Вентильный электродвигатель

Союз Советских Социалистических РеспубликОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(51)М. Кл. Н 02 К 29/02 Государствеииый комитет СССР ио делам изобретеиий и открытий(54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ 25Ктненный не ротора эле атчика поло ски перехоостояния в В процессе й ВД име к: при вателя др ротора пненасьпц ное и на т суще ащении ссели риодич нного борот. Тако стато одвиг ния т из сьпцен Изобретение относится к специаль ным электрическим машинам и может быть использовано в реверсивных злектроприводах малой мощности.известны вентильные электродвига тели (ВД) , состоящие из электрической машины с вращающимся индуктором датчика положения ротора с чувствительными элементами типа "дроссель насыщения", бесконтактного коммутатора, подключающего секции якорной обмотки машины к источнику питания в функции сигналов датчика положения ротора и преобразователя постоянного напряжения в переменное высокой 15 частоты. управление транзисторами коммутатора производится непосредственно выпрямленными сигналами датчика положения ротора, без промежуточного их усиления и преобразования, 20 Транзисторы подключают секции якорной обмотки к источнику постоянного тока (1) . перехода дросселя насыщения из одного состояния в другое соответствующий транзистор коьжутатора находится в энергетически напряженном усилительном режиме работы с большим тепловы- делением. Это ведет к увеличению массы и габаритов коммутатора, а также снижает надежность устройства,Наиболее близким по технической сущности к изобретению является ВД, содержащий рбуор, 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 насыщения" датчика положения ротора. Формирователь представляет собой асинхронный В 5-триггер, на первый вход которого подаются импульсы с дросселя насыщения, 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 прин 785929ципу включен-выключен с практическимгновенным переходом из одного состояния в другое, Однако построениесхемы управления триггерами выполненонеэффективно ("2).Применение данного устройства вреверсивном электроприводе затруднено,так как в момент смены направлениявращения ротора электродвигателя нарушается логика выделения сигнала навтором входе К 5-триггера (в этотмомент времени последующий триггерпо очередности включения становитсяпредыдущим),Кроме того, возможно такое исходное положение ротора электродвигателя перед пуском, когда импульсы 15подаются на вход только одногоЙ 5-триггера. Остальные триггеры устананлинаются в произвольное устойчивое состояние и поэтому могут сформировать на нходах усилителей ложную рркомбинацию управляющих сигналов, которая ведет к неверному подключениюсекций якорной обмотки. По этой причине ротор электродвигателей начнетповорачиваться в направлении, обратном заданному или.вообще не ронется.Цель изобретения - расширение области применения за счет обеспечения надежного пуска ВД и использование его как н реверсивном, так инереверсивном приводе.30Цель достигается за счет дополнения ВД блоком из трех схем временнойзадержки, подключенных последонательно,друг к другу и синхронизированныхс положительной полуволной переменного напряжения на обмотках дросселей, при этом ныход перной временнойзадержки подключен ко второму входупервой схемы совпадения, а выходтретьей временной задержки подключен 4 Око второму входу второй схемы совпадения в каждом канале формированиясигналов датчика положения ротора,На фиг. 1 представлена принципиальная схема ВД на фиг. 2 - диаг.раммы напряжений на основных элементах схемы.ВД содержит источник 1 постоянного напряжения, преобразователь 2 постоянного напряжения н переменное высокой частоты (около 20 кГц), датчик 3 положения ротора, состоящий из диэлектрической немагнитной втулки 4 и жестко сочлененного с на 4 ом электродвигателя постоянного магнита 5 секторообразной формы. Втулка 4 содержит чувствительные элементы 6-8 типа "дроссель насыщения", резисторы 9-12, транзисторы 13 и 14 проводимости п-р-п, элементы НЕ 15 и 16, двухнходоные элементы 40 17-20 совпадения 2 И-НЕ", й 5-триггеры 21 и 22 с инверсными входами, однотипные формирователи 23-25 выходных сигналон дросселей насыщения, бесконтактные ключи 26-28 коммутатора 65 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 н функции углового положения ротора. Для этого с валом электродвигателя 30 сочленен датчик 3 положения ротора, который является индикатором углового положения ротора с электрическими выходными сигналами . Конструктивно он цредставляет собой нтулку 4, н прорезях которой расположены дроссели насыщения 6-8. Прорези на втулке расположены на дуге длиной 560/р% и) геометрических градусов, ерез 360 рп геометрических градусов, где р - число пар полюсов электродвигателя, П - число секций якорной обмотки. Внутри втулки вращается постоянный магнит 5, жескто сочлененный с ротором электродвигателя 31, Постоянный магнит имеет форму сектора шириной Э 60/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 ноочередно 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-эмиттер которого подключена обмотка дросселя 8. Транзистор выполняет функции индикатора напряжения положительной полярности на обмотке дросселя и дополнительно своим переходом базазмиттер ограничивает рабочее напряжение дросселя на уронне (0,8-1,0) В. Коллекторный вывод транзистора подключен на первые входы элементов совпадения 18 и 20: ко входу элемента совпадения 18 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 К 5-триггер 22, который, в снов очередь, включает или выключает бесконтактныи785929 30 40 50 60 65 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 схегл 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 дросселей. 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 схемы временной задержки подключен ко вторым входам всех элементов совпадения, имеющих непосредственную связь с транзисторами и формирователях, а выход третьей схемы временной задержки подключен ко вторым входам всех элементов совпадения, имеющим связь с теми же транзисторами через элемент НЕ. 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 выноду транзистора подключен времязадающий конденсатор. Второй вынод конденсатора является входом временной задержки, а выходом ее служит коллекторный вывод транзистора, Диод на входе первой задержки служит для закорачинания входа при действии отрицательной полуволны переменного напряжения.Преобразователь 2 постоянного напряжения в переменное высокой частоты выполнен по известной схеме Ройера и необходим для питания дросселей насыцения датчика положения ротора, синхронизации работы схем временных задержек с положительной полуволной переменного напряжения на обмотках дросселей, а также для питания схемы Формирователя и коммутатора пониженным постоянным напряжением с целью снижения потерь моцности. Для этого к обмоткам выходного трансформатора подключены выпрямительные диоды и фильтрующий конденсатор.Работа ВД происходит следуюцим образом.В исходном состоянии ротор электроднигателя 31 занимает произвольное положение. Сочлененный с ним постоянный магнит 5 датчика 3 5 10 15 20 25 положения ротора насыцает один илидва дросселя. Пусть, например, насыщен дроссель 7, При подаче питанияот источника 1 постоянного напряжения запускается преобразователь 2,Формирующий на обмотках трансформатора переменное напряжение прямоугольной Формы, Переменное напряжение с выхода преобразователя подаетсячерез резисторы на вход блока временных задержек и на дроссели 6-8. Под действием переменного напряжения на выходе схемы временной задержки33 формируются единичные импульсы,1 ередний фронт которых совпадает пофазе с передним фронтом положительной полуволны переменного напряжения 1 а обмотке дросселей. Длительностьимпульса определяется параметрамиВ 5-цепочки схемы временной задержки32.и составляет около 1/6 периодачастоты преобразователя 2. На выходах второй и третьей схем 33 и 34 временной задержек также формируются единичные импульсы, которые следуютдруг за другом. Длительность второго импульса составляет примерно 1/8периода частоты преобразователя, адлительность третьего - 1/6 периода.Единичные импульсы с выхода первойи третьей схем задержек подаются на вторые входы элементов 17 и 19 совпадения соответственно, В исходномсостоянии устройства дроссель 7 насыщен и сопротивление его обмоткимало. Переменное напряжение, подаваемое с выхода преобразователя наобмотку дросселя, падает на резисторе 9. Переход база-эмиттер транзистора 13 накоротко зашунтиронаномическим сопротивлением насыщенного дросселя 7. Транзистор 13 надежно закрыт и единичный сигнал с егоколлекторного вывода подается напервый вход элемента совпадения 17и на вход элемента НЕ 15, с выходакоторого нулевой сигнал подаетсяна первый вход элемента совпадения19. Наличие нулевого сигнала напервом входе,элемента Л-НЕ 19 обуславливает единичный сигнал на еговыходе и соответственно на Н входетриггера 21. В моменты совпаденияединичных сигналов на входах элемента 17 на его выходе появляютсянулевые импульсы, первый из которых устанавливает й 5-триггер 21 вединичное состояние (на выходе Ятриггера появляется единичный сигнал), Напряжение с выхода триггера непосредственно или через вспо-могательные элементы открывает бесконтактный ключ 27 коммутатора 29.Бесконтактные ключи 26 и 28 закрыты, так как дроссели 6 и 8 ненасыщены и триггеры в Формирователях23 и 25 находятся в нулевом состоянии. Через открытый ключ 27 ксекции 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 вращении ротора электромагнитное поле постоянного магнита датчика положения ротора начинает пронизывать сердечник дросселя 8, подмагничиная его.На первом этапе насыщения дросселя 8 не происходит, так как величина подмагничивающего поля не превосходит разности между потоком насыщения сердечника еР и амплитудным значением потока з сердечнике, вызванного действием приложенного к обмотке переменного напряжения н положительный полупериод. Индуктивное сопротивление дросселя 8 велико и почти все переменное напряжение с выхода преобразователя приклады вается к переходу база-эмиттер транзистора 14. Транзистор 14 в такт с положительной полуволной переменного напряжения открывается, формируя нулевые импульсы на коллекторном 25 выводе. Нулевые импульсы поступают на входы элемента совпадения 18 и элемента НЕ 16, на выходе последнего они становятся единичными. Единичные импульсы на первом входе элемента И-НЕ 20 совпадают с единичными импульсами, поступающими с выхода третьей схемы 34 временной задержки. В моменты совпадения единичных импульсов на выходе элемента 20 появляются нулевые импульсы, которые, присутствуя на Й входе триггера 22, надежно удерживают его в нулевом состоянии. В нулевое состояние триггер 22 совместно с триггером ,Формирователя 23 переходит сразу пос ле подключения устройства к источнику питания 1. По мере дальнейшего поворота ротора электродвигателя величина магнитного потока постоянного магнита возрастает настолько, что дроссель 8 начинает насыщаться з конце полупериода положительной полунолны переменного напряжения. В момент насыщения дросселя 8 транзистЬр 14 закрывается, оставаясь 5 О в этом состоянии н течение дейстния отрицательной полуволны напряжения. Пропорционально моменту насыщения др 4 сселя 8 сокращается длительность нуевых импульсов на выходе транзистора 14 и, соответственно, единичных на выходе элемента НЕ 16, Наступает момент, когда длительность единичных импульсов на выходе элемента НЕ становйтся такой, что они уже не совпадают по Фазе с импуль сами с выхода третьей схемы задержки и на выходе элемента совпадения 20 устанавливается постоянный единичный сигнал. Такой же сигнал находится на выходе элемента совпадения д 18, и значит на обоих Р 5 входах триггера 22 присутствуют единичные сигналы и он сохраняет свое прежнеесостояние. Дальнейший поворот ротораэлектродвигателя ведет к еще большему подмагничиванию дросселя 8 и соответственному сокращению длительностинулевых импульсов транзистора 14 иединичных импульсов элемента НЕ, Наконец, наступает момент времени, когда длительность нулевых импульсов навыходе транзистора 14 становится меньше длительности импульсов первой схемы временной задержки, и единичные импульсы на входах элемента18 начин,иют совпадать во времени. Навыходе элЪчента совпадения 18 формируются нулевые импульсы, первой изкоторых, воздействуя на 5 входтриггера 22, переводит его в единичное состояние, Напряжением с выходатриггера открывается бесконтактныйключ 28 и по секции в якорной обмотки начинает протекать ток, создающий вращающий момент. Ротор .двигателя поворачивается на большийугол и это ведет к еще большемунасыщению дросселя 8 и увеличениюдлительности нулевых импульсов навходе триггера 22. При полном насицении дросселя 8 их длительностьстановится равной длительности импульса первой схемы задержки. Послепереключения триггера 22 поворотротора электродвигателя ведет ктому, что поток постоянного магнита,пронизывающий дроссель 7, начинаетуменьшаться по величине. Когда магНИТНЫЙ ПОТОК СНИЗИТСЯ ДО НЕЛИЧИНЫрменьшей потока насыщения дросселя,последний начинает перемегничиваться под действием переменного напряжения, приложенного к его обмотке.Во время перемагничинания дросселяего индуктивное сопротинление велико и переменное напряжение с выходапреобразователя прикладывается ковходу транзистора 13. Транзистор открывается в положительный полупериодпеременееого напряжения Формируя наколлекторном выводе нулевые импульсы.Передний Фронт нулевых импульсонсовпадает с передним Фронтом положительной полуволны переменного .напряжения. На величину длительностинулевых импульсов сокращается длительность единичных на выходе элемента созпаДениЯ 17, КогДа нулевые импульсы сравняются с импульсами первой схемы зреееенной задержки по длительности, на выходе элемента совпадения 17 исчезнут нулевые импульсы, так как с этого момента на входах элемента И-НЕ " 7 будет присутствовать нулевой импульс: вначалепоочередно, а затем и однонременно,На Р и 5 входах триггера 21 находятся теперь единичные сигналы и снсохраняет свое предыдущее состояние.Ротор электродвигателя непрерывноповорачивается под действием вращающегося момента, магнитный поток постоянного ма.нита, подмагничивающийсердечник дросселя 7, ослабляется,длительность нулевых импульсов навыходе транзистора 13 увеличивается. 3Когда длительность нулевых импульсоввозрастает настолько, что превзойдетсумму времени задержки первой и второй схем задержек, на входах элемента 19 будут совпадать единичные сигналы, поступающие с выхода элементаНЕ 15 и третьей схемы временной зацержки, В моменты совпадения единичных импульсов на выходе элемента 19появляются нулевые импульсы, первый 13из которых переключает триггер 21 внулевое состояние. Бесконтактный .ключ 27 закрывается, и секция В обесточивается. Электродвигатель продолжает вращаться, так как секция Собмотки находится под током. Последующий поворот ротора электродвигателя ведет к подмагничиванию дросселя 6 датчика положения ротора ипереключению триггера с соответствующим переводом бесконтактного ключа . ф26 в открытое состояние. Далее выходит из насыщенного состояния дроссель 8 и закрывается бесконтактныйключ 28. Затем вновь подмагничивается дроссель 7 и включает бесконтактный ключ 27. В момент закрытиябесконтактного ключа 26, при выходедросселя 6 из насыщенного состояния,цикл переключения секций якорнойобмотки заканчивается. В дальнейшем циклы повторяются с частотойвращения поля индуктора электродвигателя. Электродвигатель разгоняется до заданной скорости вращения,величина которой может регулироваться напряжением источника питания 1,ВД может быть использован в реверсивном варианте беэ измененияего принципиальной схемы. В этомслучае устанавливается реверсор в 4 Зцепи питания обмотки индуктораэлектрической машины. При переключении реверсора изменяется направление протекания тока в обмотке индуктора и реверсируется ВД, 50Наличие блока из трех схем временных задержек позволяет, во-первых,реализовать четкую работу каждогобесконтактного ключа коммутаторанезависимо от исходного положения Яротора электродвигателя и направления его вращения, и, поэтому осуществить надежный запуск электродвигателя, во-вторых, обеспечить зону нечувствительности в очередности следования импульсов на й и 5 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.Формула изобретенияВентильный электродвигатель, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, датчик положения ротора с и чувствительнымИ элементами типадроссель насыщения", коммутатор с п бесконтактными ключами, служащими цля подключения секций якорной обмотки к источнику постоянного напряжения в функции углового положения ротора, формирователя каждого из выходных сигналов датчика положения ротора, включающего в себя усилитель и Й 5-триггер с двухвходовыми элементами совпадения на В и 5 входах, на первый вход одного из которых выход усилителя подключен непосредственно, а на первый вход другого через элемент НЕ и преобразователь постоянного напряжения в переменное высокой частоты, выход которого подключен к чувствительным элементам датчика, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения области применения путем создания воэможности использования его как в нереверсивном, так и реверсивном приводе, в устройство дополнительно введен блок из трех последовательно соединенных схем временных задержек, управляющая цепь первой из которых подключена к тому же выходу преобразователя, что и чувствительные элементы, при этом выход первой схемы временной задержки подключен ко второму входу первого элемента совпадения, а выход третьей сйемы временной задержки подключен ко второму входу второго элемента совпадения в каждом формирователе.Источники информации,приня-.ые во внимание при экспертизе1.Двигатели постоянного тока сполупроводниковыми коммутаторамипод ред. Е.И.Овчинникова. Л.,7 13 ) 0Ра/ Составитель А,СанталовРар.актор С,Титова Те:;.ред Т. Е;астелезкч, 1 огректор В,13 утяз к 703 аназ Государсдлазеи биет Одл.ал ЛГ 1111 атеит" улговс д, л,1 роент и а Д Я г 13 /31111 ИИ 11 И 1130 3- Ц ого ко,еиий35, Рау Г 1 андии с коетета СССРотары:и.й1 с 1 са 51 Баб, д . 1 Л