Вентильный электродвигатель

Авторы патента:

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в качестве регулируемого двигателя.

Обмотки датчика положения ротора выполнены следующим образом: вторая и третья выходные обмотки датчика положения ротора и вторая и третья секции синхронной машины соединены последовательно, а усилительно-преобразовательное устройство выполнено двухканальным, причем первая выходная обмотка датчика положения ротора подключена через первый канал усилительно-преобразовательного устройства к первой секции синхронной машины, а вторая и третья последовательно соединенные выходные обмотки датчика положения ротора подключены ко второй и третьей последовательно соединенным секциям синхронной машины через второй канал усилительно-преобразовательного устройства.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является вентильный электродвигатель, характеризующаяся более простым усилительно-преобразовательным устройством (за счет уменьшения числа каналов с трех до двух), а также повышенным уровнем унификации в связи с возможностью использования одного и того же усилительно-преобразовательного устройства и датчика положения ротора, для управления как трехфазной, так и двухфазной синхронной машиной.

Известен моментный двигатель с постоянными магнитами [1] (Столов Л.И, Зыков Б.Н. Моментные двигатели с постоянными магнитами. М., Энергия, 1977. С.19-20), содержащий двухфазную синхронную машину, двухфазный датчик положения ротора (вращающийся трансформатор) и двухканальное усилительно-преобразовательное устройство, подключающее каждую фазу датчика положения ротора к соответствующей фазе синхронной машины.

Недостатком такого электродвигателя является невозможность использования трехфазной синхронной машины.

Известны бесконтактные двигатели постоянного тока [2, 3] (патент США 4353016, автор Vemon А.Воrn, кл. НO2К 29/02 от 5.10.1982 и патент США 5194786, авторы David Smith и Robert Villamil, кл. Н02Р 6/0; Н02К 29/0(0), от 16.03.1993) с трехфазной синхронной машиной и датчиком положения ротора различного типа, при этом усилительно-преобразовательное устройство выполняется трехканальным с линейными усилителями мощности, выход каждого из которых подключен к соответствующей фазе синхронной машины.

Недостатком такого электродвигателя является необходимость в трех каналах усиления, что усложняет усилительно-преобразовательное устройство.

Число каналов усилительно-преобразовательного устройства может быть сведено к одному при выполнении усилителя мощности в виде трехфазного транзисторного моста с широтно-импульсной модуляцией, как это предложено в бесконтактных двигателях постоянного тока [4, 5] (патент США 3706923, автор John Danfield, кл. НO2К 29/02 от 19.12.1972 и патент США 7906929, авторы Uwe Krause, Uwe Nolte, Jan Spannberger, кл. G05B от 26.01.2007.) Однако применение усилителей с широтно-импульсной модуляцией сужает их полосу пропускания и приводит к помехам и пульсациям момента двигателя.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является "Бесколлекторный двигатель" - прототип [6] (А.с СССР 67797, автор Свечарник Д.В., кл. 21d², 41, опубл.: Открытия, изобретения, 1965 15), содержащий трехфазную синхронную машину, трехфазный датчик положения ротора (сельсин), выходные обмотки которого подключены через трехканальное усилительно-преобразовательное устройство к секциям синхронной машины.

Недостатком этого двигателя является наличие трех каналов усилительно-преобразовательного устройства и снижение уровня унификации в связи с невозможностью использования двухфазной синхронной машины.

Задачей предлагаемого технического решения является упрощение усилительно-преобразовательного устройства путем уменьшения числа каналов с трех до двух, а также повышение уровня унификации в связи с возможностью использования одного и того же усилительно-преобразовательного устройства и датчика положения ротора, для управления как трехфазной, так и двухфазной синхронной машиной.

Решение поставленной задачи достигается тем, что у вентильного электродвигателя, имеющего трехфазную синхронную машину с тремя секциями обмотки, трехфазный датчик положения ротора синхронной машины, имеющий обмотку возбуждения, являющуюся входом вентильного электродвигателя, и три выходные обмотки, подключенные через многоканальное усилительно-преобразовательное устройство, каждый канал которого включает последовательно соединенные фазочувствительные выпрямители и усилители мощности, к секциям синхронной машины, обмотки датчика положения ротора выполнены следующим образом: вторая и третья выходные обмотки датчика положения ротора и вторая и третья секции синхронной машины соединены последовательно, а усилительно-преобразовательное устройство выполнено двухканальным, причем первая выходная обмотка датчика положения ротора подключена через первый канал усилительно-преобразовательного устройства к первой секции синхронной машины, а вторая и третья последовательно соединенные выходные обмотки датчика положения ротора подключены ко второй и третьей последовательно соединенным секциям синхронной машины через второй канал усилительно-преобразовательного устройства.

На фиг.1 показана схема предлагаемого вентильного электродвигателя;

На фиг.2 - векторная диаграмма ЭДС секций обмотки трехфазной синхронной машины при включении секций в звезду;

На фиг.3 - векторная диаграмма фазных ЭДС обмотки трехфазной синхронной машины при предлагаемом включении секций по схеме фиг.1;

На фиг.4 - схема возможной модификации вентильного двигателя при использовании двухфазной синхронной машины.

Предлагаемый вентильный электродвигатель (фиг.1) содержит трехфазную синхронную машину 1, например, с постоянными магнитами на роторе 2, трехфазный бесконтактный датчик положения ротора 3, соединенный с ротором 2 синхронной машины 1, и двухканальное электронное усилительно-преобразовательное устройство 4, каждый канал которого состоит из последовательно соединенных фазочувствительного выпрямителя 5, 6 и усилителя мощности 7 и 8. Коэффициенты усиления (передачи) каждого канала одинаковы. Синхронная машина 1 имеет три секции обмотки: первую 9, вторую 10 и третью 11, последовательно соединенную с секцией 10. Буквами «н» и «к» обозначены соответственно начало и конец намотки каждой секции. Первая секция 9 подключена к выходу усилителя мощности 7, а последовательно соединенные секции 10 и 11 - к выходу усилителя мощность 8. Датчик положения ротора 3, выполненный, например, в виде бесконтактного индукционного редуктосина имеет обмотку возбуждения (первичная обмотка) 12, являющуюся управляющим входом вентильного электродвигателя и три сдвинутых на 120 электрических град выходных (вторичных) обмотки: первую 13, вторую 14 и третью 15, последовательно соединенную с обмоткой 14. Первая выходная обмотка 13 датчика положения ротора 3 подключена к входу фазочувствительного выпрямителя 5, а последовательно соединенные выходные обмотки 14 и 15 - к входу фазочувствительного выпрямителя 6. При этом синхронная машина 1 и датчик положения ротора 3 должны иметь одинаковое число пар полюсов.

Предлагаемый вентильный электродвигатель работает следующим образом:

При включении секций 9, 10 и 11 синхронной машины 1 в звезду, путем соединений выводов "к" в электрическую нейтраль, вся обмотка будет представлять обычную трехфазную обмотку синхронной машины, векторы ЭДС, наводимых в катушках при вращении ротора 2, которой показаны на фиг.2, где Е₉, Е₁₀, Е₁₁ - векторы ЭДС секций 9, 10 и 11 соответственно, сдвинутые на 120 градусов друг относительно друга и имеющие одинаковый модуль (амплитуду):

При включении секций 10 и 11 синхронной машины 1 последовательно встречно, как показано на фиг.1, векторная диаграмма ЭДС, наводимых в секциях обмотки синхронной машины 1, примет вид фиг.3, где модули векторов Е₉, Е₁₀, Е₁₁ по-прежнему равны. Однако синхронная машина становится двухфазной, поскольку сумма векторов Е₁₀,-Е₁₁ образуют вектор ЭДС которой направлен перпендикулярно вектору первой секции Е₉ Обозначая секции полученной двухфазной машины, как А и В, получим из фиг 3 выражения для амплитуд ЭДС фаз:

Таким образом, фазы А (образованной секцией 9) и В (образованной последовательным соединением секций 10 и 11) двухфазной машины 1 на фиг.1 не являются симметричными, так как наводимые в них ЭДС имеют разную амплитуду. Поскольку для нормальной работы любого вентильного электродвигателя фазные напряжения u_A и u_B, вырабатываемые усилительно-преобразовательным устройством, в режиме холостого хода должны уравновешиваться фазными ЭДС, в предлагаемом вентильном электродвигателе необходимо формировать фазные напряжения разной амплитуды:

В предлагаемом вентильном электродвигателе (фиг.1) это достигается использованием трехфазного индукционного датчика положения ротора 3 синхронной машины 1, выходные обмотки 14 и 15 которого соединены последовательно так, как показано на фиг.1.

Действительно, для трехфазного индукционного датчика положения ротора, например, сельсина при питании входной первичной обмотки переменным напряжением u_у частотой , напряжения вторичных обмоток будут иметь туже частоту, но разную амплитуду, определяемую следующими выражениями (см. [6] Хрущев В.В. Электрические машины систем автоматики. М. :Энергоатомиздат, 1985, с.200):

где:

k_тр - коэффициент трансформации датчика положения ротора,

U_у - амплитуда входного напряжения питании первичной обмотки u_у,

- угол поворота датчика положения ротора.

При последовательном соединении обмоток 14 и 15 так, как показано на фиг.1, амплитуды выходных напряжений датчика положения ротора u_a и u_b равны:

После выделения огибающих в фазочувствительных выпрямителях 5, 6 и усиления в усилителях мощности 7, 8 эти напряжения формируют фазные напряжения u_A и u_B.

где: k_y - коэффициент усиления каналов усилительно-преобразовательное устройство 4.

Амплитуды фазных напряжений равны:

что полностью соответствует выражению (4).

Таким образом, в соответствии с принципом действия вентильного двигателя эти фазные напряжения образуют в расточке статора синхронной машины 1 вращающееся магнитное поле, которое создает вращающийся момент двигателя, приводящий его ротор во вращение со скоростью, пропорциональной входному напряжению u_у.

Предлагаемое устройство может быть использовано и в том случае, если синхронная машина 1 является двухфазной. Для этого достаточно установить, как показано на фиг.4, на выходах датчика положения ротора 3 масштабирующие элементы 16 или 17 с коэффициентами передачи соответственно:

В этом случае амплитуды фазных напряжений U_A и U_B будут одинаковы.

Таким образом, вышеупомянутые сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной полезной модели следующей совокупности условий промышленной применимости:

- Вентильный электродвигатель предназначен для использования в качестве регулируемого двигателя;

- Для заявленного технического решения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле заявленной полезной модели, использованы элементы известные в электротехнике;

Список литературы:

[1] «Моментный двигатель с постоянными магнитами», Столов Л.И, Зыков Б.Н. Моментные двигатели с постоянными магнитами. М., Энергия, 1977. С.19-20

[2] «Бесконтактный двигатель постоянного тока», патент US 4353016, автор Vernon А.Born, кл. Н02К 29/02 от 5.10.1982

[3] «Бесконтактный двигатель постоянного тока», патент US 5194786, авторы David Smith и Robert Villamil, кл. Н02Р 6/0; Н02К 29/0(0), от 16.03.1993

[4] «Бесконтактный двигатель постоянного тока», патент US 3706923, автор John Danfield, кл. Н02К 29/02 от 19.12.1972

[5] «Бесконтактный двигатель постоянного тока», патент US 7906929, авторы Uwe Krause, Uwe Nolte, Jan Spannberger, кл. G05B от 26.01.2007.

[6] «Бесколлекторный двигатель», А.с СССР 67797, автор Свечарник Д.В.,

кл. 21d², 41, опубл.: Открытия, изобретения, 1965 15

Вентильный электродвигатель, содержащий трехфазную синхронную машину с тремя секциями обмотки, трехфазный датчик положения ротора синхронной машины, имеющий обмотку возбуждения, являющуюся входом вентильного электродвигателя, и три выходные обмотки, подключенные через многоканальное усилительно-преобразовательное устройство, каждый канал которого включает последовательно соединенные фазочувствительные выпрямители и усилители мощности, к секциям синхронной машины, отличающийся тем, что вторая и третья выходные обмотки датчика положения ротора и вторая и третья секции синхронной машины соединены последовательно, а усилительно-преобразовательное устройство выполнено двухканальным, причем первая выходная обмотка датчика положения ротора подключена через первый канал усилительно-преобразовательного устройства к первой секции синхронной машины, а вторая и третья последовательно соединенные выходные обмотки датчика положения ротора подключены ко второй и третьей последовательно соединенным секциям синхронной машины через второй канал усилительно-преобразовательного устройства.