Вентильный электродвигатель Советский патент 1982 года по МПК H02K29/02 

Изобретение относится к электоическим машинам, а точнее к вентильным электродвигателям, предназначенным для использования в аппаратах звуко- и видеозаписи. По основному авт. св. № известен вентильный электродвигатель содержащий статор с якорной обмоткой ротор с системой возбуждения, обеспечивающей синусоидальное распределение магнитной индукции в рабочем воз.душном зазоре, расположенные в рабочем воздушном зазоре элементы Холла, систему управления и каналы усиления каждый из которых состоит из линейного усиления, силового транзистора, в коллекторную цепь которого включена секция якорной обмотки и ключа, расположенного в цепи запирания силового транзистора, входные цепи которого подключены к выходу линейного усилителя, а вход последнего соединен с выводным -электродом одного из элементов Холла. При этом входные электроды элементов Холла подключены к выходу системы управления fl }. Для получения высокой равномерности вращающего момента в известном вентильном электродвигателе должны соблюдаться строгая синусоидальность распределения магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре и отсутствовать искажения полусинусоидальной формы токов в секциях якорной обмотки. Однако точное выполнение первого из этих условий затруднено по ряду технологических причин. Отклонение распределения магнитньй индукции в рабочем воздушном зазоре от синусоидального может быть вызвано эксцентриситетом статора и ротора, неравномерностью воздушного зазора., обусловленного зубчатостью статора, эллипсообразностью поверхностей статора и ротора и т. д. Применение в электродвигателг тогчового способа управления силопыми транзисторами хотя и позволяет уменьшить искажения полусинусоидальных токов .в секциях его якорной обмотки, но полностью их не устр&кяет. Это обусловлено зависимостью ста тического коэффициента передачи тока базы транзистора от тока его коллектора. Влияние всех этих факторов не позволяет получить в известном вентильном электродвигателе высокой рав номерности вращающего момента. Цель изобретения - повышение равномерности вращающего момента вентил ного электродвигателя. Поставленная цель достигается тем что вентильный электродвигатель до-дополнительно снабжен вторыми элемен теми Холла, расположенными в рабочем воздушном зазоре, резисторами, включенными в эмиттерные цепи силовых транзисторов, дифференциальными усилителями, повторителями напряжения с гальванически развязанными цепями питания, двумя суммирующими усилителями и масштабным -усилителем, при этом эмиттер каждого силового транзистора соединен с одним из входов дифференциальных усилителей, к выходу каждого из которых подключены входные электроды одного из вторых элементов Холла, а их выходные элек троды соединены с входами повторителей напряжения с гальванически развязанными цепями питания, выходы эти повторителей напряжения подключены к входам одного из суммирующих усилителей, а его выход - к одному из входов второго суммирующего, второй вход которого предназначен для подключения к управления электродвигателя, а выход соединен с входом масштабного усилителя, к выходу которого подключены входные электро ды первых элементов Холла. Такое исполнение вентильного элек тродвигателя позволяет повысить равномерность его вращающего момента за счет регулирования по отклонению от заданного значения. . На чертеже представлена принципиальная электрическая схема вентильно го электродвигателя. Электродвигатель содержит статор с якорной обмоткой, состоящей из четырех секций , ротор с системой возбуждения, обеспечивающей синусоидальное распределение магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре, и расположенные в этом воздушном зазоре элементы 5 и 6 Холла. Управление токами секций 1- якорной обмотки осуществляется четырьмя каналами усиления. Каждый канал усиления, например, первый, состоит из линейного усилителя 7, силового транзистора 8 И ключа 9, расположенного в цепи запирания силового транзистора. Вход линейного усилителя 7 этого канала усиления соединен с одним из выходных электродов (левым по чертежу) элемента 5 Холла, а к его выходу подключены входные цепи ключа 9 и база силового транзистора В. В коллекторную цепь силового транзистора 8 включена секция 1 якорной обмотки. Второй, третий и четвертый каналы усиления выполнены аналогично и содержат соответственно линейные усилители 10-12. вход каждого из которых подключен к одному из выходных электродов элементов 5 и 6 Холла, силовые транзисторы 13-15 и ключи 16-18. В эмиттерную цепь каждого силового транзистора 8, включены соответственно резисторы 19-22. К эмиттеру силового транзистора 8 подключен инвертирующий вход дифференциального усилителя 23, а к эмиттеру силового транзистора 14 неинвертирующий вход этого дифференциального усилителя. Эмиттер силового транзистора 13 соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 2k, а его неинвертирующий вход с эмиттером силового транзистора 15. К выходам дифференциальных усилителей 23 и 2 подключены соответственно входные электроды вторых элементов 25 и 26 Холла, расположенных в рабочем воздушном зазоре электродвигателя. Выходные электроды элементов 25 и 26 Холл соединены соответственно с входами повторителей 27 и 28 напряжения с гальванически .развязанными цепями питания. Выходы этих повторителей подключены к входгт сумт мирующего усилителя 29. К выходу последнего присоединен один из входов второго суммирующего усилителя 30, второй вход которого предназначен для подключения к системе управления, а. к его выходу присоединен масштабный усилитель 31. К выходу масштабного усилителя 31 подключены входные электроды элементов 5 и 6 Холла, Устройство работает следующим образом. При подключении вентильного электродвигателя к источнику питания с Поступлением с системы управления на один из входов суммирующего усилителя 30 постоянного напряжения отрицательной полярности на его выходе будет напряжение положительной полярности. Оно усиливается масштабным уси лителем 31 и подается на входные электроды элементов 5 и 6 Холла, расположенных в рабочем воздушном зазоре электродвигателя под углом 90. Поэтому при положении ротора эл ктродвигателя, в котором его магнитный поток направлен к элементам 5 и 6 Холла, и соответствующем подключении их вход ных электродов к выходу масштабного усилителя 31 силовые транзисторы 8 и 13 открыты. По секциям 1 и 2 якорной обмотки проходят коллекторные токи си ловых транзисторов 8 и 13 соответственно. Возникающий при этом вращающий момент поворачивает ротор электродви гателя. При прохождении по резистору 19 эмиттерного тока силового транзистора 8, а по резистору 20 - эмиттерного тока силового транзистора 13 на каждом ,из них возникает падение напряжения.(1) где Зд - ток эмиттера силового транзистора;Кз - величина резистора в цепи эмиттера силового транзистора; . Up .- падение напряжения на резисторе, включенном в цепь эмит тера силового транзистора. При использовании силовых транзисюров 8, 13-15 со значениями статических коэффициентов передачи тока базы более 30-50 токи их коллекторов практически не отличаются от токов эмиттеров. Поэтому на выходе дифференциального усилителя 23 возникает постоянное напряжение положительной полярности дч) 2з -TSI величина напряжения на выходе дифференциального, усилителя 23; ток секции 1 якорной обмотки;коэффициент пропорциональности между током се секции 1 якорной обмотки и напряжением на выходе дифференциального усилителя 23. дифференциального усилие возникает напряжение й полярности У24 величина напряжения на выходе дифференциального ycилиteля 2k, ток секции 2 якорной обмотки; коэффициент пропорциональности между током секции 2 якорной обмотки и напряжением на выходе дифференциального усилителя 2. напряжения дифференциальей 23 и 2 подаются на троды соответственно эле26 Холла, расположенных здушном зазоре электрод углом . Поэтому на электродах возникают (} K2,«t3si ° 2 5) 2K 392Sinci,2 , напряжения на выХ2бходных электродах соответственно элементов Холла 25 и 26; величина магнитного потока в направлении продольной оси полюсов ротора;коэффициенты, отражающие связь напряжения на выходных электродах соответственно элементов 25 и 26 Холла с напряжением на их входных электродах и величиной магнитного потока в направлении продольной оси ПОЛЮСОЕ ротора , угол осью секции 2 якорной обмотки и продоль ной осью полюсов ротора. Величина каждого из этих напряжений, как следует из выражений (() и (5), прямо пропорциональна вращающему моменту, создаваемому при взаимодействии магнитных полей ротора и соответствуюи ей секции якорной обмот ки. Напряжения UjxiS Цу 2fc подают ся на входы .соответственно повторите лей 27 и 28 напряжения с гальваничес ки развязанными цепями питания. Они предназначены для гальванической раз влзки цепей питания силовых транзисторов 8, 13 15 и линейных усилителей 7 10-12 вентильного электродвигателя и цепей питания его системы управления, а также для получения напряжений, равных Uэy25 -эх 2fe и изменяющихся относительно общей шины цепей питания системы управления. Необходимость этой развязки обусловлена тем, что общие шины цепей питания силовых транзисторов с линейными усилителями и системы управления не имеют непосредственного соединения, соединяются через входные и выходные электроды элементов 5 и 6 Холла. Поэтому на выходных электродах элементов 25 и 26 Холла относительно общей шины целей питания системы управлени помимо напряжений, определяемых выражениями (Ц) и (5), будет и напряжение, равное напряжению эквипотенциальных точек этих элементов Холла. Выделение составляющих 25 эX26 напряжения на выходных электродах элементов 23 и 26 Холла осуществляет ся повторителями 27 и 28 напряжения с гальванически развязанными цепями питания. При этом.их выходные напряжения будут равны соответственно напряжениям эX2fc изменяются относительно общей шины питания системы управления. При понижении ротора электродвигателя, когда его магнитный поток направлен к элементам 25 и 2б Холла, и соответствующем подключении их входных электродов к выходам дифференциальных усилителей 23 и на выходах повторителей напряжения 27 и 28 с гальванически развязанными це пями питания возникают напряжения отрицательной полярности. Эти напряжения поступают на входы суммиру18ющёго усилителя 29. При равенстве резисторов 19-22, одинаковых коэффициентах усиления дифференциальных усилителей 23 и однотипных элементах 25 и 26 Холла на выходе суммирующего усилителя 29 возникает напряжение положительной полярности Uc-y29 К5Ф(. )/ где К5 К2К4. При повороте ротора электродвигателя под действием вращающего момента на 90 его магнитный поток изменяет свое направление по отношению к элементам 5 и 6 Холла и элементам 25 и 26 Холла. Он будет одновременно направлен от элементов 5 и 25 Холла и к элементам 6 и 26 Холла. Силовой транзистор 8 закрывается, а силовой транзистор 1 открывается. Секция 1 якорной обмотки обесточивается, а по секции 3 якорной обмотки проходит коллекторный ток силового.транзистора Н. На выходе дифференциального усилителя 23 появляется напряжение отрицательной полярности, прямо пропорциональное току секции 3 якорной обмотки, а на выходе дифференциального усилителя 2Ц - напряжение положительной полярности, прямо пропорциональное току секции 2 якорной обмотки. Для описанного выше положения ротора электродвигателя, учитывая направление его магнитного потока по отношению к элементам 25 и 26 Холла, напряжение на выходе суммирующего усилителя 29 определяется по формуле К5-Ф(Лд2 cos 355510063) . (7) ток секции 3 якорной обмотде Ifi, ки; - угол между осью секции 3 якорной обмотки и продольной осью полюсов ротора; величина напряжения на выходе суммирующего усилителя 29. Аналогичные процессы происходят в вентильном электродвигателе при любом положении его ротора. Величина напряения на выходе суммирующего усилитепя 29 будет прямо пропорциональна гновенному значению вращающего мо9мента электродвигателя, а полярность определяет его направление/ Это напряжение подается на один из входов суммирующего усилителя 30, при помощи которого осуществляется сравнение выходного напряжения суммирующего усилителя 29 с напряжением на выходе системы управления, определяющим заданное значение вращающего момента вентильного электродвигателя. Выходное напряжение суммирующего усилителя 30, равное разности выходных напряжений суммирующего усилителя 29 и системы управления, усилива тся масштабным усилителем 31 и поступает на входные электроды элементов 5 и 6 Холла. При уменьшении-вращающего момента электродвигателя уменьшается напряжение на выходе суммирующего усилителя 29. Это приводит к возрастанию напряжения на выходе суммирующего усилителя 30, и соответствен но, на входных электродах элементов 5 и 6 Холла. Возрастают значения токов во включенных секциях якорной обмотки, и вращающий момент вычислительного электродвигателя увеличивается. С увеличением вращающего момен та электродвигателя все происходит наоборот. Таким образом, за счет регулирования вращающего момента вентильного электродвигателя по отклонению от заданного уменьшаются его пульсации, вызванные отклонением распределения магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре от сийусоидального и искажениями полусинусоидальной формы токов секций якорной обмотки. Вследствие этого повышается равномерность вращающего момента электродвигателя. Это позволяет использовать его в электроприводах лентопротяжных механизмов, приборов, аппаратов звуко- и 1 видеозаписи, а также в качестве испол нительных электродвигателей в бортовой автоматике летательных аппаратов. Формула изобретения Вентильный электродвигатель по авт. св. № , отличающийся тем, что, с целью повышения равномерности вращающего момента , он дополнительно снабжен вторыми элементами Холла, расположенными в рабочем воздушном зазоре, резисторами, включенными в эмиттерные цепи силовых транзисторов, дифференциальными усилителями, повторителями напряжения с гальванически развязанными цепями питания, двумя суммирующими усилителями и масштабным усилителем, при этом эмиттер каждого силового транзистора соединен с одним из входов дифференциальных ycилитeлeй к выходу каждого из которых подключены входные электроды одного из вторых элементов Холла, а их выходные электроды соединены с входами повторителей напряжения с гальванически развязанными цепями питания, выходы этих гювто|эителей напряжения подключены к входам одного из суммирующих усилителей, а его выход - к одному из входов второго суммирующего усил| те- . ля, второй вход которого предназначен для подключения к системе управления электродвигателя, а выход соединен с входом масштабного усилителя, к выходу которого подключены входные электроды первых Элементов Холла. Источники информации, гтринятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № , кл. Н 02 Н 29/02, 1977.