Вентильный электродвигатель Советский патент 1980 года по МПК H02K29/02 

t

Изобретение относится к специаль ным электрическим машинам и может быть использовано в реверсивных электроприводах малой мощности.

Известны вентильные электродвига- 5 тели ВД , состоящие из электрической машины с вращающимся индуктором датчика положения ротора с чувствительными элементами типа дроссель насыщения, бесконтактного коммута- Ю тора,- подключающего секции якорной обмотки машины к источнику питания в функции сигналов датчика положения ротора и преобразователя постоянного напряжения в переменное высокой 5 частоты. Управление транзисторами коммутатора производится непосредственно выпрямленными с-чгналамУ1 датчикаположения ротора, без промежуточного их усиления и преобразования. 20 Транзисторы подключают секции якорной обмотки к источнику постоянного тока Ш.

Такой ВД имеет существенный не- 25 достаток: при вращении ротора электродвигателя дроссели датчика положения ротора периодически переходят из ненасыщенного состояния в насыщенное и наоборот, I процессе 30

перехода дросселя насыщения из одного состояния в другое соответствующий транзистор коммутатора находится в энергетически напряженном усилительном режиме работы с большим тепловыделением. Это ведет к увеличению массы и габаритов коммутатора, а также снижает надежность устройства.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является ВД, содержащий роуор, статор с обмоткой якоря, каждая секция якорной обмотки которой получает питание от отдельного ключа, управляемого с выхода формирователя сигналов датчика положения ротора. Количество формирователей равно числу чувствительных элементов типа дроссель насьащения датчика положения ротора. Формирователь представляет собой асинхронный RS-триггер, на первый вход которого подаются импульсы с дросселя насы- щения, предварительно усиленные и инвертированные, на второй вход через элемент совпадения и подаются выходные сигналы двух последующих (по порядку переключения) триггеров. Асинхронный триггер в каждом канале .управления обеспечивает надежную и .экономичную работу усилителя по принципу включен-выключен с практически м1новенным переходом из одного состояния в другое. Однако построение схемы управления триггерами выполнен неэффективно 2J. Применение данного устройства в реверсивном электроприводе затруднен так как в момент смены направления вращения ротора электродвигателя нарушается логика вьаделения сигнала на BtopOM входе RS-триггера (в этот момент времени последующий триггер по очередности включения становится предыдущим). Кроме того, возможно такое исходное положение ротора электродвигателя перед пуском, когда импульсы подаются на вход только одного RS-триггера. Остальные триггеры уста навливаются в произвольное устойчивое состояние и поэтому могут сформировать на входах усилителей ложную комбинацию управляющих сигналов, ко торая ведет к неверному подключению секций якорной обмотки. По этой при чине ротор электродвигателей начнет поворачиваться в направлении, обратном заданному или. вообще не ронется Цель изобретения - расширение об ласти применения за счет обеспечения нгщежного пуска ВД и использова ние его как в реверсивном, так и нереверсивном приводе. Цель достигается за счет дополне ния ВД блоком из трех схем временно задержки, подключенных последовател но друг к ЛРУгу и синхронизированных с положительной полуволной переменного напряжения на обмотках дросселей, при этом выход первой временно задержки подключен ко. второму входу первой схемы совпадения, а выход третьей временной задержки подключе ко второму входу второй схемы совпа дения в каждом канале формирования сигналов датчика положения ротора. На фиг. 1 представлена принципиальная схема ВД} на фиг. 2 - диаг paMNBj напряжений на основных элемен тах схемы. ВД содержит источник 1 постоянно го напряжения, преобразователь 2 постбянного напряжения в переменное высокой частоты (около 20 кГц), датчик 3 положения ротора, состоящий из диэлектрической немагнитной втулки 4 и жестко сочлененного с BaioM электродвигателя постоянного магнита 5 секторообразной формы. Втулка 4 содержит чувствительные элементы 6-3 типа дроссель насыщения, резисторы 9-12, транзисторы 13 и 14 проводимости п-р-п, элемент НЕ 15 и 1б, двухвходовые элементы 17-20 совпадения 2И-НЕ RS-триггеры 21-и 22 с инверсными входами, однотипные формирователи 23-25 выходных сигналов дросселей насыщения; бесконтактные ключи 26-28 коммутатора 29, электродвигатель 30 с трехсекционной лучевой якорной обмоткой А, В,С и вращающимся электродвигателем 31, однотипные схемы 32-34 временных задержек. ВД выполнен с трехсекционной лучевой якорной обмоткой А,В,С, подключаемой к источнику 1 питания с помощью бесконтактных ключей 26-28 коммутатора 29 в функции углового положения ротора. Для этого с валом электродвигателя 30 сочленен датчик 3 положения ротора, который является индикатором углового положения ротора с электрическими ч ыходными сигналами. Конструктивно он туэедставляет собой втулку 4, в прорезях которой расположены дроссели насыщения 6-8. Прорези на втулке расположены на дуге длиной /Э60/р- 560/р п)геометрическйх градусов , через 2 60/рп геометрических градусов, где р - число пар полюсов электродвигателя; rt - число секций якорной обмотки.Внутри втулки вращается постоянный магнит 5, жескто сочлененный с ротором электродвигателя 31. Постоянный магнит имеет форму сектора щириной ЗбО/рп геометрических градусов. Число секторов постоянного магнита равно числу пар полюсов электродвигателя. Втулка зафиксирована относительно статора электродвигателя. При вращении ротора электродвигателя магнитный поток постоянного магнита 5 поочередно пронизывает сердечники дросселей 6-8, насыщая их. Величина вольтсекундных площадок полуволн переменного напряжения на обмотке дросселя зависит от степени насыщения его сердечника. В формирователях 23-25 осуществляется преобразование вольтсекундных площадок напряжения в однополярные импульсы, появляющиеся при насыщении соответствующих дросселей 6-8. В состав формирователя входит транзистор 14 проводимости п-р-п,параллельно переходу база-эмитте э которого подключена обмотка дросселя 8. Транзистор выполняет функции индикатора напряжения положительной полярности на обмотке дросселя и дополнительно своим переходом базаэмиттер ограничивает рабочее напря.жение дросселя на уровне (0,8-1,0) в . Коллекторный вывод транзистора подключен на первые входы элементов совпадения 18 и 20: ко входу элемента совпадения18 подключен непосредственно, а ко входу элемента совпадения 20 - через элемент НЕ 16. На вторые .входы элементов совпадения подключены выходы блока временных задержек 32 и 34. Импульсами с выхода элементов совпадения 18 и 20 управляется асинхронный RS-тригтер 22, который, в свою очередь, включает или выключает бесконтактный

ключ 28 коммутатора 29, непосредственно или через усилительно-логические элементы (изображены на фиг.1 пунктирной линией). Устройство содержит три однотипных формирователя по одному на каждый дроссель насыщения и бесконтактный ключ.

БЛОК схем временных задержек 32-34.формирует три прямоугольных импульса, следующих один за другим, первый из .которых, с выхода схемы задержки 32, синфазен с передним фронтом положительной полуволны переменного напряжения на обмотке дроселей. Для этого выход первой схемы временной задержки 32 подключен ко входу второй временной задержки 33, выход второй - ко входу третьей 34, а переменное напряжение со второго выхода преобразователя 2 подается на вход первой из схем временной задержки. Кроме того, выход первой схмы временной задержки подключен ко вторым входам всех элементов совпадения, имеюцщх непосредственную связь с транзисторами в формирователях, а выход третьей схемы временной задержки подключен ко вторым входам всех элемеятов совпадения, имеющим связь с теми же транзисторами через элемент НВ.

Схема временной задержки может быть выполнена, например, на одном транзисторе проводимости п-р-п, включенном по схеме с общим эмиттером и смещенном в открытое состояние по цепи базы. К базовому выводу транзистора подключен времязадающий конденсатор. Второй вывод конденсатора является входом временной задержки, а выходом ее : служит коллекторный вывод транзистора. Диод на входе первой задержки служит для закорачивания входа при действии отрицательной ПО.ПУВОЛНЫ переменного напряжения.

Преобразователь 2 постоянного напряжения в переменное высокой частоты выполнен по известной схеме Ройера и необходим для питания дросселей насыщения датчика положения ротора, синхронизации работы схем временных задержек с положительной полуволной переменного напряжения н обмотках дросселей, а также для питания схемы формирователя и коммутатора пониженным постоянным напряжением с целью снижения потерь мощности. Для этого к обмоткам выходного трансформатора подключены выпрямительные диоды и фильтрующий конденсатор.

Работа ВД происходит следующим образом.

В исходном состоянии ротор электродвигателя 31 занимает произвольное положение. Сочлененный с ним постоянньпЧ магнит 5 датчика 3

положения ротора насыщает один или два дросселя. Пусть, например, насы щек дроссель 7. При подаче литания от источника 1 постоянного напр яжения запускается преобразователь 2, формирующий на обмотках трансформатора переменное напряжение прямоугольной формы. Переменное напряжение с выхода преобразователя подается через резисторы на вход блока временных задержек и на дроссели 6-8.

0 Под действием переменного напряжения на выходе схемы временной задержки 33 формируются единичные импульсы, .передний фронт которых совпадает по фазе с передним фронтом положитель5ной полуволны переменного напряжения а обмотке дросселей. Длительность импульса определяется параметрами RS-цепочки схемы временной задержки 32. и составляет около 1/6 периода частоты преобразователя 2. На выхо0дах второй и третьей схем 33 и 34 временной задержек также формируются единичные импульсы, которые следуют друг за другом. Длительность второго импульса составляет примерно 1/8

5 периода частоты преобразователя, а длительность третьего - 1/6 периода. Единичные импульсы с выхода первой и третьей схем задержек подаются на вторые входы элеменуов 17 и 19 совпа0дения соответственно. В исходном состоянии устройства дроссель 7 насыщен и сопротивление его обмотки мало. Переменное напряжение, подаваемое с выхода преобразователя на

5 обмотку дросселя, падает на резисторе 9. Переход база-эмиттер транзистора 13 накоротко зашунтирован омическим сопротивлением насыщенного дросселя 7. Транзистор 13 надежно закрыт и единичный сигнал с его

0 коллекторного вывода подается на первый вход элемента совпадения 17 и на вход элемента НЕ 15, с выхода которого нулевой сигнал подается на первый вход элемента совпгадения

5 19. Наличие нулевого сигнала на первом входечэлемента И-НЕ 19 обуславливает единичный сигнал на его выходе и соответственно на R входе триггера 21. В моменты совпадения

0 единичных сигналов на входах элемента 17 на его выходе появляются нулевые импульсы, первый из которых устанавливает RS-хриггер 21 в единичное состояние (на выходе f)

5 триггера появляется единичный сигнал) , Напряжение с выхода триггера непосредственно или через вспомогательные элементы открывает бесконтактный ключ 27 коммутатора 29. Бесконтактные ключи 26 и 23 закры0ты, так как дроссели 6 и 8 кенасыщены и триггеры в формирователях 23 и 25 находятся в нулевом состоянии. Через открытый ключ 27 к

5 секции якорной обмотки прикладывается напряжение от источника 1. По секции начинает протекать ток, при взаимодействии которого с полем индуктора 31 возникает вращающий момент. Ротор электродвигателя приходит в движение. При ротора электромагнитное поле постоянного магнита датчика положения ротора начинает пронизывать сердечник дросселя 8, подмагничивая его.

На первом этапе насыщения дросселя 8 не происходит, так как величина подмагничивающего поля не превосходит разности между потоком насыщения сердечника Фд и амплитуным значением потока в сердечнике, вызванного действием приложенного к обмотке- переменного напряжения в положительный полупериод. Индуктивное сопротивление дросселя 8 велико и почти все переменное напряжение с выхода преобразователя прикладывается к переходу база-эмиттер транзистора 14. Транзистор 14 в такт с положительной полуволной переменного напряжения открывается, формируя нулевые импульсы на коллекторном выводе. Нулевые импульсы поступают на входы элемента совпадения 18 и элемента НЕ 16, на выходе последнег они становятся единичными. Единичные импульсы на первом входе элемента И-НЕ 20 совпадают с единичными импульсами, поступаюпщми с выхода третьей схемы 34 временной задержки В моменты совпадения единичных импульсов на выходе элемента 20 появляются нулевые импульсы, которые, присутствуя на R входе триггера 22, надежно удерживают его в нулевом состоянии. В нулевое состояние триггер 22 совместно с триггером ,формирователя 23 переходит сразу поле подключения устройства к источнику питания 1. По мере дальнейшего поворота ротора электродвигателя величина магнитного потока постоянного магнита возрастает настолько, что дроссель 8 начинает насыщаться в конце полупериода положительной пЬлуволны переменного напряжения, В момент насыщения дросселя 8 транзистбр 14 закрывается, оставаясь в этом состоянии в течение действия отрицательной полуволны напряжения. Пропорционально моменту насьвцения др(сселя 8 сокращается длительность нулевых импульсов на выходе транзистора 14 и, соответственно, единичных на выходе элемента НЕ 16. Наступает момент, когда длительность единичных импульсов на выходе элемента НЕ становятся такой, что они уже не совпадают по фазе с импульсами с выхода третьей схемы задержки и на выходе элемента совпадения 20 устанавливается постоянный единичный сигнал. Такой же сигнал находится на выходе элемента совпаден

18, и значит на обоих RS входах триггера 22 присутствуют единичные сигналы и он сохраняет свое прежнее состояние. Дальнейший поворот ротора электродвигателя ведет к еще большему подмагничиванию дросселя 8 и соответственному сокращению длительности нулевых импульсов транзистора 14 и единичных импульсов элемента НЕ. Наконец, наступает момент времени, когда длительность нулевых импульсов на выходе транзистора 14 становится менше длительности импульсов первой схемы временной задержки, и единичные импульсы на входах элемента 18 начинают совпадать во времени. На выходе элемента совпадения 18 формируются нулевые импульсы, первой из которых, воздействуя на S вход триггера 22, переводит его в единичное состояние.. Напряжением с выхода триггера открывается бесконтактный ключ 28 и по секции в якорной обмотки начинает протекать ток, создающий вращающий момент, Ротор .двигателя поворачивается на больший угол и это ведет к еще большему насыщению дросселя 8 и увеличению длительности нулевых импульсов на входе триггера 22. При полном насыще НИИ дросселя 8 их длительность становится равной длительности импульса первой схемы задержки. После переключения триггера 22 поворот ротора электродвигателя ведет к тому, что поток постоянного магнита, пронизывающий дроссель 7, начинает уменьшаться по величине. Когда магнитный поток снизится до величины, меньшей потока насьвдения дросселя, последний начинает перемегничиваться под действием переменного напряжения, приложенного к его обмотке. Во врегля перемагничивания дросселя его индуктивное сопротивление велико и переменное напряжение с выхода преобразователя прикладывается ко входу транзистора 13. Транзистор открывается в полояштельный полупериод переменного напряжения, формируя на коллекторном выводе нулевые импульсы Передний фронт нулевых импульсов совпадает с передним фронтом положительной полуволны переменного .напр яхсения. На величину длительности . нулевых иш1ульсов сокращается длительность единичных на выходе элемента совпадения 17. Когда нулевые импульсы сравняются с импульсами первой схемы вре1 1еккой задержки по длительности, на выходе элемента совпадения 17 исчезнут нулевые импульсы, так как с этого момента ка входах элемента И-НЕ 17 будет присутствовать нулевой импульс: вначале поочередно, а затем н одновременно. На R и S входах триггера 21 находятся теперь единичные сигналы и он сохраняет свое предыдущее состояние.

Ротор электродвигателя непрерывно поворачивается под действием вращающегося момента; магнитный поток постоянного ма нита, подмагничивающий сердечник дросселя 7, ослабляется, длительность нулевых импульсов на выходе транзистора 13 увеличивается. Когда длительность нулевых импульсов возрастает настолько, что превзойдет сумму времени задержки первой и второй схем задержек, на входах элемента 19 будут совпадать единичные сигналы, поступающие с выхода элемента НЕ 15 и третьей схемы временной задержки. В моменты совпадения единичных импульсов на выходе элемента 19 появляются нулевые импульсы, первый из которых переключает триггер 21 в нулевое состояние. Бесконтактный . ключ 27 закрывается, и секция В обесточивается. Электродвигатель продолжает врахцаться, так как секция С обмотки находится под током. Последующий поворот ротора электродвигателя ведет к подмагничиванию дросселя 6 датчика положения ротора и переключению триггера с соответствующим переводом бесконтактного ключа , 26 в открытое состояние. Далее выходит из насыщенного состояния дроссель 8 и закрывается бесконтактный ключ 28. Затем вновь подмагничивается дроссель 7 и включает бесконтактный ключ 27. В момент закрытия бесконтактного ключа 26, при выходе дросселя 6 из насыщенного состояния цикл переключения секций якорной обмотки заканчивается. В дальнейшем циклы повторяются с частотой вращения поля индуктора электродвигателя. Электродвигатель разгоняется до заданной скорости вращения, величина которой может регулироваться напряжением источника питания 1.

ВД может быть использован в реверсивном варианте без изменения его принципиальной схемы. В этом случае устанавливается реверсор в цепи питания обмотки индуктора электрическоймашины. При переключении реверсора изменяется направление протекания тока в обмотке индуктора и реверсируется ВД.

Наличие блока из трех схем временных задержек позволяет, во-первых реализовать четкую работу ка)хдого бе :контактного ключа коммутатора независимо от исходного положения ротора электродвигателя и направления его вращения, и, поэтому осуществить надежный запуск электродвигателя, во-вторых, обеспечить

зону нечувствительности в очередности следования импульсов на R и S входы каждого триггера по мере насыщения соответствующего дросселя датчика положения ротора. Это ведет к повышению надежности за счет исключения многократного переключения триггера и бесконтактного ключа в процессе вращения ротора электродвигателя, особенно при наличии вибрации последнего.

o

Формула

изобретения

Вентильный электродвигатель, со5держащий ротор, статор с обмоткой якоря, датчик положения ротора с п чувствительными элементами типа„дроссель насыщения, коммутатор с п бесконтактными ключами, служащими для подключения секций якорной об0мотки к источнику постоянного напряжения в функции углового положения ротора, формирователя каждого из выходных сигналов датчика положения ротора, включагацего в себя усилитель

5 и RS-триггер с двухвходовыми элементами совпадения на R и S входах, на первый вход одного из которых выход усилителя подключен непосредственно, а на первый вход другого Dчерез элемент НЕ и преобразователь постоянного напряжения в переменное высокой частоты, выход которого подключен к чувствительным элементам датчика, отличающийся тем,

5 что, с целью расширения области применения путем создания возможности использования его как в нереверсивном, так и реверсивном приводе, в устройство дополнительно введен блок из трех последовательно соединенных

0 схем временных задержек, управляющая цепь первой из которых подключена к тому же выходу преобразователя, что и чувствительные элементы, при этом выход первой схемы временной

5 задержки подключен ко второму входу первого элемента совпадения, а выход третьей okeMbi временной задержки подключен ко вторюму входу второго элемента совпадения в каждом форми0рователе.

Источники информации, приня ые во внимание при экспертизе

1.Двигатели постоянного тока с полупроводниковыми коммутаторами

5 под ред. Е.И.Овчинникова, Л., Наука, 1972, с. 116.

2.Патент Японии 49-21846, кл. 55 С 2, 1974 (прототип).