ОДНОФАЗНЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
SINGLE-PHASE VALVE ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к области электротехники, а именно электрическим машинам, может быть использовано для промышленных механизмов, требующих регулирование скорости.
Бесконтактные электромеханотронные устройства преобразования электрической энергии в регулируемую механическую используются во многих механизмах. Такие устройства могут быть выполнены на базе вентильных двигателей с постоянными магнитами, системы управления которых интегрированы с электрической машиной.
В ряде случаев возникает необходимость создания устройств с максимально возможным электромагнитным моментом при минимальных габаритах и ценовой стоимости двигателя. Такая задача может решаться на основе однофазных преобразователей со схемой управления минимумом электронных компонентов блока управления без применения явных датчиков положения ротора.
Пуск и рабочий режим однофазных вентильных двигателей возможен при условии предпусковой фиксации положения ротора в обесточенном состоянии.
У однофазного вентильного двигателя с постоянными магнитами на роторе при симметричном воздушном зазоре относительно продольной оси полюсов могут быть три пусковых состояния в зависимости от положения неподвижного ротора относительно статора: 1) не возникает пусковой момент, 2) пусковой момент недостаточен для приведения ротора в движение, 3) пусковой момент направлен в противоположную сторону от заданного направления движения.
Известен электродвигатель с постоянными магнитами на роторе, у которого воздушный зазор между каждым зубцом (полюсом) статора и постоянными магнитами ротора несимметричен относительно продольной оси каждого из зубцов (см. Кенио Т., Нагамори С. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. - М.: Энергоатомиздат, 1989, 184 с.). В этом случае неподвижный ротор может занимать такое определенное положение относительно зубцов статора, при котором угол между продольными осями зубцов и полюсов отличен от нуля. Однако такая конфигурация воздушного зазора связана с увеличением его магнитного сопротивления в пределах полюсного деления, что приводит к уменьшению магнитного потока полюса.
Второй недостаток этой конструкции - значительная силовая фиксация ротора в предпусковом положении, так как при этом воникает большой постоянный максимум реактивного момента при указанном положении ротора относительно статора, который накладывается на рабочий момент при дальнейшем вращении ротора. Это происходит и при вращении двигателя и с установившейся скоростью после окончания пуска, что приводит к двум нежелательным последствиям:
1) увеличению пускового тока двигателя,
2) повышенной вибрации работающего двигателя.
Известен вентильный электродвигатель, содержащий электромеханический преобразователь, с индуктором на постоянных магнитах, первые выводы трех секций якорной обмотки которого объединены (см. авторское свидетельство СССР 1774455, кл. Н02Р 6/02, 1992).
Известна управляющая схема такого вентильного электродвигателя (авторское свидетельство СССР 1774455, кл. Н02Р 6/02,1992), которая включает двухполупериодный преобразователь частоты, выходы которого подключены к вторым выводам секций якорной обмотки соответственно, логический блок управления, выходы которого подключены соответственно к входам двухполупериодного преобразователя частоты, три компаратора с двумя входами каждый, выходы которых подключены соответственно к входам логического блока управления, причем в двигатель введены три интегрирующие цепи, первый вход i-го компаратора подключен к второму выводу секции якорной обмотки, а выход - к входу i-й интегрирующей цепи, выход i-й интегрирующей цепи подключен к второму входу 1-го компаратора, а первые выводы секции якорной обмотки подключены к общей шине вентильного электродвигателя, причем указанное подключение компараторов и интегрирующих цепей образует кольцевое соединение. Указанное соединение компараторов и интегрирующих цепей образует кольцевое соединение, что позволяет формировать сигналы управления ключами преобразователя 1 частоты в логическом устройстве 12 управления в пусковом и устойчивом режимах работы с меньшим дискретом. Уменьшаются пульсации электромагнитного момента, увеличивается пусковой момент, уменьшается время пуска и пульсации частоты вращения и вибрации. Таким образом осуществляют пуск электродвигателя в синхронном режиме, а работа его происходит по сигналам эдс в свободных от тока секциях обмотки якоря. Недостатком является невысокая точность определения момента коммутации силовых ключей, приводящая к снижению эксплуатационных качеств и ресурса работы. Кроме того, схема управления работой такого двигателя также достаточно сложна.
Наиболее близким к заявляемому однофазному вентильному электродвигателю является конструкция вентильного электродвигателя по патенту на полезную модель RU 12633 U1, H02K 29/00, опубл. 20.01.2000. Двигатель содержит ротор с постоянными магнитами разноименной магнитной направленности, выполненными в виде сегментов; статор имеет m-фазные (это может быть и однофазная) обмотки. Причем рабочая поверхность каждого из полюсов статора выполнена с возможностью образования несимметричного воздушного зазора между статором и ротором для создания магнитной асимметрии путем выполнения переменного радиуса внутренней расточки. Обмотка соединена с коммутатором схемы управления двигателем
Однако несимметричный воздушный зазор, образованный с помощью переменного радиуса расточки статора, без указания закономерности его изменения (то есть при всех варианта изменения радиуса) не позволяет достичь высокого пускового момента. Это объясняется тем, что в этом случае создаваемый эффект подмагничивания, который зависит от углового сдвига магнитных потоков статора и ротора, не всегда достаточен для создания максимального пускового момента.
Наиболее близкой к заявляемой схеме управления однофазным вентильным двигателем является описанная в этом же патенте схема управления вентильным двигателем. Схема содержит коммутатор, который имеет две диагонали, в каждую из которых включено по два транзистора, являющихся исполнительными элементами коммутатора и предназначенных для изменения направления тока в обмотке. Управляющие электроды транзисторов коммутатора соединены с выходами датчика положения ротора, предназначенного для выдачи управляющих сигналов в систему управления в зависимости от положения ротора. Датчик положения ротора, предназначенного для выдачи управляющих сигналов в систему управления в зависимости от положения ротора, выполнен в виде неподвижно установленной обоймы на базе датчиков Холла и взаимодействует с постоянными магнитами ротора. В коммутатор включен транзистор, работающий в режиме широтно-импульсной модуляции в функции нагрузки вентильного двигателя, и диодный мост.
Схема является довольно сложной, содержит явный датчик положения ротора, что приводит к увеличению габаритов устройства.
Техническим результатом заявляемой конструкции однофазного вентильного электродвигателя является получение максимального пускового момента путем создания оптимального эффекта магнитной асимметрии.
Этот технический результат достигается тем, что в вентильном электродвигателе, содержащем подвижный ротор с постоянными магнитами разнонаправленного намагничивания в радиальном направлении, установленными на магнитопроводе на равном расстоянии друг от друга, и статор, выполненный с возможностью образования несимметричного воздушного зазора переменной величины между полюсной поверхностью каждого из его полюсов с размещенной на них обмоткой, подключенной к коммутатору схемы управления двигателем, и постоянным магнитом ротора для создания магнитной асимметрии при взаимодействии магнитов и обмотки, согласно изобретению полюсная поверхность каждого из полюсов статора выполнена со скосом с возможностью образования воздушного зазора, величина которого соответствует выражению
p
при 0 < b < 0,95b,
а со стороны сбегающего края скоса на полюсной поверхности каждого полюса выполнен выступ с возможностью образования воздушного зазора, величина которого соответствует выражению
2
min
δ=2δ
p
p
при 0,95b < b < b,
min
где δ - минимальное значение зазора, равное 0,5-0,8 мм,
p
b - полная ширина профиля полюса статора,
b - текущее значение ширины профиля полюса статора,
при этом обмотка включает полуобмотки, каждая из которых размещена на каждом втором полюсе, соединенные параллельно разноименным.
Техническим результатом создания схемы управления однофазным вентильным электродвигателем является также упрощение управления двигателем, уменьшение его габаритов.
Этот технический результат достигается тем, что в схеме управления однофазным вентильным электродвигателем, включающей транзисторный мостовой коммутатор, одна из диагоналей которого предназначена для подключения к обмотке, а вторая диагональ моста коммутатора подключена к источнику питания, управляющие входы коммутатора соединены с управляющим элементом, алгоритм работы которого обеспечивает возможность его работы в режиме широтно-импульсной модуляции, согласно изобретению управляющий элемент включает микроконтроллер с драйвером, точками соединения к диагонали транзисторного коммутатора и через нормализатор напряжения к двум входам микроконтроллера, третий вход которого подключен через нормализатор к положительному полюсу источника питания, выходы микроконтроллера подключены через драйвер к управляющим электродам транзисторного коммутатора с возможностью поочередного включения диагоналей, к полюсам источника питания.
При этом нормализатор может быть выполнен в виде трех резисторных делителей напряжения, через два из которых нормализатор подключен к диагонали моста коммутатора, а через общие точки резисторов этих делителей нормализатор подключен к входам микроконтроллера.
При этом третий вход микроконтроллера подключен к источнику питания путем подсоединения его к общей точке соединения резисторов, подключенных к положительному полюсу источнику питания, третьего резисторного делителя напряжения нормализатора.
На рис.1 представлен в развернутом виде заявляемый вентильный двигатель с несимметричным воздушным зазором. На рис.2 - функциональная схема вентильного двигателя. На рис.3 - графики реактивного момента при отсутствии выступа и при его наличии.
Однофазный вентильный двигатель содержит ротор с постоянными магнитами 1, намагниченными радиально с чередующимися полюсами N, S, N ……, расположенными на равном расстоянии по окружности, имеющими ось симметрии d. Статор с полюсами 2 с осью симметрии А выполнен из шихтованной электротехнической стали. Полюсная поверхность 3 каждого полюса 2 статора выполнена со скосом с возможностью образования зазора между поверхностью 3 и поверхностью магнитов ротора, обращенной к полюсам, и имеет переменную величину
p
при 0 < b < 0,95b,
min
где δ - общепринятое минимальное значение зазора, равное 0,5-0,8 мм,
p
b - полная ширина полюса, b - текущее значение ширины зуба полюса.
А со стороны сбегающего края скоса на полюсной поверхности каждого полюса имеется выступ 4. Перед выступом воздушный зазор имеет наибольшую величину. На выступе воздушный зазор между своей поверхностью и поверхностью магнитов ротора, обращенной к полюсам, имеет величину
2
min
δ=2δ
p
p
при 0,95b < b < b
пит.
На каждом полюсе 2 статора намотана катушка 5. Последовательное соединение каждой второй из катушек образует одну из полуобмоток 6, а всех остальных катушек - вторую полуобмотку 7 (на рисунках не показано). Полуобмотки 6 и 7 соединены параллельно разноименными выводами и включены в диагональ транзисторного моста, состоящего из транзисторов 8, 9, 10, 11. В другую диагональ транзисторного моста включен источник питания. Транзисторы управляются от микроконтроллера 13, выполненного с возможностью формирования формы токов в полуобмотках 6 и 7, напоминающей синусоиду, с целью получения высоких энергетических показателей с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ напряжения) через драйвер 14. Входы микроконтроллера 13 соединены с выходом нормализатора 15. Он состоит из делителя напряжения на резисторах 16, 17, вход которого соединен с узлом 18 диагонали транзисторного моста. Второй делитель напряжения нормализатора выполнен в виде резисторов 19, 20 и вход его соединен с узлом 21 диагонали моста. Третий делитель напряжения нормализатора состоит из резисторов 22, 23, вход этого делителя подсоединен к положительному полюсу 24 источника питания „+" U, а выход - на вход микроконтроллера 13.
Однофазный вентильный двигатель работает следующим образом.
0
Благодаря расположению магнитов ротора и выполнению зубцов статора с обеспечением воздушного зазора в соответствии с вышеизложенным в предпусковом состоянии ось d магнитов 1 ротора не совпадает с осью А зубцов статора 2 с катушками 5, отставая на угол ν (рис.1, 3), и при останове ротора также фиксируется в описанном положении. Большему отставанию и точной фиксации способствует воздушный зазор, который образуется между поверхностью 3 полюса статора, взаимодействующей с магнитами ротора, и благодаря наличию выступа 4, поверхность которого также взаимодействует на поверхности 3. Причем только такое изменение конструкции приведет к тому, что фиксация магнитов 1 ротора относительно обесточенных полуобмоток 6 и 7 катушек 5 статора может произойти как под магнитами S-, так и N-полярности. То есть получаем два возможных положения. Фиксация положения ротора - необходимое условие, но недостаточное для успешного запуска двигателя. В момент пуска вентильного двигателя микроконтроллер 13 через драйвер 14 выдает проверочный импульс, открывая, например, транзисторы 8 и 11. По двум полуобмоткам 6 и 7 проходит импульс тока определенной величины по времени. Возможно два варианта событий. Первый: по истечению времени не получен сигнал с выхода нормализатора 15 (сигнал эдс с узлов 18 и 21). Это означает, что не возникает электромагнитный момент, значит полюса магнитов и зубцов статора, по которым протекает ток, различные и они притягиваются, создавая устойчивое состояние, направление токов в обмотках 6 и 7 неверное. В этом случае микроконтроллер 13 отключает проверочный импульс и подает импульс управления на другие транзисторы 9, 10. Направление токов в обмотках 6 и 7 меняется на противоположное. Полюса магнитов и зубцов статора одинаковые. В соответствии с известными положениями (см. Копылов И.П., авт.-ред. Проектирование электрических машин: [учебник для вузов электромеханических и электроэнергетических специальностей], изд. 4-е, перераб. и доп. - М., 2005) возникает взаимное отталкивание их, то есть возникает пусковой электромагнитный момент, описываемый следующей формулой:
А
где Ф - магнитный поток обмотки статора,
М
Ф - магнитный поток магнитов ротора,
ν - угловой сдвиг указанных потоков, как видно из рис.1, близок к 90 электрическим градусам,
С - коэффициент пропорциональности.
где W - число витков катушки полюса статора,
I - ток катушки полюса,
0
-7
µ=4π10 - магнитная проницаемость вакуума,
1cp
p
δ - среднее значение зазора на интервале 0 < b < 0,95b.
Коэффициенты 0,9; 0,1 - весовые,
м
м
м
Ф=BS,
м
где В - индукция магнита,
м
S - поперечное сечение магнита.
ср
ср
Поскольку средний воздушный зазор δ в конструкции без выступа существенно больше воздушного зазора выступа δ в конструкции с выступом, то магнитный поток статора (2) в нашем случае становится больше.
Наличие у края полюса статора зубцового выступа устраняет два вышеназванных недостатка однофазного двигателя с переменным радиусом расточки статора:
1) уменьшается чрезмерная силовая фиксация ротора в предстартовом положении, поскольку выступ, расположенный в зоне максимального воздушного зазора, притягивается к соседнему магниту ротора противоположной полярности по сравнению с полярностью магнита, фиксирующего ротор. Это обстоятельство снижает величину пускового тока;
2) уменьшается максимум реактивного момента, обеспечивающего «залипание» ротора в предстартовом положении, что снижает уровень вибрации и шума вращающегося двигателя.
м
а
Выступ сообщает двигателю еще одно важное преимущество - он увеличивает магнитные потоки магнитов Ф и обмотки статора Ф, так как средняя величина воздушного зазора на полюсном делении уменьшается. В результате, как видно из формулы (1), увеличивается электромагнитный момент двигателя. Это также подтверждают испытания: на стенде электродвигатель с переменным радиусом расточки (как в прототипе) и электродвигатель с переменным зазором и зубцовым выступом на конце при одинаковых остальных параметрах, который показал превосходство в крутящем моменте конструкции с выступом.
Результаты испытания приведены в таблице.
Таблица
Наименование конструкции
Ширина полюса статора, мм
Миним. зазор δ<sub>min</sub>, мм
Максим. зазор δ<sub>max</sub>, мм
Средн. зазор δ<sub>ср</sub>, мм
Частота вращения, об/мин
Крутящий момент М, Н·м
Ток потребл., А
Конструкция с переменнтым радиусом расточки
16
0,5
1,65
1,07
2800
0,29
22,1
16
0,8
2
1,4
2800
0,29
24,2
Конструкция с переменным зазором и зубцовым выступом, выполненными в соответствии с формулой изобретения
16
0,5
1,33
0,9
2800
0,33
22,2
16
0,8
2,12
1,46
2800
0,3
24,15
0
1
1
0
Происходит снижение тормозного реактивного момента 26 (рис.3) на начальном интервале пуска ν < ν < ν и увеличение полезного реактивного момента на следующем пусковом интервале ν < ν < (π-ν). Так как полуобмотки 6 и 7 включены для протекания тока в разных направлениях, то в области полюсов статора и ротора создается максимальный электромагнитный момент одного направления и ротор трогается в заданном направлении. Второй вариант: ротор двигателя предварительно установился так, что при подаче проверочного импульса на транзисторы 8 и 11 создается максимальный вращающий электромагнитный момент, ротор трогается в заданном направлении. Микроконтроллер 13 через драйвер 14 переключает направление тока в обмотках электродвигателя в момент смены полярности напряжения эдс, снимаемого с узлов 18 и 21 через нормализатор 15. Сигналы со средних точек резисторов 16, 17 и 19, 20 подаются на входы микроконтроллера 13.
Во время работы вентильного двигателя микроконтроллером 13 формируется форма тока в обмотке двигателя (состоящей из полуобмоток 6 и 7), близкая к синусоиде с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ напряжения), за счет изменения скважности импульсов питающего напряжения. Формирование синусоидальной формы тока позволяет снизить потери на перемагничивание в статоре двигателя на высших гармониках. Частота квантования транзисторов оптимальная 20 кГц. Регулирование скорости вращения также осуществляется с помощью ШИМ микроконтроллера, увеличивая или уменьшая ток в обмотке в соответствии с внешним входным сигналом 25 задания скорости на микроконтроллере 13. Защита от понижения и повышения напряжения питания осуществляется контроллером 13, сигнал текущего состояния напряжения питания передается от узла 24 через нормализатор 15 (резисторы 22, 23) на вход микроконтроллера 13 постоянно во время работы. Микроконтроллер 13 запрограммирован на алгоритм работы двигателя.
Переключение направления тока в обмотке осуществляется микроконтроллером по сигналам простейших датчиков ЭДС 18, 21, причем формирование графиков токов и регулирование скорости можно задавать без изменения алгоритма работы контроллера. При этом всегда возникает максимальный пусковой момент.
Предлагаемая конструкция однофазного вентильного двигателя приводит к повышению кпд за счет формирования максимального рабочего момента и пускового момента и формы тока, близкой к синусоиде; улучшению эксплуатационных характеристик двигателя и делает возможным простейшее управление вентильным двигателем без установки явного датчика положения ротора. Этот существенный результат достигается несложным и недорогим решением.