Управляемый вентильный электродвигатель

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскмнСоциалистическиеРеспубликпо делам изобретений и открытий(53) УДК 621.313. . 13,014,2;621, .382 (088,8) Дата опубликования описания 23.12.82 В, М, Пименов и В. М. Никитине,.геВсесоюзный оРдена ТРУдового КРасного Знаментв наУчйи.е:,исследовательский, проектно-конструкторский и ехнощрическйй "институт релестрсения(54) УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ то 1Изобретение относится к электротехнике, а именно к специальным электрическим машинам, и может использоваться при разработке высоконадежных регулируемых по частоте вращения электро- приводов с большим срокомслужбы, особенно в системах с автономным питанием от химических или лучистых источников электроэнергии.Известны регулируемые по частоте вращения вентильные электродвигатели, состоящие из статора с 1 и-секционной якорной обмоткой, вращающегося индуктора, 1 тт -фазного датчика положения ротора (ДПР) р широтнО импульсного реГулятора (ШИР), полупроводникового коммутатора секций якорной обмотки,управляемого сигнала ДПР и ШИР. Управление частотой вращения вентильного электродвигателя (ВД) производится ШИР, кото о рый посредством полупроводниковых. ключей коммутатора осуществляет широтно- импульсную модуляцию напряжения, при,кладываемого к секциям якорной обмотки. 2ШИР выполнен в виде отдельного устройства, состоящего из автогенератора пилообразного напряжения, компаратора и лоГИЧЕСКИХ СХЕМ ДЛЯ ОбЬЕДИНЕНИЯ ЕГО Скоммутатором1 1,Известен также управляемый ВД, выполненный более, рационально, в которомШИР совмещен с индуктивным ДПР итранзисторным коммутатором. В этомустройстве автогенератор напряжения треугольной формы нагружен на обмотку возбуждения индуктивного ДПР. На выходных(статорных) обмотках ДПР трансформируется напряжение треугольной формы,модулируемое по амплитуде в функции углового положения ротора ВМ. Транзисторные ключи коммутатора дополнительновыполняют роль компараторов, сравниваяна переходе база - эмиттер два напряже-ния: напряжение с выходных обмоток,ДПР Отт и напряжение смешения Оса, Взависимости от соотношения сравниваемыхнапряжений 070 см "ли ОиОсм, тр.зисторный ключ переходит из закрытого3 МЗОсостояния в открытое и наоборот, осуществляя широтно-импульсное регулированиенапряжения на соответствующей секцииякорной обмотки. Пропорционально среднему значению напряжения на якорной обмотке устанавливается частота вращенияВМ 21.Этот управляемый ВД при несомненнойпростоте построения полупроводниковойсхемы содержит сложный и нетехнологич- щный при изготовлении индуктивный ДПРс обмотками на статоре и роторе. Крометого, индуктивный ДПР имеет низкийКПД ввиду трансформации напряжения, через воздушный зазор. 15Наиболее близким по технической суп- ности и решаемой задаче к изобретениюявляется ВД, содержащий вращающийсяиндуктор, статор с якорной обмоткой, секции которой соединены с выходом полу Опроводникового коммутатора, ДПР с чувствительными элементами типа дроссель насыщения, преобразователь постоянногонапряжения в переменное и нескольковспомогательных логических элементов,ВД конструктивно прост, технологичен,особенно ДПР, состоящий из двух несложных деталей диэлектрического кольца сМ -радиальными пазами (статор ДПР)и секторообразного магнита, насаженногона вал ВМ. В каждом пазу установлендроссель насьпцения, выполненный в видеферритового тора с одной обмоткой 31 .Отсутствие в ВМ регулировки частотывращения рграничивает область его при 35менения, так как у большинства производственных механизмов, приводимых вдвижение от электродвигателей, требуется подрегулировка (стабилизация) частоты вращения, изменяющейся под влиянием40возмущающих воздействий (колебания напряжения питающей сети, изменения параметров элементов под влиянием факторовокружающей среды и т. п.), или непрерывное регулирование частоты вращения впроцессе выполнения, возложенных на ме 45ханизм функций с максимальной производительностью при минимальном энергопот -реблении.Цель изобретения - расширение области применения ВД, путем обеспечениявозможности регулирования частоты вращения,Эта цель достигается тем, что в ВД,содержащий статор с м-секционнойякорной обмоткой, вращающийся индуктор,ДПР, выполненный в виде магнитоэлектрической машйны, в и пазах статоракоторой, выполненного из диэлектрического материала, размещено по одному дросселю насьпцения, преобразователь постоянного напряжения в переменное с двумя противофазными выходами со средней точкой и комплект из и транзисторных формирователей выходного сигнала дросселей насьпцения, каждый изкоторых состоит из одного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, базовый вывод транзистора присоединен через резистор к первому выходу преобразователя напряжения, а коллекторный вывод - непосредственно или через вспомогательные логические элементы к секцииякорной обмотки и параллельно переходу база - эмиттер транзистора подключена обмотка дросселя насьпцения, дополни- тельно введен второй комплект из и транзисторных формирователей, аналогичных первому, в каждом пазу ДПР установлен второй дроссель насыщения, обмотка второго дросселя присоединена аналогично первому к дополнительно введенному транзисторному формирователю, а базовый вывод последнего подключен через резистор к второму выходу преобразователя напряжения, и между среднейточкой преобразователя напряжения и обьединенными 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 насьпцения, установленные во втором пазу, преобразователь 6 постоянного напряжения в высокочастот ное переменное, прямоугольной формы (преобразователь напряжения), регулируемый источник 7 постоянного напряжения, транзисторы 8 и 9, резисторы 10 и 11, неинвертирующий транзисторный ключ 12, статор 13 ВМ с секциями А, В, ,М якорной обмотки, вращающийся индуктор14 (ротор ВМ), нерегулируемый источник15 электроэнергии постоянного тока.- налряжение на прямом выходеопреобразователя напряженищФ - магнитный поток ДПР, пронизывающий дроссели 4 и 5 насыщейия в процессе вращенияВМ;- напряжение на переходе база -ф эмиттер транзистора 8 (9);24 бобразователя намотана со средней точкой 1 для получения двух противофазных выходов, Оба выхода преобразователя напряжения присоединены к дросселям насыщения через токоограничиваюшие резисторы. Причем дроссели насыщения, расположенные в одном пазу диэлектрической втулки, присоединены к противофазнымвыходам, Между средней точкой трансформатора преобразователя и общей точкой устройства включен регулируемый источник 7 постоянного напряжения.Устройство работает следующим образом.В исходном состоянии индуктор ВМ занимает произвольное угловое положение, Сочлененный с индуктором магнит , ДПР насьпцает дроссели, оказавшиесяв зоне его магнитного сектора. Вне зоны воздействия магнитного сектора находится только два дросселя насыщения, рас, положенных в одном пазу для принятойширины сектора магнита и выбранногорасположения пазов.Предположим, что дрдссели 4 и 5находятся вне поля секторообразного магнита и, учитывая тот факт, что схемауправления секциями якорной обмоткивыполнена симметричной, то детальнорассмотрим процесс управления одной секции В.При подключении ВД к источнику 18 постоянного тока на выходах преобразователя напряжения формируется переменное напряжение частоты К = 10 кГц прямоугольной формы. Напряжение с противофаэных выходов преобразователя напряжения прикладывается к дросселям 4и 5 насыщения через соответствующиерезисторы 10 и 11 и регулируемый источник 7 постоянного напряжения.Вначале рассмотрим случай нулевого значения выходного напряжения регулируемого источника. Дроссели 4 и 5 не подмагничнваются полем секторообразного магнита и поэтому под действием приложенного переменного напряжения происходит перемагничивание материала сердечника дросселей, В этом режиме работыдросселя его индуктивное сопротивление велико и часть тока, ограниченная резистором 10 (11), ответвляется из цепи дросселя 4 (5) в параллельную цепь - переход баз - эмиттер; транзистора 8 (9). Для принятой проводимости транзисторов типа И - . Р - И ответвление тока в цепь базы транзистора происходит при положительной полуволне напряжения на обмотке дросселя. Базовым током 5 9839Ц - напряжение на объединенных: коллекторных транзисторов8 (9),Управляемый ВД представляет собой магнитоэлектрическую машину, на статоре 13 которой расположена якорная обмотка. Секции А, В, , М якорной обмотки соединены в у лучевую звезду и общая точка обмотки подключена к источнику 15 постоянного тока, С врюцаю- О щимся индуктором 14 жестко сочленен ДПР 1, осуществляющий управление ра; ботой секции якорной. обмотки через элементы 6-12.Конструктивно ДПР выполняется из 15 двух основных деталей диэлектрической втулки 2 с уи радиальными пазами на внутренней поверхности и секторообразвого магнита 3. Диэлектрическая втулка крепится к торцовой поверхности стат)ра 20 электрической машины, а секторообразный магнит насаживается на вал электрической машины и стопорится в плоскости симметрии втулки., Секторообразный магнит имеет форму р-лучевой симметринной 25 .звезды, у которой каждый луч (сектор)имеет ширину 560-Ы0 геометрических градусов, здесь О - длительность подключения секции якорной обмотки к источнику постоянного тока в угловых граф 30 дусах, - число пар полюсов индуктора электрической машины (у большинства микродвигателей 2 = 4).Пазы на втулке разнесены друг относительнодруга на 3 фгеометрических градусов и в каждом из них размещено по два дросселя насьпцения, 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 иэ 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 секцииякорной обмотки непосредственно или через неинвертируюшнй транзисторный ключ 12, Эмиттеры всех транзисторов Объединены с общей точкой устройства, Соединения остальных дросселей насыщения выполнены аналогично описан55 ному.Преобразователь 6 напряжения выполнен по широко известной схеме Ройера. Выходная обмотка трансформатора пре 7 9839соответствующий транзистор открываетсяи подключает по цепи коллектора непосредственно или через транзисторныйключ 12 секцию В якорной обмотки кисточнику 15 постоянного напряжения.За счет подключения дросселей 4 и 5 и,соответственно, базовых цепей транзис. торов 8 и 9 к противофазным выходампреобразователя напряжения происходитпоочередное отпирание указанных транзисторов. Коллекторные выводы транзисторов 8 и 9 обьединены и через объединенную коллекторную цепь секция В якорной обмотки оказывается непрерывно подключенной к источнику 15 постоянногонапряжения. По секции начинает протекатьток. За счет взаимодействия тока с магнитным полем индуктора возникает электромагнитный момент и сочлененная система роторов электрической машины и ДПР рцприходит во вращательное движение,В зависимости от исходного угдовогоположения дросселей 4 и 5 по отношениюк магнитному сектору через 360 врилименее геометрических градусов угловогопути роторной системы дроссели 4 и 5попадут в магнитное поле сектора ДПР инасыщены. Их индуктивное сопротивлениеснижается практически до нулевого значения и базовые цепи транзисторов 8 и зо9 оказываются зашунтированными низкоомными активными сопротивлениями обмоток дросселей. Транзисторы запираются и секция В обесточивается.В этот же момент времени или несколько ранее из зоны действия магнитногополя выходит очередная пара дросселейи через соответствующие транзисторыподключает очередную секцию якорнойобмотки к источнику постоянного тока. Врезультате поочередного подключениясекций якорной обмотки к источнику по,стоянноно тока происходит непрерывноевоздействие вращающего момента на ротор, ВМ разгоняется до тех пор, покане наступит электромагнитное уравновешивание приложенного к обмотке напряжения, наводимой в обмотках противо-ЭДСи приложенного к ротору момента нагрузки. Изменением величины приложенногонапряжения к секциям якорной обмоткиможно эффективно регулировать установившуюся частоту вращения ВМ,Рассмотрим процесс регулированиянапряжения секции В якорной обмотки,55Регулирование осуществляется изменением величины напряжения источника 7.При увеличении напряжения Оу источника7 пропорцинально уменьшается амплиту 24 8да отрицательной полуволны напряжения Оприкладываемая к обмотке дросселей и определяемая соотношением 01 Мгде 0 - амплитудное значение выходного напряжения преобразователя.Положительная полуводна напряжения на обмотке дросселя 4 (5) и, соответственно, на переходе база- эмиттер транзистора 8 (9) остается постоянной 0 =Соим за счет стабилизирующего действия нелинейности перехода база - эмиттер транзистора. До тех пор, пока. не уравняются по длительности фвольтсекундные площадки полуволн напряжения на обмотке дросселя, функционирование устройства аналогично вышеописанному.После уравнивания фвольтсекундных площадокф подуволн напряжения дальнейшее увеличение напряжения источника 7 приводит к уменьшению фв 6 льтсекундной ;площадкиф отрицатедьной полуволны напряжения 5 ор=О,рТЯ. меньшей значения ВС=ОэТХ, где Т - период переменного напряжения преобразователя напряжения,В этом случае перемагничивание дросселя положительной полуволной напряжения по длительности Ьи станет меньшим полупериода Т/2 и равнымОот рТ Он- Оу)Т Т" 0-Обэ 208 эСердечникдросселя, например, 4 перейдет в насьпценное состояние ранее полу- периода приложенного напряжения. Насыщение дросселя ведет к резкому уменьшению его индуктивного сопротивления. Низкоомным омическим сопротивлением насыщенного дросселя шунтируется переход база - эмиттер транзистора 8 и последний запирается. До начала воздействия "очередной подуволны напряжения оба транзистора 8 и 9 закрыты, и, следовательно, обесточат секцию В якорной обмотки. В следующий полупериод описанный процесс повторится с дросселем 5 н транзистором 9.Таким образом, запирание обоих транзисторов происходит поочередно в каждый подупериод переменного напряжения и приводит к широтно-импульсной модуляции напряжения, прикладываемого к секции якорной обмотки. Изменяя величину управляющего напряжения Оу можно регу пировать глубину широтно-импульсной модуляции напряжения в широких пределах9 0839и тем самым, управлять частотой Вращенйя ВД.ВД обладает широкой универсальностью в зависимости от конкретных требований к электрической машине, ВД .может 5быть выполнен с любым (четным или нечетным) числом секций якорной обмотки,с одной или несколькими секциями, находящимися под нагрузкой. Для этого достаточно, в первом случае, изготовить 1 ОДПР с числом пазов, равным числу секций якорной обмотки и дополнить устройство транзисторными формирователями,а во. втором - изменить ширину секторамагнита ДПР. 15Реализация в устройстве ВМ широтноимпульсного регулятора напряжения поз-воляет использовать его для широкого. класса различных механизмов, особеннов иэделиях с автономными нерегулируемыми химическими или лучистыми источниками электроэнергии постоянного тока.В сравнении с известными бесконтактными машинами постоянного тока, предлагаемый ВМ достаточно прост в конст 25руктивном и схемном исполнении, техиологичен в серийном производстве, обеспечивает качественное регулирование частотывращения во всем диапазоне, имеет выс окий КПД особенно в микроминиатюр- зеном исполнении, когда ДПР становитсясоизмеримым по габаритам и потребляемой мощности с самой электрической машиной. Транзисторы формирователей,Мпомогательных неинвертирующих клю 35чей и преобразователя работают в экономичном ключевом режимеВысокая крутизна фронтов переключения транзисторовобеспечивается за счет применения сер-дечников для дросселей насьпцения ипреобразователя напряжения из материала с прямоугольной петлей гисте-резиса Управляемый вентильный электродвигатель, содержащий индуктор, статор с 1 ю :екционной якорной обмоткой, дат чик положения ротора, выполненный в виде магнитоэлектрической машины, в щ пазах статора которой, выполненного из диэлектрического материала, размещено по одному дросселю насыщения, преобразователь постоянного напряжения в переменное с двумя противофаэными выходами со средней точкой и комплект из щ транзисторных формирователей выходного сигнала дросселей насыщения, каждый из которых состоит из одного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, базовый вывод транзистора присоединен через резистор к первому выходу преобразователя напряжения, а коллекторный - к секции якорной обмотки, параллельно переходу база эмиттер транзистора подключена обмотка дросселя насыщения. о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью расширения области применения путем обеспечения возможности регулирования частоты вращения, он снабжен регулируемым источником постоянного напряжения, допопни тельно введен второй комплект иэ м транзисторных формирователей, аналоги - ных первому, в каждом пазу датчика положения ротора установлен второй дроссель насыщения, обмотка второго дросселя присоединена аналогично перво .му к дополнительно введенному транзисторному формирователю, а базовый вьпкщ последнего подключен через резистор к второму выходу преобразователя напря-, жения, и между средней точкой преобразователя напряжения и обьединенными эмиттерами всех транзисторных форми рователей жлючен регулируемый источник постоянного напряжения.Источники информации.принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР Ж 488286, кл. Н 02 К 29/02,1973.2. Крывой В. Н. и др. Бесконтакткые электродвигатели постоянного тока. М., фИнформэпектроф, 1970, с. 51.3. Авторское свидетельство СССР Ж 754595; кл. Н,02 К 29/02, 1978. Наибольший экономический эффект от использования предлагаемого ВМ достигается в системах стабилизации (регулмрования) частоты вращения силовых . гироскопов, применяемых для управления аппаратами с автономными .лучистыми или химическими источниками электроэнергии постоянного тока. 24 10 формула изобретения