Вентильный двигатель

(51) Н 02 К 29/ Е ИЗОБРЕТЕНИЯ ИОАН ВТОРСНОМ У ЕТЕЛ К.Р 11и В.М.Никитинрдена Трудового Крачно-нсследовательнструкторский институт релестроеГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(53) 621.313.13;014.2:621. 382(088.8) (56) 1. Двигатели постоянного тока с полупроводниковыми коммутаторами. Под ред. И.Е.Овчинникова. Л., нНаука", 1972, с.116.2. Патент Японии49-21846, кл. 55 С 2, 1974.(54)(57) 1. ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий статор с в-фазной якорной обмоткой, коммутатор с бесконтактными ключами, служащими для подключения фаэ обмотки к источнику постоянного напряжения, датчик положения ротора с в чувствительными элементами типа дроссель насьон(ения, преобразователь постоянного напряжения в переменное и в-канальное логическое устройство, подключенное между выходами датчика и входами коммутатора каждый канал которого состоит из транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером инвертора, подключенного по цепи входа к коллектору транзистора, и НЯ-триггера с логическими элементами на Н,Я-входах, дроссель насыщения подключен параллельно входу транзистора, прямой выход триггера соединен с входом клю ча коммутатора и дополнительно вход транзистора - с выходом преобразователя напряжения через резистор, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности и расщирения области применения, он сабжен логическими элементами И и ИЛИ с (ш) входами, на Я-входе триггера подключен логический элемент И с тремя входами, первый вход которого подключен к выходу инвертора одного канала, а второй и третий соединены Я соответственно с коллектором транзистора последующего и предыдущего ка- ф/ налов, на В-входе триггера подключен ф ф логический элемент ИЛИ с (ш) входа ми, соединенными с выходом трехвходового логического элемента И других р каналов.2. Двигатель по п.1, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что в каждый канал логического устройства дополни. тельно введены два резистора, первый из которых подключен в цепь эмиттера транзистора, а второй.- между эмитте. ром транзистора и инверсным выходом триггера.чения по применению. Значительноусложняется реализация реверсивноговарианта ВД ввиду необходимости дополнения устройства связи сложнымблоком для перекоммутации междуканальных связей в момент смены направления вращения. В этот момент отстающие каналы по очередности работыстановятся опережающими. В условияхпомех или кратковременных перерывахпитания возможно переключение триггеров в несогласованное состояние,что приводит к нарушению работоспособности ВД. По этой причине передкаждым включением устройства необходимо производить установку триггеровв исходное состояние для обеспечения гарантированного пуска ВД. Недостатком данного ВД является такженевысокая помехозащищенность,Цель изобретения - повышение надежности работы ВД и расширение области его применения.Это достигается тем, что ВД, содержащий статор с в-фаэной якорнойобмоткой, коммутатор с бесконтактными ключами, служащими для подключенияфаз обмотки к источнику постоянногонапряжения, датчик положения роторас в чувствительными элементами типадроссель насыщения, преобразовательпостоянного напряжения в переменноеи щ-канальное логическое устройство,включенное между выходами датчика ивходами коммутатора, каждый канал которого состоит из транзистора,включенного по схеме с общим эмиттером,инвертора, подключенного по цепивхода к коллектору транзистора, иВБ-триггера с логическими элементамина В,Б-входах, дроссель насыщенияподключен параллельно входу транзистора, прямой выход триггера соединенс входом ключа коммутатора и дополнительно вход транзистора - с выходомпреобразователя напряжения через резистор, снабжен логическими элементами И и ИЛИ с (ш) входами, на Я-входе триггера включен логический элемент И с тремя входами, первый входкоторого подключен к выходу инвертора одного канала, а второй и третийсоединены соответственно с коллектором транзистора последующего ипредыдущего каналов, на В-входе триггера включен логический элемент ИЛИс (т"1)входами и соединен по ним свыходом трехвходового логического элемента И всех каналов, исключая одноименный.Кроме того, в каждый канал логического устройства дополнительновведены два резистора, первый из которых включен в цепь эмиттера транзистора,а второй - между эмиттером транзистора и инверсным выходом триггера.Все междуканальные связи выполнены без использования выходов триггеИзобретение относится к электротехнике, а именно к специальным электрическим машинам, и может быть использовано при разработке высоконадежных экономичных систем электропривода.Известны вентильные двигатели (ВД),состоящие из электрической машины переменного тока, как правило, с вращающимся индуктором, коммутатора,подключающего фазы якорной обмотки к 10иСточнику постоянного напряжения илитока, датчика положения ротора (ДПР)с чувствительными элементами типадроссель насыщения и устройства связи, с помощью которого выходы ДПР 5соединены с управляющими цепями коммутатора 13.Из-за существующего технологичес-кого разброса параметров диодов вмостах происходит подмагничиваение ъ 0дросселей, находящихся вне поля индуктора ДПР. По этой причине ВД этоготипа имеют невысокие энергетическиепоказатели и завышенные габариты.Более эффективно построены ВДвторого й третьего типа с ВБ-триггерами в составе устройства связи, Наличие триггеров обеспечивает высокоэкономичную работу силовых элементовВД. Однако ВД второго типа реализуемы только с четным числом дросселейнасыщения(и 7 4), а ВД третьего типадополняются блоком временных задержек на дискретных элементах, Оба фактора ограничивают воэможности поминимизации массы и габаритов ВД. З 5Наиболее близким по техническойсущности к изобретению является ВД,содержащий статор с п-фазной якорнойобмоткой, ротор, ДПР, усилители мощности, по одному на фазу якорной обмотки, образующие коммутатор, и п-ка.нальное устройство связи, состоящееиз соединенных последовательно в каждом канале усилителя, инвертора иВЯ-триггера с логическим элементом И 45на втором входе. Триггер включен вукаэанную цепь по первому входу, усилитель подключен к обмотке дросселянасыщения (выходу ДПР), а выход триггера объединен со входом усилителямощности. Кроме того, входы логического элемента И объединены с выходами двух триггеров, входящих в составпоследующих по очередности работыканалов устройства связи,ВД с указанным устройством связи 55содержит минимум дискретных элементов, может быть выполнен с произвольным числом фаз якорной обмотки и имеет высокий коэффициент полезного действия(ВЯ-триггер обеспечивает экономичную работу усилителей мощности включевом режиме) 23.Однако из-за нерациональности выполнения междуканальиых связей. ВДнедостаточнр надежен и имеет .ограниров и независимо от направления вращения электрической машины. Указаннаялогика схемных взаимосвязей обеспечивает не только первоначальную ориентацию ВБ-триггеров по сигналам ДПРперед пуском ВД, но и повторяет ее5в процессе работы с частотой источника переменного напряжения, В результате ВД работоспособен и в условиях повышенного уровня помех, и прикратковременных перерывах электросна Обжения. Кроме того, данный ВД без изменений устройства связи может бытьреализован в реверсивном варианте,например, только за счет реверса поля индуктора, 15На фиг.1. представлена принципиальная электрическая схема ВД, на фиг.2и 3 - угловые и временные характеристики изменения длительностей импульсов на основных элементах ВД, нафиг.4 - диаграмма изменения длительности импульсов на входе логического,элемента И с учетом резистивной связи в функции угла поворота,Устройство (Фиг.1) содержит ДПР 1, 25состоящий из диэлектрической втулки 2в радиальных пазах которой размещеныдроссели насыщения, и диска с секторообразными прорезями 3, устройствосвязи с однотипными каналами 4, резистор 5, транзистор 6 проводимостип-р-п, резисторы 7 и 8, инвертор 9,логические элементы И 10 и ИЛИ 11,ВЯ-триггер 12, коммутатор с бесконтактными ключами 13, электрическаямашина переменного тока 14 с якорной З 5обмоткой, содержащей секции А,ВМна статоре, и вращающимся индуктором15, преобразователь 16 постоянногонапряжения в переменное повышеннойчастоты ( " 10-15 кГц), именуемый в .40дальнейшем преобразователь напряже-.ния.На фиг,2-4 обозначены: Тс Г, длительность нулевых импульсов на выходе транзистора соответствующих каналов связи 1,П, М; Г, т, "- длительность единичных импульсов йа выходе логического элемента И 10; Увыходное напряжение ВЯ-триггера 12;П Ь, П- напряжение на коллектрое транзистора в соответствующемканале связи 1,П,М; Б 9 - напряжениеЪна выходе инвертора;Б 1,ф, 1 щ - напряжение на выходе логического элементаИ; Т", 7, ", 7 - длительности нулевых (единичных импульсов при нулевом единичном сигнале на прямом выходе В 8-триггера соответствующего ка.нала связи.Конструктивную основу ВД составляет электрическая машина (ЭМ)14 переменного тока с вращающимся индуктором 15 электромагнитного или магнитоэлектрического типа. Якорная обмотка расположена на статоре ЭМ и соединена влучевую звезду А,ВМ. 651 Угловое положение индуктора ВД контролируется ДПР 1, Конструктивно ДПР состоит из двух основных деталей: диэлектрической втулки 2 с щ радиальными пазами на внутренней поверхности и диска 3 с симметричными секторообразными прорезями. Диэлектри ческая втулка крепится к подшипниковому щиту ЭМ, а профилированный диск насаживается на вал ЭМ и стопорится в плоскости симметрии втулки, Диск изготавливается из магнитотвердого материала и намагничивается радиально. Ширина каждой секторообразной прорези равна 360/вр геометрических градусов. Пазы на втулке расположены со сдвигом на 360/вр геометрических градусов по расточке, и в каждом из них закреплено по одному дросселю насьнцения. Дроссели насыщения изготовлены из миниатюрных ферритовых колец. Здесь р - число пар полюсов индуктора ЭМ, а щ - число фаз якорной обмотки.Электронную часть ВД составляют устройство 4 связи, коммутатор 13 и преобразователь 16 напряжения, с помощью которых ЭМ 14 переменного тока с ДПР 1 преобразуется в бесконтактную машину постоянного тока.Устройство связи состоит из однотипных каналов, объединенных между собой логическими связями, Каждый канал связи содержит три основных элемента: транзистор б, инвертор 9 и ВБ-триггер 12 с логическими элементами на входах. На прямом входе Я установлен трехвходовый логический элемент И 10, а на входе В - логический элемент ИЛИ 11 с (ш) входами.Транзистор 6 включен по схеме с общим эмиттером. Его вход является входом канала связи. Параллельно ему подключена обмотка дросселя. Коллекторный вывод транзистора соединен с входом,инвертора 9 (логического элемента НЕ) и дополнительно подключен к источнику питающего напряжения через балластный резистор для повышения помехоустойчивостиВыход инвертора соединен с первым входом трехвходового элемента И. Второй и третий входы элемента подключены к коллекторам транзисторов, соответственно,последующего и опережающего каналов. Входы (в)-входового логического элемента ИЛИ подключены соответственно к выходу трехвходового логического элемента И всех каналов связи, исключая рассматриваемый. Прямой выход триггера 12 является выходом канала связи и поэтому к нему подключена фаза А якорной обмотки через бесконтактный ключ коммутатора 13.С целью повышения надежности рабо ты ВД на объектах с высоким уровнем вибраций инверсный выход триггера 12 соединен .с эмиттером транзистора б60 65 через резистор 8 и, кроме того, между эмиттером транзистора и общей точкой устройства Включен второй резистор 7.Питание дросселей насыщения производится от преобразователя напряжения .1 б, который выполнен по одной из модификаций широко известной схемы Ройера. Выходная обмотка преобразователя напряжения подключена параллельно к обмотке всех дросселей насыще ния ДПР через развязывающие резисторы, в частности к обмотке дросселя насыщения первого канала подключение выполнено через резистор 5. Конструк.тивная щ-канальная симметричность построения ВД обуславливает в-фазную повторяемость электромагнитных процессов в устройстве. Поэтому рассмот рим работу ВД на примере одной фазы А. С целью определенности изложения эа исходное положение ротора ВД примем положение, при котором дроссель насыщения, связанный с входом транзистора б, находится против прорези секторообразного индуктора ДПР и его серденчик не пронизывается магнитным полем индуктора.При подаче в устройство питающего напряжения преобразователь 16 напряжения начинает формировать на выходе переменного напряжения прямоугольной З 0 Формы и повышенной частоты Г "- 10 кГц. Переменное напряжение поступает на обмотку дросселя насыщения и на вход транзистора б через резистор 5. Параметры дросселей (число витков У, се чение Я) и его индукция В выбраны из условия перемагничивания сердечника по Частному циклу кривой намагничивания (ьВ/2 = 0,9 ВЯ) переменным напряжением, приложейным к обмотке,где 40 В - индукция насыщения сердечника.5Индуктивное сопротивление ненасыщенного дросселя во многом больше индуктивного сопротивления насыщенного дросселя. Поэтому при положительной 45 полуволне напряжения большая часть тока, протекающая через резистор 5, ответвляется в базовую цепь транзистора б. Транзистор открывается и находится в открытом состоянии полпери ода. Отрицательной полуволной напряжения транзистор закрывается.Для принятого исходного положения отдельные дроссели находятся в зоне действия магнитного поля индуктора ДПР и их сердечники насыщены. Низкоомным сопротивлением насыщенных дрос селей шунтируются входные цепи транзисторов и последние надежно закрыты при любой полярности переменного напряжения.Условимся высокий потенциал на входе (выходе ) элемента, устройства считать единичным; а низкий - нулевым. Дальнейшее преобразование сигна лов в канале связи проиСходит таким образом, Нулевые импульсы с выходатранзистора б поступают на вход инвертора 9, на его выходе становятсяединичными.и, в свою очередь, поступают на первый вход логического элемента И 10, На второй и третий входылогического элемента И поступают единичные сигналы с выхода закрытыхтранзисторов двух других каналов связи, Для данной входной комбинациисигналов логический элемент И передает единичные импульсы с первого входана свой выход и соответственно наЯ-вход триггера 12. Первым входнымимпульсом триггер 12 устанавливаетсяв единичное состояние, а триггеры остальных каналов связи этим импульсомпереводятся в нулевое состояние помеждуканальным связям через логические элементы ИЛИ. Последующие импульсы повторяют принятые триггерами состояния. Единичным сигналом с выходатриггера 12 открывается бесконтактныйключ коммутатора 13 и подключаетсяфаза А якорной обмотки к источнику постоянного напряжения, По фазе А начинает протекать ток. От взаимодействиятока с магнитным полем индуктора 15возникает вращающий момент. Ротор ЭМначинает поворачиваться,Пусть вращение ротора происходитв направлении первоочередного появления прорези индуктора ДПР над однимдросселем. При появлении прорези надследующим по направлению вращениядросселем первый дроссель начинаетвходить в зону действия магнитногополя индуктора ДПР вследствие выбранной геометрии датчика, Первый сердечник дросселя начинает подмагничиваться полем индуктора, а второй сердечник дросселя выходит нз насыщенногосостояния и начинает перемагничиваться переменным напряжением.В процессе перемагничивания сопротивлениедросселя значительно увеличивается ипри положительной полуволне напряжения транзистор в следующем каналесвязи кратковременно открывается,Длительность открытого состояния транзистора пропорциональна степени размагничивания дросселя (2 ВвЯ- фи ) иопределяется следующим соотношением:ф- т (2 В 5 Я - фи ) где 0 - амплитуда положительной полуволны напряжения,ф - величина подмагничивающегопсердечника магнитного пото ка.Подмагничиваение первого дросселя ведет к сокращению длительности его перемагничивания и соответственно к сокращ нию длительности Т открытого состояния транзистора б, Таким образом, процесс входа второго дросселя в зону прорези индуктора ДПР ивыход из нее дросселя первого сопровождается появлением нулевых импульсов на выходе транзистора второгоканала связи и сокращением их длительности на выходе транзистора б первогоканала связи. Вид изменения длитель 5ности нулевых импчьсов на выходахтранзисторов в Фу.кции угла поворотаротора представлен на фиг.2.За счет междуканальной связи нулевые импульсы с коллектора транзистора второго канала связи подаются навторой вход логического элемента И 10и приводят к сокращению его выходногоимпульса по переднему фронту, Крометого, выходные импульсы логического 15элемента И сокращаются и по заднемуфронту за счет уменьшения длительности импульсов на первом входе (транзисторе б). Следовательно, поворот ротора ВД в зоне перехода (подмагничивания первого дросселя и размагничивания второго дросселя) сопровождаетсяпропорциональным обоим процессам сокращением длительности выходных импульсов логического элемента И соответственно по заднему и переднемуфронту (Фиг.За). Дальнейший поворотротора приводит к угловому положению,при котором длительности единичныхимпульсов на первом входе и нулевыхна втором входе логического элементаИ сравниваются, что соответствует сокращению длительности выходных импульсов до нуля (фиг.Зб).Ничтожный последующий поворот ротора ведет к появлению единичных импульсов на выходе логического элемента И во втором каналесвязи, так как у него единичные импульсы на первом входе будут превосходить нулевые на третьем входе, Навтором входе присутствует единичный 4 Осигнал (фиг.Зв). Первым единичным им-пульсом с выхода логического элементаИ во втором канале связи НБ-триггерустанавливается в единичное состояниеи по междуканальным связям через логические элементы ИЛИ этим же импульсом НБ-триггер в первом канале связи . переключается в нулевое состояние, ав остальных каналах подтверждаетсянулевое состояние НБ-триггеров. Синхронно с переключением триггеров вы.водится из рабочего состояния фаза А якорной обмотки и включается в работу фаза В, развивающая в этом положении ротора максимальный вращающий момент. Под действием электромагнитного мо мента ротор ВД продолжает разворачиваться в прежнем направлении. Единичные импульсы на выходе логического элемента И расширяются по длительности, и в момент полного выхода второ го дросселя, и в момент полного выхода второго дросселя из эоны действия магнитного поля индуктора ДПР (соот ветственно, полного входа в эту зону пеРвого дросселя) их длительность ста 65 становится равной полупериоду= Т/2переменного напряжения повышеннойчастоты. Последующая работа второгоканала связи аналогична описанномус учетом последовательности подключения очередных каналов связи дляпринятого направления вращения.Таким образом, непрерывно с частотой переменного напряжения в каждом канале связи на один из входовтриггера подаются единичные импульсы, однозначно задающие его состояние. На К-входе триггера единичныеимпульсы присутствуют при поворотеротора на угол, равный Зб 0/в эл,град.когда соответствующий дроссель ненасыщен, а на Б-входе - при дальнейшем повороте ротора до полного угла,За счет пространственного сдвигадросселей на 360/щр геометрическихградусов Фазы А,ВМ якорной обмотки поочередно переводятся в рабочее состояние, обеспечивая непрерывное действие максимального вращающегося момента на ротор. ВД разгоняется и при достижении электромагнитного равновесия в ЭМ начинаетвращаться с постоянной частотой.При вращении ротора ВД из исходного положения в направлении, обратном рассмотренному, процессы в устройстве будут отличаться от описанных лишь тем, что, например, с первым каналом связи будет взаимодействовать следующий по направлению вращения канал связи,Работа ВД рассмотрена без учетавлияния дополнительно введенных резисторов в каждый канал связи. Механизм действия введенной резистивнойсвязи рассмотрим на примере функционирования первого канала связи.В процессе работы первого каналасвязи сигнал на инверсном выходе НБтриггера 12 принимает два значениянулевое и единичное. При нулевом сигнале резистор 8 оказывается подключенным параллельно резистору 7 и шунтирует его. Резистор 7 выбирается низкоомным и в зашунтированном состояниипрактически не вносит изменений в работу транзистора б и дросселя первогоканала. В случае единичного сигналарезисторы 7 и 8 выполняют роль делителя напряжения и существенно влияютна процесс перемагничивания дросселяпервого канала. Положительная полуволна напряжения на обмотке дросселя перного канала возрастает по амплитуде нана величину (дай) падения напряженияна резисторе 7. Длительность перемагничивания первого дросселя и длительность нулевых импульсов на выходетранзистора б сокращается. Й 7108 1753 40Таким образом, за счет дополнительно введенных резисторов достигается надежное однократное переключение триггеров и силовых элементов ВД даже при колебаниях ротора ЭМ, не превышающих по амплитуде угол При вращении ВД характер действия резистивной связи наглядно рассматривать по диаграмме на фиг.4. Пусть ротор ВД начинает движение из принятого ранее исходного положения, длительность единичных импуль сов на первом входе логического элемента И 10 изменяется по крвой Г (Г ( о), так как ББ-триггер 12 находится в единичном состоянии по прямому выходу. Длительность нулевых 10 импульсов на втором входе логического элемента И изменяется по кривой Г (7Т") ввиду фиксации всех остальных триггеров устройства в нулевом состоянии по прямому выходу. Разность между длительностями (, -1,) равна длительности импульсов на выходе логического элемента И и Н-входе триггера. В положении ротора 8 2С когда разность становится нулевой (импульсы отрицательной длительности не существуют) появляются импульсы на выходе логического элемента И во втором канале связи, длительность которых равна разности (Г- ). Первым же импульсом триггер во втором канале связи переводится в нулевое состояние по инверсному выходу, а триггер 12 переключается в единичное состояние по тому же выходу. За счет смены резистивных связей длительность им пульсов на выходе логического элемента И второго канала связи скачком увели"иваеся до величины (-) Теперь, чтобы совершить обратное пе- реключениЕ триггеров, ротор ВД необ ходимо развернуть в обратном направлении на угол йЧ, пропорциональный коэффициенту передачи резистивной связи. Данный ВД достаточно прост в исполнении, содержит минимум конструктивных деталей и небольшое количество полупроводниковых элементов, обладает широкой универсальностью. Без изменения основы электронной схемы (вариацией числа однотипных каналов связи) ВД может быть реализован с любым (четным и нечетным) числом фаз якорной обмотки с нулевым или мостовым коммутатором в реверсивном или нереверсивном варианте. Наиболее рациональное построение реверсивного ВД - с реверсом в цепи питания электромагнитного индуктора. В электронном блоке ВД могут не применяться крупногабаритные дискретные элементы (конденсаторы) и поэтому он .может быть полностью реализован в интегральном исполнении, В условиях серийного производства ВД с интеграЛьными блоками ожидается положительный экономический эффект при выпуске более 20 тыс. изделий в год, увеличивающийся с ростом выпуска.ВД не только сочетает положительные свойства известных устройств, но также обладает новыми. За счет ;эффективных междуканальных связей достигнута высокая помехозащищенность ВД, В устройстве периодически с высокой частотой ( 10 кГц) задается состояние всех логических элементов для любого положения ротора. Поэтому практически на работу ВД не влияют случайные помехи, имеющие место в любой промышленной сети питающего напряжения и кратковременные перерывы в электроснабжении, Кро ме того, посредством дополнительно введенной в устройство резистивной связи обеспечено однократное эконо- мичное переключение силовых элементов ВД даже при воздействии на ротор возмущающих моментов, Сочетание высокой помехозащищенности с экономичной работой силовых элементов гарантирует повышенную надежность работы ВД.Редакт исР Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная 1562/50ВНИИПИ Госпо делам113035, Моск4 ираж бб 7дарственногоизобретенийа, Ж 35, Рау Под комитета СС открытий ская наб.,