ТРЕХФАЗНЫЙ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С МИНИМАЛЬНЫМИ ШУМАМИ, ВИБРАЦИЯМИ И ПУЛЬСАЦИЯМИ МОМЕНТА, СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ
THREE-PHASE VALVE-INDUCTOR MOTOR WITH MINIMUM NOISE, VIBRATIONS AND PULSATIONS OF TORQUE, METHOD AND DEVICE OF CONTROL

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в электроприводах различных механизмов и исполнительных устройствах автоматических систем.
2
1
2
1
Известны многофазные вентильно-индукторные двигатели с прямыми полюсами ротора и статора и сосредоточенными обмотками, расположенными на полюсах статора [Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - М.: Издательство МЭИ, 2003., с.62]. В таких двигателях Z=Z±2, где Z - число полюсов ротора; Z - число полюсов статора, поэтому ротор вентильно-индукторного двигателя вращается с частотой, меньшей, чем частота первой гармоники токов фаз
где Ω - частота вращения ротора;
ω - частота первой гармоники токов фаз.
Фазы этих двигателей коммутируются напряжением при помощи полумостовых схем. В результате чего токи фаз становятся существенно нелинейными, в общем случае несинусоидальными и при разложении в ряд Фурье имеют в своем составе нулевую, первую и высшие гармоники [Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - М.: Издательство МЭИ, 2003., с.10-19].
Основным недостатком этого технического решения является повышенный уровень шумов и вибраций, возникающих из-за резонансных явлений частей вентильно-индукторных двигателей при частотах первой и высших гармоник тока фаз [Шабаев В.А. Анализ источников шума вентильно-индукторного двигателя // Электротехника. 2005, №5. С.62]. Вторым источником шумов и вибраций являются ударные колебания частей вентильно-индукторных двигателей, возникающие благодаря наличию разрывов производных токов фаз и производных индуктивностей фаз по углу поворота ротора, если в этот момент токи фаз не равны нулю. Особенно сильно это проявляется, если эти разрывы совпадают по времени [Wu. С., Pollock С. Analysis and reduction of vibration and acoustic noise in the switches reluctance drive // IEEE transaction on industry application. - V.31. - 1995. - №1. - P.91-98].
Вторым недостатком этого технического решения являются высокие пульсации момента [Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - М.: Издательство МЭИ, 2003., с.19-21.].
Целями предлагаемого изобретения является уменьшение уровня шумов, вибраций и пульсаций момента.
1
2
1
2
пр
мр
пс
Поставленные цели достигается тем, что в известных трехфазных вентильно-индукторных двигателях, содержащих явнополюсные симметричные статор и ротор, с Z=(2×3)p; Z=(2×3±2)p, где Z - число полюсов статора; Z, - число полюсов ротора; p - число пар полюсов статора, p=1, 2, 4, 8……, угловая ширина полюсов ротора равна угловой ширине межполюсного расстояния полюсов ротора и угловой ширине полюсов статора α=α=α, а обмотки полюсов статора управляются тремя токами
max
, при 0°<θ<60°, iA=I, при 60°<θ<120°,
, при 120°<θ<180°, iA=0, при 180°<θ<360,
max
, при 120°<θ<180°, iB=I, при 180°<θ<240°,
, при 240°<θ<300°, iB=0, при 300°<θ<420°,
max
, при 240°<θ<300°, iC=I, при 300°<θ<360°,
, при 0°<θ<60°, iC=0, при 60°<θ<240°,
max
где iA, iB, iC - текущее значение токов соответствующих фаз; I - максимальное значение токов фаз; θ - угловое положение ротора в электрических градусах, которые формируются за счет датчиков токов фаз, датчика положения тока ротора при помощи релейно-токового способа управления.
По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемое устройство имеет следующие новые признаки:
- угловая ширина полюсов ротора равна угловой ширине межполюсного расстояния полюсов ротора и угловой ширине полюсов статора;
- обмотки полюсов статора управляются тремя токами,
max
, при 0°<θ<60°, iA=I, при 60°<θ<120°,
, при 120°<θ<180°, iA=0, при 180°<θ<360°,
max
, при 120°<θ<180° iB=I, при 180°<θ<240°,
, при 240°<θ<300°, iB=0, при 300°<θ<420°,
max
, при 240°<θ<300° iC=I, при 300°<θ<360°,
, при 0°<θ<60°, iC=0 при 60°<θ<240°;
- текущие значения токов фаз формируются за счет датчиков токов фаз, датчика положения тока ротора при помощи релейно-токового способа управления.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует требованию «новизна».
При реализации предлагаемого изобретения уменьшаются шумы и вибрации вентильно-индукторного двигателя за счет отсутствия разрывов производных токов при текущих значениях токов, не равных нулю, и уменьшаются пульсации момента за счет того, что при такой форме тока и соотношениях угловой ширины полюсов и межполюсных расстояний ротора и статора, определяющих производные индуктивностей фаз по углу поворота ротора, вращающий момент на валу постоянный и не зависит от углового положения ротора.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, электропривода и электродвигателей.
1
2
Трехфазных вентильно-индукторных двигателей, содержащих явнополюсные симметричные статор и ротор с Z=(2×3)p; Z=(2×3±2)p, угловая ширина полюсов ротора которых равна угловой ширине межполюсного расстояния полюсов ротора и угловой ширине полюсов статора, а обмотки полюсов статора управляются тремя токами,
max
, при 0°<θ<60°, iA=I, при 60°<θ<120°,
, при 120°<θ<180°, iA=0, при 180°<θ<360°,
max
, при 120°<θ<180°, iB=I, при 180°<θ<240°,
, при 240°<θ<300°, iB=0, при 300°<θ<420°,
max
, при 240°<θ<300°, iC=I, при 300°<θ<360°,
, при 0°<θ<60°, iC=0 при 60°<θ<240°, которые формируются за счет датчиков токов фаз, датчика положения тока ротора при помощи релейно-токового способа управления в известных технических решениях не обнаружено.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявленному техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».
np
nc
мр
np
nc
мр
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 приведен трехфазный вентильно-индукторный двигатель с минимальными шумами, вибрациями и пульсациями момента, с 6 полюсами статора и 4 полюсами ротора. На фиг.1 обозначено: 1 - полюс статора; 2 - полюс ротора; 3 - обмотка полюса статора; 4 - вал; А-С - полюса статора, оснащенные обмотками соответствующих фаз; α - угловой размер полюса ротора; α - угловой размер полюса статора; α - угловой размер межполюсного расстояния ротора. В данном двигателе α=α=α=45°.
np
nc
мр
np
nc
мр
На фиг.2 приведен трехфазный вентильно-индукторный двигатель с минимальными шумами, вибрациями и пульсациями момента, с 6 полюсами статора и 8 полюсами ротора. На фиг.2 обозначено: 1 - полюс статора; 2 - полюс ротора; 3 - обмотка полюса статора; 4 - вал; A-C - полюса статора, оснащенные обмотками соответствующих фаз; α - угловой размер полюса ротора; α - угловой размер полюса статора; α - угловой размер межполюсного расстояния ротора. В данном двигателе α=α=α=22,5°.
2
2
2
2
max
min
На фиг.3 приведены диаграммы работы трехфазного вентильно-индукторного двигателя с минимальными шумами, вибрациями и пульсациями момента. На фиг.3 обозначено: θ=0°……360° - угловое положение ротора относительно статора в электрических градусах; iA, iB, iC - текущие значения токов соответствующих фаз; (iA), (iB), (iC) - текущие значения токов соответствующих фаз в квадрате; LA, LB, LC - индуктивности соответствующих фаз в зависимости от углового положения ротора; L, L - максимальные и минимальные значения индуктивностей фаз; , ,  - производные индуктивностей фаз по углу поворота ротора; MA(t):=dLA(t)0,5(IA(t)) - вращающий момент на валу двигателя, создаваемый фазой А; МА+MB+МС - суммарный вращающий момент на валу двигателя, создаваемый фазами А, В С.
з
A
B
C
A
C
На фиг.4 приведена структурная схема регулятора момента трехфазного вентильно-индукторного двигателя с минимальными шумами, вибрациями и пульсациями момента. На фиг.4 обозначено: R - резистор, задающий амплитуду и направление вращения вектора заданного тока; +U, -U - напряжения питания резистора, задающего амплитуду и направление вращения вектора заданного тока; I - заданный вектор тока; БИП - блок изменения полярности; БВМ - блок выделения модуля (линейный выпрямитель); ЦАПА, ЦАПВ, ЦАПС - цифроаналоговые преобразователи соответствующих фаз; ПЗУА, ПЗУВ, ПЗУС - постоянные запоминающие устройства соответствующих фаз; ДП - датчик положения ротора вентильно-индукторного двигателя; БСА, БСВ, БСС - блоки сравнения текущих значений заданных токов и токов обмоток соответствующих фаз; i, i, i - текущие значения токов обмоток соответствующих фаз; K1-K6 - компараторы с гистерезисом; VT1-VT6 - силовые транзисторы; компаратор направления момента; VD1-VD6 - силовые диоды; ДТ1-ДТ4 - датчики тока; Е - источник постоянного напряжения; С - конденсатор источника постоянного напряжения; L-L - индуктивности соответствующих фаз; БВМ - блок выделения модуля.
з
з
з
з
A
B
C
A
B
C
Регулятор момента трехфазного вентильно-индукторного двигателя работает следующим образом. Резистором R задается амплитуда и полярность вектора тока I. Сигнал, пропорциональный I, подается на вход БВМ, с выхода которого сигналы подаются на аналоговые входы ЦАПА, ЦАПВ и ЦАПС. Сигнал, пропорциональный I, подается и на вход K7, который определяет направление вращающего момента в зависимости от полярности I, на вторые входы ЦАПА, ЦАПВ и ЦАПС подаются коды с выходов ПЗУА, ПЗУВ, ПЗУС, входы которых соединены с выходами датчика положения ротора ДП и выходом компаратора K7. На выходах ЦАПА, ЦАПВ и ЦАПС формируются сигналы, пропорциональные заданным токам фаз (в соответствии с фиг.3). Эти сигналы подаются на входы БСА, БСВ и БСС, на другие входы которых подаются сигналы, пропорциональные текущим значениям токов i, i, i, а разности сигналов, пропорциональных заданным токам и текущим значениям токов фаз, подаются на входы компараторов, выходы которых подсоединены к базам соответствующих транзисторов и включают и выключают их, регулируя среднее значение токов i, i, i в соответствии с заданными значениями.
Момент, который развивает каждая фаза  при конфигурациях вентильно-индукторных двигателей, показанных на фиг.1 и фиг.2, показан на фиг.3. Индуктивность каждой фазы двигателя в процессе вращения увеличивается и уменьшается линейно пропорционально углу поворота ротора с периодом 360 электрических градусов и со сдвигом 120 электрических градусов (как показано на фиг.3), поэтому функция  постоянна по амплитуде, но периодически меняет свой знак через 180 электрических градусов, а периоды производных индуктивностей фаз  сдвинуты на 120 электрических градусов. Ток фазы А, квадрат тока фазы А и , при 120°>θ>60° - постоянны и имеют положительный знак, поэтому и момент, развиваемый этой фазой  постоянен, имеет положительный знак и . При 60°>θ>0° , а , так как , то , аналогичные вычисления можно провести для 360°>θ>0° и везде момент будет иметь постоянное значение, а уменьшение шумов и вибраций обеспечивается тем, что разрыв производных индуктивностей фаз по углу поворота ротора происходит при токах этих фаз, равных нулю.