ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ АГРЕГАТ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
ELECTRIC DRIVE ACTUATOR UNIT

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в следящих электроприводах.
Известен исполнительный агрегат (ИА), содержащий синхронный двигатель (СД), синхронный генератор (СГ) и датчик положения (ДП) его потока, применяемый в электроприводах [1].
Недостатком такой конструкции является сложность как самого ИА, так и схем преобразования и разделения сигналов СГ и ДП.
Наиболее близким к предлагаемому решению является ИА электропривода, содержащий многополюсный ротор и зубчатый статор, на котором размещены обмотки СД и СГ, выполненные с зубцовым шагом, а также элементы ДП, выполненные, например, в виде датчиков Холла (ДХ) [2].
К недостаткам конструкции прототипа можно отнести следующее.
D
Г
1. Ограниченный момент (М) СД, поскольку, во-первых, его обмотка размещена не на всех зубцах статора Z, а только на тех зубцах, где нет обмотки СГ, занимающей три зубца, т.е. она занимает тридцать три зубца из тридцати шести (Z=Z-Z), и, во-вторых, у СД небольшой коэффициент электромагнитной редукции, равный числу пар полюсов p (p=12).
2. Так как секции обмоток СГ размещены на соседних зубцах, то четные гармоники в выходном напряжении СГ (возможность возникновения которых обусловлена технологическими погрешностями изготовления ИА) оказываются нескомпенсированными.
ИД
3. Размещение обмоток СД и СГ на одном магнитопроводе приводит к возникновению взаимоиндуктивности L, которая ограничивает полосу пропускания привода, снижая его коэффициент усиления.
Ω
Ω
4. ДП с тремя ДХ (N=3) формирует ток, в котором содержатся гармоники с номерами ,  (то есть с номерами 5, 7, 11, 13 и т.д.). При этом образуется пульсация момента (ΔM) с частотой шестой гармоники  и амплитудой ΔМ=13,8% от величины Mmax. Кроме того, при таком ДП в выходном напряжении датчика скорости (ДС) U, включающего в себя СГ и преобразователь его напряжения в реверсивный сигнал постоянного тока [3], образуется такая же пульсация ΔU=13,8% от U с частотой шестой гармоники.
ДГ
Технической задачей данного предложения является улучшение технических характеристик ИА и привода в целом, а именно повышение момента СД и крутизны СГ; компенсация четных гармоник в токе статора СД, выходном напряжении СГ и выходных сигналах ДП; улучшение формы статора СД; уменьшение пульсации момента СД и выходного напряжения ДС; уменьшение величины L. Это расширит область применения ИА и привода в целом.
Технический эффект состоит в более равномерном распределении статорных обмоток СД и СГ и достигается тем, что статор ИА электропривода содержит два магнитопровода, на одном из которых размещена обмотка СД, а на другом - обмотка СГ и элементы ДП, причем указанные обмотки занимают все пазы своего магнитопровода, а элементы ДП размещены на зубцах одной из фазовых групп соответствующей фазы СГ и расположены относительно друг друга под углом в ϕ радиан, где  для нечетного и  для четного числа фаз m ИА. При этом ДП может быть снабжен вторым комплектом элементов, размещенных на зубцах диаметрально расположенных фазовых групп обмоток СГ.
На фиг. 1 приведена конструктивная схема ИА.
На фиг. 2 представлена электрическая схема ИА со стороны СГ с элементами (в данном случае - ДХ) ДП, размещенными на 3-х фазовых группах в соответствии с п. 1 формулы изобретения, а на фиг. 3 - тот же ИА, но с двойным комплектом диаметрально расположенных ДХ в соответствии с п. 2 формулы изобретения.
На фиг. 1 схематично представлена конструкция ИА, содержащего закрепленный в корпусе 1 статор, выполненный из двух магнитопроводов - 2 для СД и 3 для СГ. Оба магнитопровода набраны из одних и тех же листов стали и имеют одинаковое число зубцов Z. Пространственно магнитопроводы статора совмещены по угловому положению. Многополюсный ротор 4 закреплен по валу 5 ИА. При этом магниты (полюса) 6 могут занимать всю длину ротора (например, при относительно коротких лобовых частях) или занимать часть длины ротора, расположенную непосредственно под магнитопроводами, как показано на фиг. 1. На зубцах магнитопровода СГ размещены датчики Холла 7 ДП. Обмотки СД и СГ выполнены с зубцовым шагом [3]. Соотношение числа полюсов (2р) на роторе и числа зубцов (Z) на статоре в таких электрических машинах определяется выражением
,
где k - число зубцов в фазовой группе (т.е. число смежных зубцов, на которых размещены секции одной фазы обмотки статора), m - число фаз в обмотке. Число фазовых групп в каждой фазе обмотки .
Обмотки СД и СГ занимают все фазовые группы на своих магнитопроводах, а элементы (ДХ) ДП размещаются на зубцах магнитопровода одной фазовой группы (фиг. 2) или двух диаметрально расположенных фазовых групп (фиг. 3) обмотки СГ.
Σ
Представленный на фиг. 2 вариант предлагаемого ИА имеет следующие параметры. Число зубцов на статоре 8 Z=36, число полюсов на роторе 9 2р=30, число фаз m=3, величина k=2 и значение km=6. Число N ДХ 7 в ДП N=km=6. Однако при необходимости подавления четных гармоник в выходных сигналах ДП используют второй комплект диаметрально расположенных ДХ 7' (см. фиг. 3) [4]. Тогда суммарное число ДХ будет равно N=6+6=12. ДХ установлены в зазоре СГ в углублениях на торцах зубцов фазовых групп, расположенных под углом в 120°. Выбор величины k=2, во-первых, увеличивает число полюсов в 1.25 раза, т.к. km=6 (см. форм. 1), и, во-вторых, повышает число ДХ, т.к. N=km. Это улучшает форму статорного тока (в нем нет низких гармоник с 3 по 9 включительно, т.к. в данном случае ). При этом уменьшается пульсация момента ΔM СД и выходного напряжения ΔU ДС в 4 раза при увеличении частоты пульсации в 2 раза, т.к. [3]
, а .
Последнее дает возможность уменьшить постоянную времени фильтра ДС в 8 раз.
Размещение обмоток СД и СГ во всех пазах магнитопроводов (в том числе и на диаметрально расположенных) и использование двух комплектов расположенных диаметрально ДХ обеспечивает подавление четных гармоник в токе статора СД, в выходном напряжении СГ и в выходных сигналах ДП.
ДГ
ДГ
Кроме того, такое размещение обмоток СД и СГ повышает момент СД и крутизну СГ, а также уменьшает величину взаимоиндуктивности L (т.к. взаимоиндуктивная связь обмоток осуществляется через воздушный зазор между лобовыми частями, а для дальнейшего уменьшения величины L можно поставить кольцевой экран между обмотками СД и СГ).
ДГ
Д
Отметим, что аналогичные характеристики ИА можно получить и в конструкции прототипа, но при этом длина магнитопровода должна быть увеличена в 1,32 раза. Это можно показать следующим образом. Предварительно отметим, что уменьшение величины L в таких конструкциях осуществляется за счет введения так называемых "экранирующих" зубцов, где нет обмоток ни СД, ни СГ [3]. В приводах астроинструментов с большим диаметром ИА и большим числом зубцов (Z=72, 2р=60) [3] используют по три экранирующих зубца с каждой стороны диаметрально расположенных секций обмотки СГ. Но при Z=36 можно ограничиться одним зубцом с каждой стороны. Тогда число зубцов Z, выделенных под обмотку СД, будет равно
,
а величина момента будет равна
.
Величина момента прототипа
.
Следовательно, для получения заданного момента длина магнитопровода ИА должна быть увеличена в  раза.
Длина магнитопровода СД в предлагаемом ИА составит для получения того же момента , т.к.
.
Длина магнитопровода СГ при той же крутизне, что и прототипа, составит , т.к. , a . Итого .
Таким образом, предлагаемое устройство ИА обладает лучшими техническими характеристиками и обеспечивает заданную величину момента СД и крутизны СГ при меньшей длине магнитопровода.
Источники информации
1. Патент РФ №2112309. Электроагрегат. В.Н. Бродовский, Б.Н. Каржавов, В.П. Петухов, Ю.П. Рыбкин Б.И. №15. 1998 г.
2. Патент РФ №2392730. Электрический следящий привод. Б.Н. Каржавов, Н.В. Буторин, В.Н. Бродовский. Б.И. №17. 2010 г.
3. М.В. Баранов, В.Н. Бродовский, Д.В. Зимин, Б.Н. Каржавов. Электричекие следящие приводы с моментным управлением исполнительными двигателями. М. Из-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2006 г.
4. Б.Н. Каржавов. Построение синхронных агрегатов для электроприводов с управлением моментом исполнительного двигателя. Электричество. 2013 г. №4.