 47, 49, 51 и 53 поступают сигналы с перемножителей 72, 74, 76 и 78, а на вторые входы сумматоров 48, 50, 52 и 54 - с перемножителей 71, 73, 75, 77 соответственно. На выходах сумматоров 47-54 формируются требуемые оптимальные токи

НА01 i2B0l;i3A0lMi3B° -ИД01 |4В° СУ

30И i2B°, iSB0 1 i4A° L

ив° СУ 30, которые сформированы синус- но-косинусным преобразователем 17, перемножителями 63-78, сумматорами 47-54 СУ 29 и СУ 30 в соответствии с известными формулами

IA idcos a - iqsin a-, IB idsin a- + iqcos a-.

Эти токи, проходя через усилитель мощно- сти, запитывают восемь фаз якорной обмотки каждого ЭМП 1 и 2, обеспечивают создание тангенциальных (Ft F2 , Рз , F4 FI Fs , F4 ) и радиальных (F2r F2r Рзг1 F4r F2r электромагнитных сил, действующих на роторы в каждом секторе и удовлетворяющих следующим условиям:

2 Mzj (Fi + F2j + Fsj + F4 j)R - M0j 0; (2)

Ј Fxj Firj - F3rJ + FA j - F2 J - Fxj 0; (3) Ј Fyj - F2rj - F4rj + Fij - F3 j - Fyj 0, (4) где j - номер ЭМП;

Nx Fx Fy - сумма моментов вокруг оси z и сумма электромагнитных сил и сил инерции на осях х и у соответственно для j-ro ЭМП.

Силы инерции, компенсируемые каждым ЭМП, определяются из системы уравнений

Fx + Fx

FX;

Fy + Fy Fy;

10

Fyf,, - Fyfn - 0; Fxf, - 0,

(5)

где Fx, Fy - силы инерции, действующие на оба ЭМП и образованные линейными уско- 15 рениями Wx и Wy в соответствии с равенствами

Fx mWx, Fy mWy

(6)

20 Решая систему уравнений (5) с учетом (6), получим

Fx1 -- KiWx, Fx KiiWx, Fy KiWy. Fy KnWy.

(7)

где KI

m fn

fi + In

Момент нагрузки распределяется между двумя ЭМП поровну: Мс

м I м II Мо Mo - Mo -у-

(8)

Электромагнитные силы, сформированные в обоих ЭМП в соответствии с равенствами (2)-(4), создают требуемый электромагнитный момент и компенсируют действие радиальных сил инерции и радиальных сил, возникающих из-за того, что центр масс вала и узлов, размещенных на нем, не лежат в плоскости поперечного сечения проходящей через середину активной зоны ЭМП, благодаря чему опоры ЭМП разгружаются, что увеличивает ресурс работы двигателя и повышает плавность хода ротора.

Равенства (1) получаются в результате решения задачи на условный экстремум с тремя ограничениями типа равенства методом множителей Лагранжа; найти токи д -г л .1 л ,с Л .S Л л Л .5

,ity L1d l1.L2 l L2tii3ct,

удовлетворяющие соотношениям

«l-iS Wigr

+ 1

;ОГ

VJ

« ч

Id

. mz

f

.

j

I Л Г.. I

-Fi/c-0,(«)

YJ4 i-i/oi-jdf(iH-;H)-ФС j.l.ilC«)

где V0 - функция цели;

VM2J, VFXJ, FpyJ - ограничения типа равенства.

Здесь уравнение (9) - условие минимума потерь в обмотке якоря, уравнение (10) соответствует получению требуемого электромагнитного момента М0 уравнения (2), а уравнения (10) и (11) соответствуют условию равновесия приложенных к ротору радиальных сил по осям х и у (уравнения (3) и (4)). Функция Лагранжа и условия ее стационарности по токам имеют вид

v-o,5vJ iviM 1ftvJFJC ivJY stet,

gwi ,

9Ј/й- 110(Ч + «)-°

d

V- L- ya(ib + iJd)-°

9V2d

Д i i -

ijTr- ld l-oK 0,

чХза(

4o

3Vj ,j i J

,-o,

H 3V , j :

SJT-VV. 0

9vJ H

avi

,,

avF V 0

4(

j.I.II.

ткуда получаем

.i U ,j

J1

w -v;0v

,j ko ,j

rt I I1 t

t7lJ2Q ь

,- ..U.|i 4d p b

4d J

{.

,

1

tf

Подставляя значения токов в уравнения (1012), получим

,

(()a

+ i-pi/c,

(13) 04)

)a ; j

(i- vV+n Fv/c JgI-n (5)

С учетом системы равенств (7) и (8) и принимая во внимание, что оба ЭМП идентичные, 20 выражения (13)-(15) примут вид V - -Me/aRc, (46)

а г«оач

KI.

..«Я

.,fffl

.. f 5)

uH /o it tr KIT /-iri

,EWY (20)

(-«™V)

Множители Лагранжа реализуются в СУ МВД в виде конкретных блоков:

AI - в виде блока масштабного преобразователя 24, a KI , Кг , Аз , Аз - в виде блоков функциональных преобразователей 20-23, функции которых определяются уравнениями 16-19 в неявном виде. Для настройки функциональных преобразователей целесообразно задаться значениями 2,2,Яз,Аз, определить значения Wx и Wy и составить таблицу.

Таким образом, благодаря введению четырех масштабных и двух функциональных,

а также ЭМП и СУ идентичных имеющимся. в якорных обмотках обоих ЭМП формируются токи, которые создают, кроме требуемого электромагнитного момента, электромагнитные силы, разгружающие подшипники

от радиальных усилий со стороны ротора, возникающих под действием линейных ускорений, действующих на двигатель, и под действием моментов, образованных в результате того, что центр масс вала и всех

узлов, размещенных на нем, не расположен в плоскости поперечного сечения, проходящей через середину активных зон ЭМП. Предлагаемое изобретение позёоляет увеличить ресурс работы моментного вентильного электродвигателя и повысить плавность хода ротора при сохранении положения оси ротора относительно статора и минимуме потерь.

Наибольший эффект достигается при условии работы МВД на подвижном основании.

Формула изобретения Моментный вентильный электродвигатель по авт.св. Ns 1624617, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и-плавности хода при минимуме потерь в якорной обмотке, в него введены третий и четвертый функциональные преобразователи, четыре масштабных преобразователя и второй электромеханический преобразователь с системой управления, выполненные идентично первым, ротор,введенного электромеханического преобразователя расположен на одном валу с ротором первого электромеханического преобразователя симметрично относительно нагрузки, выход первого датчика линейных ускорений через введенные второй и четвертый масштабные преобразователи с коэффициентами преобJ .. к,,

соразования KI „ - -у+|Г

ответственно подключен к входам первого и третьего функциональных преобразователей, выход второго датчика линейных ускорений через введенные третий и пятый масштабные преобразователи с коэффициентами преобразования К| и Кц соответственно подключен к входам второго и четвертого функциональных преобразователей, выходы третьего и четвертого функциональных преобразователей подключены к перемножителям и сумматорам второй системы управления аналогично тому как выходы первого и второго функциональных

преобразователей подключены к идентичным перемножителям и сумматорам первой системы управления, введенные функциональные преобразователи выполнены с возможностью реализации функции

(Wx), (Wy) соответственно определяемых равенствами

ц wx

-STTi - n-T-

()

111 Ml

n WY .

0

5

0

5

1 1 где А.2 , Лз - множители Лагранжа задачи на

условный экстремум;

Wx, Wy - линейные ускорения датчиков линейных ускорений;

IB - эквивалентный ток возбуждения ротора индуктора;

С - коэффициент, связывающий поперечную составляющую тока сектора с тангенциальной электромагнитной силой;

а - постоянный коэффициент;

KI и Км - коэффициенты преобразования второго и четвертого масштабных преобразователей;

m - масса вала и всех узлов, размещенных на нем;

Pi, PII - расстояние на оси вращения от центра масс узлов, размещенных на валу до середины активных зон первого и второго электромеханических преобразователей соответственно.

,%

Фиг 1

8