ЭЛЕКТРОПРИВОД С ДВИГАТЕЛЕМ НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к низкооборотным высокомоментным электроприводам и может быть использована в системах автоматики в качестве тяговых управляемых электроприводов.
При управлении технологическими процессами используются устройства для регулирования расхода, состоящие из регулирующего органа, редуктора и электродвигателя. Скорость вращения регулирующего органа при этом составляет не более 1-2 рад/с, а для передачи вращающего момента от электрического двигателя, используется редуктор, позволяющий снизить скорость перемещения регулирующего органа и увеличить вращающий момент.
Недостатком таких устройств является их громоздкость и повышенный шум трущихся частей редуктора и двигателя при работе.
Для снижения шума устройства регулирования расхода может быть использован бесконтактный двигатель на постоянных магнитах, работающий от источника питания постоянного тока. При этом двигатель может соединяться с регулирующим органом непосредственно, без редуктора, что повышает надежность устройства.
Известны шаговые двигатели фирмы Schneider electric (каталог «Stepper motors. 1.8° 2-phase stepper motors»), а именно модель M-3447-6,3, позволяющая получить угловое перемещение с шагом 1,8°, развивающим момент вращения 7,7 Нм, и имеющим габаритные размеры 120 мм длину и 86 мм в диаметре.
Недостатком этого двигателя является низкий удельный момент вращения, приходящийся на объем двигателя и значительный шаг углового перемещения.
Известна модульная синхронная электрическая машина, выбранная в качестве прототипа (патент №2414039 на изобретение от 14.01.2010 г.), состоящая из ротора, который содержит М явно выраженных полюсов с катушками на них, которые включены последовательно, при этом постоянный ток, протекающий по ним, создает разноименную последовательность магнитных полей на полюсах ротора, и статора, который содержит Н явно выраженных полюсов с катушками на них, которые объединены в группы. По этим группам катушек протекает переменный ток с различающимися фазами колебаний. При этом в двигателе образуется вращающий момент, пропорциональный току, протекающему в катушках.
Недостатком этой машины является пониженный вращающий момент за счет неодновременности протекания максимального тока по всем обмоткам сразу.
Технические результаты заявленной полезной модели заключаются в повышении надежности и улучшении энергетических показателей за счет увеличения вращающего момента устройства при заданных габаритах, что позволит управлять регулирующими элементами устройства с большим моментом сопротивления вращению.
Для достижения указанного технического результата устройство содержит двигатель на постоянных магнитах, состоящий из ротора с четным количеством постоянных магнитов М и статора, состоящего из Н электромагнитов числом на единицу меньше числа постоянных магнитов, источник питания постоянного тока, блок управления, энкодер и 2Н ключей, первые выводы первых двух ключей соединены с плюсом источника питания постоянного тока, вторые выводы нечетных ключей соединены с первыми выводами соседних нечетных ключей и первыми выводами обмоток электромагнитов соответственно, вторые выводы четных ключей соединены с первыми выводами соседних четных ключей и вторыми выводами обмоток электромагнитов соответственно, входы управления ключей соединены с соответствующими выходами блока управления, первый и второй входы которого соединены с плюсом и минусом источника питания постоянного тока и первым и вторым входом энкодера, выход которого соединен с третьим входом блока управления. При этом дополнительно введены диод и три ключа, входы управления которых соединены с соответствующими выходами блока управления, первые выводы первых двух вновь введенных ключей соединены с первым и вторым выводом Н-й катушки электромагнита соответственно, вторые выводы двух вновь введенных ключей объединены и соединены с анодом диода и первым выводом третьего вновь введенного ключа, второй вывод которого соединен с минусом источника питания, плюс которого соединен с катодом диода.
Полезная модель поясняется схемами:
- фиг. 1 - Структурная схема электропривода с двигателем на постоянных магнитах с десятью постоянными магнитами (М=10) и девятью электромагнитами (Н=9);
- фиг. 2 - Структурная схема подключения катушек электромагнитов к источнику питания постоянного тока;
- фиг. 3 - Структурная схема двигателя на постоянных магнитах;
- фиг. 4 - Структурная схема реализации драйвера для управления транзисторными ключами.
На фиг. 1 показано:
- 1-10 - постоянные магниты;
- 11-19 - электромагниты с катушками
Электропривод содержит двигатель на постоянных магнитах с ротором и статором. Постоянные магниты (в нашем примере М=10) расположены на роторе, электромагниты (в нашем примере Н=9) расположены на статоре. Число электромагнитов меньше числа постоянных магнитов на единицу. Магниты и электромагниты обращены магнитными полюсами друг к другу. Южные полюса магнитов и электромагнитов обозначены линейной штриховкой. Северные полюса магнитов и электромагнитов катушек обозначены ортогональной штриховкой. Угловая скорость W направлена по часовой стрелке.
На фиг. 2 показано:
- 11-19 - катушки электромагнитов;
- 20 - источник питания постоянного тока;
- 21-40 - ключи для коммутации направления тока через катушки электромагнитов 11-19;
- 41 - ключ для коммутации тока, текущего через катушки электромагнитов 11-19;
- 42 - диод для замыкания тока, текущего через катушки электромагнитов 11-19 при выключении ключа 41
Первые входы ключей 21 и 22 подключены к катоду диода 42 и к положительному выводу источника питания постоянного тока 20. Вторые выводы ключей 21, 23, 25, 27, 29, 31, 33, 35, 37 соединены с первыми выводами обмоток 11-19 соответственно, вторые выводы ключей 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38 соединены со вторыми выводами обмоток 11-19 соответственно. Первые выводы ключей 21 и 22 объединены и подключены к положительному выводу источника питания постоянного тока 20. Вторые выводы ключей 21, 23, 25, 27, 29, 31, 33, 35, 37 соединены с первыми выводами ключей 23, 25, 27, 29, 29, 31, 33, 35, 37, 39 соответственно. Вторые выводы ключей 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, соединены с первыми выводами ключей 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40 соответственно. Вторые выводы ключей 39 и 40 объединены и соединены с первым выводом ключа 41 и анодом диода 42, катод которого соединен с положительным выводом источника питания постоянного тока 20, отрицательный вывод которого соединен со вторым выводом ключа 41.
На фиг. 3 показано:
- 11-19 - катушки электромагнитов;
- 20 - источник питания постоянного тока;
- 21-41- транзисторные ключи;
- 42 - диод для замыкания тока, текущего через катушки электромагнитов 11-19 при выключении ключа 41;
- 43-63 - драйвера управления транзисторными ключами 21-41;
- 64 - блок управления;
- 65 - DC/DC преобразователь для питания блока управления 64;
- 66 - энкодер;
- 67-75 - двухсторонние стабилитроны
1
2
3
2m-1
2m
2m+1
2m+2
2m+3
1
2
3
2m-1
2m
2m+1
2m+2
2m+3
Первые и вторые выводы драйверов 43-63 соединены с затворами и истоками транзисторных ключей 21-41 соответственно. Истоки нечетных ключей 21, 23, 25, 27, 29, 31, 35, 37 соединены с первыми выводами обмоток электромагнитов 11-19, истоки четных ключей 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38 соединены со вторыми выводами обмоток электромагнитов 11-19 соответственно. Стоки первого 21 и второго 22 транзисторных ключей соединены с плюсом источника питания постоянного тока 20 и первым входом DC/DC преобразователя 65. Третьи и четвертые выводы драйверов 43-63 соединены с плюсом и минусом источника питания постоянного тока 20 соответственно (на фиг. 3 не показаны), вторым входом DC/DC преобразователя 65, выходы которого соединены с входами питания блока управления 64 и входами питания энкодера 66 соответственно, выход которого соединен с информационным входом блока управления 64. Выводы двухсторонних стабилитронов 67-75 соединены с выводами обмоток электромагнитов 11-19 и со стоками транзисторных ключей 23-40 соответственно. Сток транзисторного ключа 41 соединен с истоками транзисторных ключей 39 и 40, вторыми выводами драйверов 61 и 62 соответственно и анодом диода 42, катод которого соединен с положительным выводом источника питания постоянного тока 20, отрицательный вывод которого соединен со вторым выводом транзисторного ключа 41. Пятые выводы драйверов 43-63 через выходы N, N, N…N, N, N, N, N соединены с управляющими выходами N, N, N…N, N, N, N, N блока управления 64 соответственно, вывод ОБЩИЙ которого соединен с шестыми выводами драйверов 43-63.
На фиг. 4 показано:
- 76 - DC/DC преобразователь для питания драйвера;
- 77 - элемент гальванической развязки;
- 78-80 - резисторы
Первый вывод драйвера соединен с первым выводом резистора 79 и первым выводом элемента гальванической развязки 77. Второй вывод драйвера соединен с вторым выводом резистора 79 и отрицательным выводом DC/DC преобразователя 76, первый и второй входы которого соединены с 3 и 4 выводами драйвера, а положительный вывод DC/DC преобразователя 76 через резистор 78 соединен со вторым выходом элемента гальвано развязки 77, первый вход которого через резистор 80 соединен с 5 выводом драйвера, 6 вывод которого соединен со вторым входом элемента гальванической развязки 77.
Полезная модель работает следующим образом:
На фиг. 1 представлена схема электропривода с двигателем на постоянных магнитах с десятью постоянными магнитами (М=10) и девятью электромагнитами (Н=9) в исходном состоянии.
Силы, возникающие на участках взаимодействия магнитов и электромагнитов, расположенных друг против друга одноименных и разноименных магнитных полей не создают вращающего момента, так как они направлены радиально. Вращающий момент создают силы взаимодействия магнитных полей на краях электромагнитов и магнитов.
i.1
i.2
1.1
10.1
10.2
9.2
Σ
O
O
Силы действующих на магниты - F и F, где i - номер постоянного магнита 1-10, а 1 и 2 - номера краев магнитов показаны на фигуре 1, силы взаимодействия на краях электромагнитов вращают ротор в том же направлении (на фиг. 1 не показаны). При данном расположении электромагнитов и магнитов, силы F, F, F, F, приложенные к постоянным магнитам равны нулю, остальные силы отличны от нуля и направлены по часовой стрелке, сумма этих сил F=16F, где F - сила взаимодействия магнитных полей магнитов и электромагнитов на краю любого из магнитов.
На фиг. 2 представлена схема подключения катушек электромагнитов к источнику питания постоянного тока. В исходном состоянии ключи 21, 24, 25, 28, 29, 32, 33, 36, 37, 39 замкнуты, ключи 22, 23, 26, 27, 30, 31, 34, 35, 38, 40 разомкнуты.
При замыкании ключа 41 полюса электромагнитов с катушками 11, 13, 15, 17 обращены к постоянным магнитам южными полюсами, а электромагниты с катушками 12, 14, 16, 18 обращены к постоянным магнитам северными полюсами, электромагнит с катушкой 19 отключен, ток по катушке 19 не протекает.
После поворота ротора на 4 градуса по часовой стрелке (фиг. 1), ключ 38 замыкается, ключ 37 размыкается, катушка 18 отключается, катушка 19 подключается таким образом, чтобы она создавала магнитное поле северным полюсом обращенное к магниту 10.
Значение сил, создающих вращающий момент, при положении обмоток как показано на фиг. 1, и после поворота ротора 4 градуса по часовой стрелке, переключения тока в катушках 18 и 19, представлено в таблице 1.
Σ
Из таблицы 1 видно, что если после поворота ротора на 4 градуса (фиг. 1) отключать катушку 18 и подключать катушку 19, то суммарная величина сил, создающих вращающий момент (F), будет оставаться постоянной.
Суммарную величину силы, создающую вращающий момент при любой четной величине магнитов можно посчитать по выражению:
Σ
0
F=K*(2M-4)*F, где
М - число постоянных магнитов;
0
F - сила взаимодействия магнитных полей постоянных магнитов и электромагнитов на краю любого из постоянных магнитов;
К - коэффициент, учитывающий наличие краевых полей электромагнитов 11-19. К≥1, его величина зависит от конструкции электромагнитов.
На фиг. 3 представлена структурная схема предлагаемого двигателя, на которой ключи 21-41 для коммутации направления тока через катушки электромагнитов 11-19, показанные на фиг. 2, заменены транзисторными ключами 21-41.
1
(2m+2)
Блок управления 64 на своих выходах N-N устанавливает комбинации сигналов относительно выхода ОБЩИЙ, управляющие через драйверы 43-62 состоянием транзисторных ключей 21-40 в соответствии с программой управления. Двухсторонние стабилитроны 67-75 предназначены для предотвращения выбросов напряжения при переключении транзисторных ключей 21-40.
(2m+3)
Выход N блока управления 64 формирует импульсный сигнал широтно-импульсной модуляции относительно выхода ОБЩИЙ для задания величины тока в катушках электромагнитов 11-19, который определяет величину вращающего момента двигателя. Выход энкодера 66 подключен к третьему входу блока управления 64. Энкодер предназначен для определения текущего значения угла поворота ротора двигателя.
На фиг. 4 представлена схема реализации драйвера для управления транзисторными ключами, который работает следующим образом:
На выводы 3 и 4 драйвера от источника питания постоянного тока 20 подается напряжение питания на DC/DC преобразователь 76, выход которого гальванически развязан от источника питания 20. В исходном состоянии напряжение на выводе 5 драйвера относительно вывода 6 равно нулю, при этом транзистор на выходе элемента гальванической развязки 77 закрыт, при этом напряжение на выводах 1 и 2 драйвера равно нулю и транзисторный ключ, которым управляет драйвер, будет закрыт. При подаче на вход 5 относительно входа 6 положительного напряжения, транзистор на выходе элемента гальванической развязки 77 будет открыт и напряжение с выхода DC/DC преобразователя 76 будет подано на делитель напряжения, состоящий из резисторов 78 и 79. Напряжение с резистора 79 подается на выводы драйвера 1 и 2. Положительное напряжение на выводах 1 и 2 открывает транзисторный ключ, которым управляет драйвер. Резистор 78 ограничивает ток, через транзистор элемента гальванической развязкой 77 в первоначальный момент, т.к. параллельно резистору 79 подключена емкость затвор-исток транзисторного ключа, которым управляет драйвер. Резистор 80 ограничивает ток через светодиод элемента гальванической развязки 77.
Введение первых двух из вновь введенных ключей позволяет управлять направлением тока во всех задействованным обмотках двигателя одновременно. С помощью третьего вновь введенного ключа имеется возможность управлять величиной тока, протекающего по всем задействованным обмоткам, а введение диода позволяет управлять величиной тока с помощью широтно-импульсной модуляции.
Таким образом, использование предложенного технического решения в системах автоматики в качестве тяговых управляемых электроприводов за счет увеличения вращающего момента устройства при заданных габаритах позволит управлять регулирующими элементами устройства с большим моментом сопротивления вращению, что повысит надежность и улучшит энергетические показатели устройства.