Управляемый вентильный электродвигатель Советский патент 1982 года по МПК H02K29/02 

(54) УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

1

Изобретение относится к электротехнике, а именно к специальным электрическим машинам, и может использоваться при разработке высоконадежньк регулируемых по частоте вращения электроприводов с большим сроком службы, особенно в системах с автономным питанием от химических или лучистых источников электроэнергии.

Известны регулируемые по частоте вращения вентильные электродвигатели, состоящие из статора с и-секционной якорной обмоткой, вращающегося индуктоP i Ы -фвзного датчика положения ротора (ДПР), щиротно-ямпульсного регуля- ,5 тора (ШИР), полупроводникового коммутатора секций 51корной обмотки, управляемого сигнала ДПР и ШИР. Управление частотой вращения вентильного электродвигателя (БД) производится ШИР, кото-20 рый посредством полупроводниковых ключей коммутатора осуществляет щиротноимпульсную модуляцию напряжения, при;кладьтаемого к секциям якорной обмотай.

.ШИР выполнен в виде отдельного устройства, состоящего из автогенератора пилообразного напряжения, компаратора и логических схем для объединения его с коммутатором { 13

Известен также управляемый ВД, выполненный более. рационально, в котором ШИР совмещен с индуктивным ДПР и транзисторным .коммутатором. В этом устройстве автогенератор напряжения треугольной формы нагружен на обмотку воз- буждения индуктивного ДПР. На выходных (статорных) обмотках ДПР транс(|юрмируется напряжение треугольной формы, модулируемое по амплитуде в функции углового положения ротора ВМ, Транзисторные ключи коммутатора дополнительно вьшолняют роль компараторов, сравнивая на переходе база - эмиттер два капряжения: напряжение с выходных обмоток :ДПР напряжение смещения UCM В зависимости от соотнощения сравниваемых напряжений « транзисторный ключ переходит из закрытого ссх:то$шия в открытое и наоборот, осуществляя широтно-импульсное регулирование напряжения на соответствующей секшш якорной обмопси. Пропорционально среднему значению напряжения на якорной обмотке устанавливается частота вращения . Этот управляемый ВД при несомненной простоте построения полупроводнщ ;овой схемы содержит сложный и нетехнологичный при изххзтовлении индуктивный ДЛР с обмотками на статоре и роторе. Кроме того, индуктивный ДПР имеет низкий КПД ввиду трансформации напряжения через воздушный зазор. Наиболее близким по технической сущности и рещаемой задаче к изобретению является ВД, содержащий вращающийся шодухстор, статор с якорной обмоткой, сек ции которой соединены с выходом полупроводникового коммутатора, ДПР с чувст вительными элементами типа дроссель на сьшхения, преобразователь постоянного напряжения в переменное и несколько вспомогательных логических элементов, ВД конструктивно прост, технологичен, особенно ДПР, состоящий из двух неслож ных деталей: диэлектрического кольца с W -радиальными пазами (статор ДПР) и секторообразного магнита, насаженного : на вал ВМ. В каждом пазу установлен дроссель насьщ1;ения, вьшолненный в виде ферритового тора с одной обмоткой 3 . Отсутствие в ВМ регулировки частоты вращения рграничивает область его применения, так как у больщинства производственных механизмов, приводимых в движение от электродвигателей, требуется подрегулировка (стабилизация) частоты вращения, изменяющейся под влиянием возмущающих воздействий (колебания напряжения питающей сети, 11зменения параметров элементов. под влиянием факторов окружающей среды и т. п.), или непрерыв ное регулирование частоты вращения в процессе выполнения, вбзложенньк на ме ханизм функций с максимальной производительностью при минимальном энергопот реблении. Цель изобретения - расщирёние облас- га применения ВД, путем обеспечения возможности регулирования частоты вращения. Эта цель достигается тем, что в ВД, содержащий статор с yvi-секционной якорной обмоткой, вращающийся индуктор ДПР, вьшолненный в виде магнитоэлектрической машины, в И1 пазах статорю которой, выполненного из диэлектричесого материала, размещено по одному росселю насьщ ения, преобразователь остошшого напрялсения в переменное двумя противофазными выходами со редней точкой и комплект из п транисторных формирователей выходного сигала дросселей насьпцения, каждый из оторых состоит из одного транзистора, ключенного по схеме с общим эмиттером, базовый вьшод транзистора присоединен через резистор к первому выходу преобразователя напрясжения, а коллекторный ьшоД - непосредственно или через вспомогательш ю логические элементы к секции якорной обмотки и параллельно переходу база - эмиттер транзистора подключенаобмотка дросселя насьщ1ения, дополнительно введен второй комплект из Ки транзисторных формирователей, аналогичных первому, в каждом пазу ДПР установлен второй дроссель насьщ1ения, об- MOTita второго дросселя присоединена аналогично первому к дополнительно введенному транзисторному формирователю, а базовый вьшод последнего подключен через резистор к второму выходу преобразователя напряжения, и между средней точкой преобразователя напряжения и объединенными эмиттерами всех транзистор- . ных формирователей включен регулируемый источник постоянного напряжения. На фиг. 1 представлена принципиальная схема управляемого ВД; на фиг., 2 - временные диаграммы напряжений, на основных элементах его схемы. Управляемый ВД содержит датчик 1 положения ротора (ДПР), состоящий из диэлектрической втулки 2 с радиальными пазами и секторообразного магнита 3, дроссели 4 и 5 насыщения, установленные во втором пазу, преобразователь 6 постоянного напряжения в вьюокочасто-рное переменное, прямоугольной формы (преобразователь напряжения), регулируемый источник 7 постоянного напряжения, транзисторы 8 и 9, резисторы 1О и 11, неинвертирующий транзисторный ключ 12, статор 13 ВМ с секциями А, В, ... , М якорной обмотки, вращающийся индуктор 14 (ротор ВМ), нерегулируемый источник. ; 15 электроэнергии постоянного тока. Up - напряжение на прямом выходе преобразователя напряжения; магнитный поток ДПР, пронизывающий дроссели 4 и 5 на- сьпцеНкя в процессе вращения ВМ{ напряжение на переходе база эмиттер транзистора 8 (9); и - напряжение на объединенных коллекторных транзисторов 8 (9). Управляемый ВД представляет собой магнитоэлектрическую мащкну, на статоре 13 которой расположена якорная обмотка. Секции А, В, ..., М якорной обмотки соединены в rJ-лучевую звезду и общая точка обмотки подключена к источнику 15 постоянного тока. С, вращавэщимся индуктором 14 жестко сочленен ДПР 1, осуществляющий управление работой секции якорной обмотки через элементы 6-12. Конструктивно ДПР выполняется из двух основных деталей: диэлектрической втулки 2 с км радиальными пазами на внутренней поверхности и секторообраз- иого магнита 3. Диэлектрическая втулка крепится к торцовой поверхности статрра электрической мащйны, а секторообразны магнит насаживается на вал электрической мащйны и стопорится в плоскости симметрии втулхи., Секторообразный магнит имеет форму р- пучевой симметринно .звезды, у которой каждый луч (сектор) имеет щиринуЗбОт /Р геометрических градусов, здесь oi - длительность подключения секции якорной обмотки к источнику постоянного тока в угловых гра- дусах, р- число пар полюсов индуктора электрической машины (у большинства микродвигателей 2р 4). Пазы на втулке разнесены друг относительно друга на 360|1пргеометрических градусов ив каждом из них размеще но по два дросселя насыщения, например 4 и 5. Дроссель насьпцения представляет собой миниатюрное ферритовое кольцо из материала с прямоугольной петлей гистерезиса (например, типа 0,16 Вт) с одной обмоткой. Обмотка одного из дросселей, напри,мер 4, находящихся в пазу; присоединена параллельно к переходу баз - эмиттер транзистора 8, а второго дросселя 5 присоединена аналогично к транзистору 9. Коллекторные выводы транзисторов 8 и 9 объединены и подключены к секции р якорной обмотки непосредственно или через неинвертирующий транзисторный ключ 12. Эмиттеры всех транзисторов объединены с общей точкой устройства. Соединения остальных дросселей насыщения въшолнены аналогично описанному. Лреобоазователь 6 напряжения, выполнен по щироко известной схеме Ройера. Въхходная обмотка трансформатора пре- 9 246 образователя намотана со средней точкой для получения двух противофазных выходов. Оба выхода преобразователя напряжения присоединены к дросселям насыщения через токоограничивающие резисторы. Причем дроссели насыщения, расположенные в одном пазу диэлектрической втулки, присоединены к противофазным выходам. Между средней точкой трансформатора преобразователя и общей точкой устройства включен регулируемый источник 7 nocTosDffloro напряжения. Устройство работает следзпющим образом. В исходном состо5шии индуктор ВМ занимает произвольное угловое положение. Сочлененный с индуктором магнит , ДПР насыщает дроссели, оказавшиеся в зоне его магнитного сектора. Вне зоны воздействия магнитного сектора находит ся только два дросселя насыщения, расI положенных в одном пазу для принятой щиринъ сектора магнита и въгбранного расположения пазов. Предположим, что дррссели 4 и 5 I находятся вне поля секторообразного магнита и, учитывая тот факт, что схема управления секциями якорной обмотки выполнена симметричной, то детально рассмотрим процесс управления одной секции В. При подключении ВД к источнику 15 постоянного тока на въгходах преобразователя напряжения формируется перемен- ое напряжение частоты - 1О кГц прямоугольной формы. Напряжение с противофазных выходов преобразователя напряжения прикладывается к дросселям 4 и 5 насыщения через соответствующие резисторы 10 и 11 и регулируемъй источник 7 постоянного напряжения. Вначале рассмотрим случай нулевого значения въпсодного напряжения регулируемого источника. Дроссели 4 и 5 не подмагничиваются полем секторообразного магнита и поэтому под действием приложенного переменного напряжения происходит перемагничивание материала сердечника дросселей. В этом режиме работы дросселя его индуктивное сопротивление велико и часть тока, ограниченная резистором 1О (11), ответвляется из цепи дросселя 4 (5) в параллельную цепь - переход баз - эмиттер i транзистора 8 (9). Для принятой проводимости транзисторов типа И - р - И ответвление тока в цепь базы транзистора происходит при положительной полуволне напряжения на обмотке дросселл Базовъхм током соответствующий транзистор открывается и подключает по цепи коллектора непосредственно или через транзисторный ключ 12 секшпо В якорной обмотки к источнику 15 постоянного напрясжения, За счет подключения дросселей 4 и 5 и соответственно, базовых цепей транзис. торов 8 и 9 к противофазным выходам преобразователя напряжения происходит поочередное отпирание указанных транзисторов. Коллекторные вьюоды транзисторов 8 и 9 объединены и через объединенную коллекторную цепь секщш В якорной обмотки оказывается непрерьгоно подкяюченной к источнику 15 постоянного напряжения. По секции начинает протекат ток. За счет взаимодействия тока с магнитным полем индУктора возникает злактромагнитный момент и сочлененная сист ма роторов электрической мащины и ДПР приходит во вращательное движение. В зависимости от и ;ходного углового положения дросселей 4 и 5 по отнощению к магнитному сектору через 360Jinp или менее геометрических градусов углового пути роторной системы дроссели 4 и 5 попадут в магнитное поле сектора ДПР и насьпценьь Их индуктивное сопротивление снижается практически до нулевого значения и базовые цепи транзисторов 8 и 9 оказьтаются защунтнрованными низкоомными активными соп1ютивлениями обмоток дросселей. Транзисторы запираются и секция В обесточивается, В этот же момент времени или нескол ко ранее из зоны действия магнитного поля выходит очередная пара дросселей и через соответствующие транзисторы подключает очередную секцию якорной обмотки к ниточнику пс1сто5шного тока. В результате поочередного подключения секций якорной обмотис к источнику по.стоянноро тока происходит непрерьгоное воздействие вращающег-о момента на ротор, ВМ разгоняется до тех пор, пока не наступит электромагнитное уравновешивание приложенного к обмотке напряже ния, наводимой в обКютках противо-ЭДС и приложенного к моме1 та нагруз ки. Изменением величины приложенного напряжения к секциям якорной можно эффективно регулировать установи шуюся частоту вращения ВМ, Рассмотрим процесс регулирования напрясясения секции В якорной об1мотки. Регулирование осуществляется измене нием величины напряжения источника 7, При увеличении напряэкения Uy источник 7 пропорционально ум 5ньшается амшштуда отрицательной полуволны напряжения ООТР прикладьшаемая к обмотке дросселей и определяемая соотношением JOIP-UM-.. где U(4 - амплитудное значение выходного напряжения преобразователя. Положительная полуволна напряжения на обмотке дросселя 4 (5) и, соответственно, на переходе база - эмиттер транзистора 8 (9) остается постоянной iJgg const за счет стабилизирующего действия нелинейности перехода база эмиттер транзистора. До тех пор, пока не уравняются по длительности вольтсекундные площадки полуволн налряже « «а обмотке дросселя, функционирова™® устройства аналогично вышеописанно . После уравнивания вольтсекундных площадок полуволн напряжения дальнейщее увеличение напряжения источника 7 приводит к уменьшению вЬльтсекундной площадки отрицательной полуволны напряжения 5oTi UoTpT| Z- меньшей значения9у,ду-ирдТ/1, где Т - период переменного напряжения преобразователя напряжения, В этом случае перемагничивание дросселя положительной полуволной напряжения по длительности -fcy, станет меньшим полупериода Т/2 и равным . ОотрТ (UM-UV)T Т Ug, Сердечник дросселя, например, 4 перейет в насыщенное состояние ранее полупериода приложенного напряжения. Насыщение дросселя ведет к резкому уменьше- нию его индуктивного сопротивления, Низкоомным омическим сопротивлением насыщенного дросселя щунтируется переход база - эмиттер транзистора 8 и последний запираетс51. До начала воздействия очередной полуволны напряжения оба транзистора 8 и 9 закрыты, и, следовательно, обесточат секцию В якорной обмотки, В следующий полупериод описанный процесс повторится с дросселем 5 и транзистором 9, Таким образом, запирание обоих транзисторов происходит поочередно в каждый полупериод переменного нахфяжения и приводит к щиротяо-«мпульсной модуляции напряжения, прикладываемого к сек- щш якорной обмотки. Изменяя величину управляющего напряжения Uy, можно регу- лировать глубину широтно-имлульсной модуляции напряжения э широких пределах самым, управлять частотой Bpaia6i ния ВД. ВД обладает широкой универсальностью в зависимости от конкретных требований к электрической машине, ВД може быть вьтрпнен с любым (четным или нечетным) числом секций якорной обмотки, с одной или несколькими секциями, нахо Д5Ш1Имися под нагрузкой. Для этого достаточно, в первом случае, изготовить ДЛР с числом пазов, равным числу секций якорной обмотки и дополнить устройство транзисторными формирователями, а во. втором - изменить ширину сектора магнита ДПР. Реализация в устройстве ВМ широтао кмпульсного регулятора напряжения поз- воляет исдользовать его для широкого класса различных механизмов, особенно в изделиях с автономными нерегулируемыми химическими или лучистыми источниками электроэнергии постоянного тока. В сравнении с известными бесконтакт ными машинами постоянного тока, предлагаемый ВМ достаточно прост в KOHCTV руктивном и схемном исполнении, техноло гичен в серийном производстве, обеспечи вает качественное регулирование частоты вращения во всем диапазоне, имеет ъътсокий КПД особенно в микромшшатюр- ном исполнении, когда ДПР становится соизмеримым по габаритам и потребляемой мощности с самой электрической ма шиной. Транзисторы формирователей, бепомогательных неинвертируюших ключей и преобразователя работают в экономичном зключевом режиме. Высокая крутизна фронтов переключения транзисторов обеспечивается за счет .применения сердечников для дросселей насыщения и преобразователя напряжения из материала с прямоугольной петлей гисте- jieaHca. Наибольший экономический эффект от использования предлагаемого ВМ достигается в системах стабилизации (регулирования) частоты вращения силовых -. гироскопов, применяемых для упреш- ления аппаратами с автономными .лучистыми или химическими источниками электроэнергии постоянного тока. Q 24 1О 3 о б р е т Формула и е н и я Управляемый вентильный электродвигатель, содержащий индуктор, статор с Yfl -секционной якорной обмоткой, дат чик положения ротора, выполненный в виде магнитоэлектрической машины, в Ж пазах статора которой, выполненного из диэлектрического материала, размешено по одному дросселю насьпцения, преобразователь постоянного напряжения в переменное с двумя противофазными выходами со средней точкой и комплект из tn транзисторных фо(виирователей выходного сигнала дросселей насьш ения, каждый из которых состоит из одного транзистора, включенного по схеме с обшим эмиттером, базовый вывод транзистора присоединен через резистор к первому выходу преобразователя напряжения, а коллекторный - к секции якорной обмотки, параллельно переходу база эмиттер транзистора подключена ойлотка дросселя насыщения, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения путем обеспечения возможности регулирования частоты врашения, он снабжен регулируемым источником постоянного напряжения, дополни- введен второй комплект из Уптранзисторных формирователей, аналогичных первому, в каждом пазу датчика положения ротора установлен второй дроссель насьпцения, обмотка второго дросселя присоединена аналогично первоМу к дополнительно введенному транзисторному формирователю, а базовый вывел последнего подключен через резистор к второму выходу преобразователя напря-. жения, и между средней точкой преобразователя напряжения и обьеднненными змиттера и всех транзисторных форл1рователей включен регулируемый источник постоянного напряжения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 488286 кл. Н О2 К 29/О2, 1973. 2.Крывой В. Н. и др. Бесконтактнне электродвигатели постоянного тока. М., Информэлектро, 197О, с. 51. 3.Авторское свидетельство СССР hfe 754595i кл. Н .02 К 29/02, 1978.

Чо

14

4j

«:

ж

:§

:

:§