Многие могут увидеть сходство с шаговым двигателем, да действительно этот двигатель может работать в шаговом режиме, но у этого двигателя нету постоянных магнитов, и большое значение имеет конфигурация зубцовой зоны (проектируется на стадии расчёта двигателя), также шаговые двигатели обычно имеют ну очень много зубцов, здесь же с такой конфигурацией могут быть двигатели мощностью от 1 кВт до нескольких МВт. Замечу что конфигурации статор/ротор может быть разным и фазность машины может быть любая, наиболее распостранённые 1,2,3,5,6 — ти фазные, справедливости ради 6-ти фазные машины двухпакетные (грубо говоря это две 3-х фазные машины совмешённые в корпусе одной с соответствующим сдвигом).Количество зубцов и фаз влияет на пульсации момента на валу и частоту коммутации фаз.
Если исключить из схемы ВИРД и ДПР получим преобразователь. Звено DC/DC несомненно даёт большую гибкость в управлении, но система становиться сложнее аппаратно, по моему мнению (результаты видел, но сам не программировал именно такой вариант преобразователя) DC/DC звено улучшает ВШХ (виброшумовые характеристики) двигателя. С целью удешевления, да и упрощения, из схемы исключают DC/DC звено и как следствие один датчик напряжения, поэтому далее рассматривать систему будет без этого звена. Выпрямитель самый простой (неуправляемый 6-ти, 12-ти и т.д. пульсный), фильтр просто набор ёмкостей (хотя есть варианты с дополнительным дросселем), в данном случае фильтр выполняет не только свою непосредственную роль, но и выполняет функции обмена энергией с двигателем (в процессе работы двигатель может возвращать до 50% энергии обратно в ёмкости). Минимальная ёмкость необходимая для работы двигателя рассчитывается при проектировании машины. Схемы инверторов напряжения имеет много разновидностей, но есть лишь одна классическая, которая обеспечивает независимую работу фаз двигателя и обеспечивает работоспособность привода, даже при выходе из строя одной или нескольких фаз. Схема для одной фазы двигателя на рисунке ниже (назовём это фазным модулем).
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах автоматического управления. Совмещенный вентильный индукторно-реактивного двигатель содержит статор с m-фазной обмоткой и датчик положения с однофазной высокочастотной обмоткой возбуждения и m-фазной сигнальной обмоткой. Статор датчика положения установлен в немагнитную втулку, позволяющую поворачивать статор датчика относительно статора двигателя. Между статорами двигателя и датчика установлен немагнитный экран. Ротор двигателя и датчика выполнен единым. Магнитные системы двигателя и датчика выполнены идентичными. Система управления двигателя содержит высокочастотный генератор, фазочувствительные выпрямители и логический блок, формирующий импульсы управления транзисторами вентильного коммутатора двигателя. В двигателе обеспечивается повышение надежности, технологичности и улучшение массогабаритных показателей. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано в системах автоматического управления.
Известны совмещенные электрические машины, в которых в едином корпусе размещаются электрические машины разного класса: двигатель - генератор, двигатель - датчик положения, двигатель - магнитный усилитель и т.д. Использование общей магнитной системы для электрических машин разного класса позволяет существенно снизить массогабаритные показатели устройства и уменьшить количество сочленяемых агрегатов. При совмещении электрических машин разного класса в общей магнитной системе необходимо предусмотреть меры, направленные на устранение электромагнитного взаимодействия между совмещенными электрическими машинами. Для этого у совмещаемых электрических машин применяют разное число полюсов, различное укорочение шагов обмоток, измененный порядок соединения катушечных групп в фазе и т.д. [Совмещенные электрические машины для автоматики. Под общей ред. Д.В.Свечарника. - М.: "Энергия", 1969].
В качестве прототипа выберем SRM (Switched Reluctance Motor), приведенный на Fig.7.2 (Page 100) и описанный в монографии Miller T.J.E. Switched reluctance motor and their control. Magna physics publishing and Clarendon press. Oxford. 1993. Рассматриваемый двигатель состоит из синхронного индукторно-реактивного двигателя, датчика положения ротора, системы управления и вентильного коммутатора. Статор синхронного индукторно-реактивного двигателя выполняется с прямыми зубцами, на которых размещаются катушечные обмотки, соединяемые в многофазную обмотку; ротор - зубчатый, безобмоточный. Число зубцов статора не равно числу зубцов ротора. В отечественной технической литературе данный тип двигателя получил наименование вентильный индукторно-реактивный двигатель (ВИРД). [Голландцев Ю.А. Вентильные индукторно-реактивные двигатели. СПб.: ГНЦ РФ - ЦНИИ "Электроприбор", 2003]. К недостаткам прототипа можно отнести наличие дополнительного датчика положения, установка которого на валу двигателя увеличивает массогабаритные размеры электромашинного агрегата.
В вентильных двигателях число пар полюсов и фаз у двигателя и датчика положения ротора должно быть одинаковым, поэтому многие из известных мер исключения электромагнитного взаимодействия между полями двигателя и датчика положения ротора в совмещенном ВИРД непригодны.
Из существующего многообразия датчиков положения ротора в совмещенном ВИРД целесообразно использовать редуктосин, магнитная система которого соответствует магнитной системе индукторно-реактивных двигателей, но отличается системой обмоток: обмоткой возбуждения и многофазной сигнальной обмоткой [Юферов Ф.М. Электрические микромашины автоматических устройств. - М.: Высшая школа, 1976].
Задачей изобретения является повышение надежности, технологичности, а также улучшение массогабаритных показателей ВИРД.
Поставленная задача в рассматриваемом совмещенном ВИРД решена тем, что конфигурации магнитных систем двигателя и датчика положения ротора одинаковы. Под конфигурацией магнитной системы понимаем параметры зубцовой зоны: число зубцов статора и ротора, геометрические размеры зубцов и ярма. Катушечные обмотки, размещенные на зубцах пакета статора двигателя, соединяются в m-фазную обмотку двигателя. На каждом зубце статора датчика расположены две маломощных катушки. Нижние катушки, охватывающие основания зубцов, соединяются последовательно и образуют однофазную высокочастотную обмотку возбуждения. Верхние катушки образуют m-фазную сигнальную обмотку. Число фаз обмотки двигателя и сигнальной обмотки датчика равно друг другу. Зубчатый безобмоточный ротор является единым для двигателя и датчика.
Для предотвращения взаимодействия между электромагнитными полями обмоток двигателя и датчика предусмотрены специальные конструктивные решения. Для исключения замыкания переменных магнитных потоков рассеяния по продольной оси совмещенного ВИРД пакет статора датчика устанавливается в немагнитную втулку, которая крепится к корпусу. Для исключения трансформаторной связи между потоками рассеяния лобовых частей обмоток двигателя и датчика между статорами двигателя и датчика устанавливается электромагнитный экран, который может состоять из двух тонких листов пермаллоя, между которыми проложен тонкий лист меди.
Для регулирования угла установки датчика положения ротора относительно оси обмотки статора двигателя в совмещенном ВИРД предусмотрено устройство, обеспечивающее поворот и жесткую фиксацию немагнитной втулки со статором датчика относительно оси статора двигателя в пределах двойного полюсного деления ротора.
Сущность изобретения поясняется приведенными чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид совмещенного ВИРД, на которой используются следующие обозначения:
1 - валик, 2 - корпус, 3 - электромагнитный экран, 4 - статор двигателя, 5 - немагнитная втулка статора датчика, 6 - статор датчика, 7 - подшипниковый щит, 8 - ротор двигателя и датчика.
На фиг.2 приведено поперечное сечение (А-А) магнитной системы статора и ротора двигателя: 9 - m-фазная обмотка двигателя.
На фиг.3 приведено поперечное сечение (Б-Б) магнитной системы статора и ротора датчика положения ротора, 10 - m-фазная сигнальная обмотка датчика, 11 - однофазная высокочастотная обмотка возбуждения датчика.
На фиг.4 приведена схема вентильного коммутатора при m=3. Модули трехфазного вентильного коммутатора фаз А, В, С выполнены по схеме асимметричного моста. На схеме использованы следующие обозначения: 13 - основной транзистор, 14 - вспомогательный транзистор, 15, 16 - обратные диоды, 17 - обмотка фазы A, Uп - напряжение питания вентильного коммутатора, 12 - входной конденсатор. Транзисторы вентильного коммутатора управляются сформированными сигналами датчика положения.
На фиг.5 представлена блок-схема системы управления совмещенного ВИРД. На схеме использованы следующие обозначения: 18 - однофазная высокочастотная обмотка возбуждения датчика, 19, 20, 21 - фазные сигнальные обмотки датчика; 24 - высокочастотный генератор, 23 - однофазный инвертор напряжения, 25, 26, 27 - фазочувствительные выпрямители соответствующей фазы сигнальной обмотки, 28, 29, 30 - триггеры Шмитта соответствующей фазы, 
и 
- соответственно прямой и инверсный выходы соответствующего триггера Шмитта, 31, 32, 33 - логические схемы "И".
На фиг.6 приведены эпюры напряжений на входах/выходах соответствующих элементов схемы управления:
- напряжение возбуждения датчика положения ротора, 
, 
, 
- напряжения на фазных сигнальных обмотках, 1, 2, 3 - огибающие кривые напряжений сигнальных обмоток, которые формируются на выходах ФЧВ; 
, 
, 
- напряжения с прямых выходов триггеров Шмитта, используемые для управления вспомогательными транзисторами соответственно - VT2, VT4, VT6; 
, , - напряжения, сформированные с помощью схем "И" и используемые для управления основными транзисторами вентильного коммутатора соответственно - VT1, VT3, VT5.
Совмещенный ВИРД работает следующим образом. На статоре двигателя 4 размещены m-фазные обмотки 9, на статоре датчика 6 размещены две обмотки: высокочастотная обмотка возбуждения 11 и m-фазная сигнальная обмотка 10. Статор датчика установлен в немагнитную втулку 5. Между статорами двигателя и датчика установлен электромагнитный экран 3. Фазные обмотки ВИРД через транзисторы вентильного коммутатора - VT1, VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 подключены к источнику питания постоянного тока - 
. Сигналы на открытие транзисторов формируются в системе управления двигателя из сигналов датчика положения ротора.
Высокочастотный генератор (24) формирует напряжение повышенной частоты - 5-10 кГц 
, которое поступает через однофазный инвертор напряжения (22) на однофазную обмотку возбуждения датчика положения ротора - 18. Пульсирующий магнитный поток, созданный переменным током обмотки возбуждения, наводит в сигнальной обмотке - 19, 20, 21 переменные ЭДС - 
, 
, 
, амплитуда которых зависит от угла сдвига между осью обмотки возбуждения и осью соответствующей сигнальной обмотки. В 25, 26, 27 выделяются низкочастотные огибающие наведенных ЭДС - 34, 35, 36, которые подаются на вход соответствующего триггера Шмитта. Выходные прямые (
, 
, 
) и инверсные (
, 
, 
) сигналы триггеров Шмитта используются для формирования управляющих сигналов на открытие соответствующих основных (
, 
, 
) и вспомогательных транзисторов (
, 
, 
) вентильного коммутатора совмещенного ВИРД. При любом угловом положении ротора всегда формируются сигналы на открытие транзисторов одного из модулей вентильного коммутатора. Ток, протекающий по фазной обмотке двигателя, создает магнитное поле под возбужденными зубцами статора двигателя, в которое "втягиваются" зубцы ротора. Для получения непрерывного вращения ротора необходимо обеспечить пространственный сдвиг в 90 эл. градусов между осью фазной обмотки двигателя и осью кривой изменения магнитной проводимости в воздушном зазоре. Требуемый угол сдвига устанавливается за счет необходимого поворота статора датчика положения ротора 6 относительно статора двигателя 4.
1. Совмещенный вентильный индукторно-реактивный двигатель, состоящий из зубчатого статора с m-фазной обмоткой, зубчатого безобмоточного ротора, датчика положения ротора, вентильного коммутатора и системы управления, отличающийся тем, что статор двигателя и статор датчика положения размещаются в общем корпусе, между ними расположен магнитный экран, ротор двигателя и датчика положения является единым узлом с единой конфигурацией магнитных систем, при этом фазные обмотки вентильного индукторно-реактивного двигателя через транзисторы вентильного коммутатора подключены к источнику питания постоянного тока, сигналы управления трназисторами вентильного коммутатора формируются в системе управления из сигналов датчика положения ротора, статор датчика положения установлен в немагнитную втулку, позволяющую поворачивать статор датчика относительно статора двигателя.
2. Совмещенный вентильный индукторно-реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что система управления состоит из высокочастотного генератора, фазочувствительных выпрямителей и блока, формирующего импульсы управления транзисторами вентильного коммутатора двигателя.
www.findpatent.ru
Санкт-Петербургский ГосУдарственный политехнический университет
ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ, МАШИНОСТРОЕНИЯ И ТРАНСПОРТА
ОТДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Кафедра «Мехатроника и Роботостроение» (при ЦНИИ РТК)
Практическое задание
Магнитостатический и тепловой расчет вентильного индукторно-реактивного двигателя
По дисциплине: Основы систем автоматического проектирования
| Выполнил студент группы 53328/10 | __________ С. Д. Андреев |
| Проверил | __________ Д.А. Медведев |
Санкт-Петербург, 2014
Постановка задачи 3
2 Магнитостатическая модель 3
3 Магнитостатический расчет 9
4 Тепловая модель 13
5 Тепловой расчет 17
Заключение 22
При выполнении данного практического задания перед нами стоит следующая цель: построить модель векторно-индукторного реактивного двигателя (ВИРД) и произвести расчет его магнитостатических и тепловых характеристик.
Предложенный для расчета ВИРД имеет следующие частные параметры:
Таблица 1 – Параметры выданного ВИРД
| Число фаз обмотки статора |
|
| Число зубцов статора |
|
| Число зубцов ротора |
|
| Шаг ВИРД |
|
Также преподавателем заданы общие параметры для всех расчетных заданий (все размеры указаны в мм):
Таблица 2 – Общие данные расчета
| Диаметр внутреннего отверстия ротора |
|
| Диаметр внешней границы корпуса |
|
| Диаметр активной части пакета статора |
|
| Диаметр расточки статора |
|
| Длина активного пакета |
|
| Воздушный зазор |
|
2 Магнитостатическая модель
Перед началом работы необходимо рассчитать все геометрические характеристики нашего двигателя. Расчет был произведен на основе приведенных выше исходных данных в среде пакета Mathcad.
Параметр h*, определяющий возможность расчета данного ВИРД:
Полюсные деления статора и ротора:
Пределы углов, на которые опираются статор и ротор:
Выбираем значения углов:
Рассчитываем ширины зубцов:
Задаем требуемые коэффициенты и рассчитываем параметры статора:
Та же операция для ротора:
Dyarmac– диаметр ближней к центру кромки ярма статора,Dp– диаметр, на котором лежат наиболее удаленные от центра точки зубца ротора,Dyarmar– диаметр дальней от центра кромки ярма ротора.
Приступим к построению модели в среде пакета Elcut. После окончания построения модель нашего двигателя выглядит следующим образом:
Рисунок 1 – Модель ВИРД
Далее, задаем свойства материалов (метки блоков).
Воздух:магнитная проницаемость 1 по обоим направлениям
Обмотка + и Обмотка - :магнитная проницаемость 1 по обоим направлениям, плотность тока = 30*106А/м2, со знаком “+” для «обмотки +» и со знаком “-“ для «обмотки – »
Сталь 3414:Для стали мы задаем свойства нелинейного материала (кривую намагничиванияB-H) со следующими данными, выданными преподавателем:
| В, Тл | Н, А/м |
| 0 | 0 |
| 0.04 | 1.12 |
| 0.11 | 3.00 |
| 0.24 | 5.69 |
| 0.34 | 7.5 |
| 0.5 | 10 |
| 0.62 | 11.69 |
| 0.75 | 13.44 |
| 0.9 | 15.44 |
| 1.06 | 17.81 |
| 1.29 | 21.56 |
| 1.35 | 22.63 |
| 1.43 | 24.13 |
| 1.5 | 26.13 |
| 1.62 | 30.69 |
| 1.7 | 39.19 |
| 1.77 | 55.63 |
| 1.8 | 121.25 |
После настройки меток блоков эти метки были присвоены соответствующим частям модели (см. ниже Рисунок 2 - Рисунок 4):
Рисунок 2 – Блоки с воздухом
Рисунок 3 – Блоки со сталью 3413
Рисунок 4 – Блоки «Обмотка +»
Рисунок 5 – Блоки «Обмотка - »
После указания меток для всех блоков задаем единственную метку для ребер, которая будет выступать как граничное условие при решении задачи – магнитный потенциал А = 0. Эту метку мы указываем для внешней границы блока воздуха, окружающего модель.
Получим картины магнитного поля для случая, когда все зубцы статора запитаны, в положениях d,qиdq.
Рисунок 6 – Картина магнитного поля, все обмотки, положениеd
Рисунок 7 - Картина магнитного поля, все обмотки, положение dq
Рисунок 8 - Картина магнитного поля, все обмотки, положение q
Во всех положениях было рассчитано значение момента:
Md= -0.88967*0.04 = -0.035 Н*м
Mdq= -1,0349*0.04 = -0,041 Н*м
Mq= -0.35794*0.04 = -0.014 Н*м
Теперь запитаем только 1 фазу и приступим к снятию зависимости момента в положении dqот плотности тока.
| j, А/мм^2 | Mdq, Н*м |
| 3,000 | 16,841 |
| 5,000 | 46,662 |
| 10,000 | 184,35 |
| 15,000 | 395,2 |
| 20,000 | 660,93 |
| 30,000 | 1359,6 |
| 40,000 | 2273 |
| 50,000 | 3417,5 |
| 60,000 | 4792,9 |
| 70,000 | 6400,3 |
| 80,000 | 8239,3 |
| 90,000 | 10310 |
| 100,000 | 12610 |
Таблица 3 – Зависимость Mdqотj
Рисунок 9 – График зависимости Mdqотj
Далее, снимаем зависимость момента от угла поворота ротора в пределах от dдоq.
| α, град | Mdq, Н*м |
| 0,000 | -22,228 |
| 1,125 | 229,21 |
| 2,250 | 62,791 |
| 3,375 | 68,504 |
| 4,500 | 4,8526 |
| 5,625 | 69,324 |
| 6,750 | 150,94 |
| 7,875 | -13,901 |
| 9,000 | 775,46 |
| 10,125 | 1098 |
| 11,250 | 1481,6 |
| 12,375 | 1604,5 |
| 13,500 | 1687,7 |
| 14,625 | 1750,6 |
| 15,750 | 1611,9 |
| 16,875 | 1218,8 |
| 17,000 | 1072,5 |
| 17,125 | 857,42 |
| 17,250 | 823,42 |
| 17,375 | 712,57 |
| 17,500 | 463,83 |
| 17,625 | 347,97 |
| 17,750 | 243,86 |
| 17,875 | 100,84 |
| 18,000 | -12,508 |
| 19,125 | -1210,3 |
| 20,250 | -1710,3 |
| 21,375 | -1744,9 |
| 22,500 | -1709,8 |
Таблица 4 – Зависимость Mdqот угла поворота ротора
Рисунок 10 – График зависимости Mdqот угла поворота ротора
Далее, узнаем локальные значения магнитной индукции в коронке зубца статора. В разных углах они получились 9,999Тл и 10,267Тл. Среднее значение магнитного поля в коронке зубца статора – 10,133Тл.
После, необходимо снять график радиальной магнитной индукции, что можно сделать средствами Elcut.
Рисунок 11 – График радиальной магнитной индукции
Для проведения теплового расчета необходимо создать тепловую модель двигателя, которая немногим отличается от магнитостатической. Далее на рисунках представлена тепловая модель и ее составляющие.
Рисунок 12 – Общий вид тепловой модели двигателя
Рисунок 13 – Блоки с воздухом
Рисунок 14 – Блоки со сталью 3413
Рисунок 15 – Блоки с изоляцией
Рисунок 16 – Блоки с медными обмотками
После построения тепловой модели можно провести тепловой расчет двигателя. В первую очередь рассчитаем тепловую картину при всех запитанных фазах в положениях d,dq,q.
Рисунок 17 – Тепловая картина в положении d
Рисунок 18 – Тепловая картина в положении dq
Рисунок 19 – Тепловая картина в положении q
Далее представлены графики температуры по радиусу при различных положениях ротора.
Рисунок 20 – График температуры в положении d
Рисунок 21 – График температуры в положении dq
Рисунок 22 – График температуры в положении q
После этого, снимем зависимость максимальной температуры в двигателе от плотности тока в обмотках.
| J, А/мм^2 | T, K |
| 3,000 | 281,6 |
| 5,000 | 296,9 |
| 10,000 | 368,62 |
| 15,000 | 488,15 |
| 20,000 | 655,48 |
| 30,000 | 1133,6 |
| 40,000 | 1802,9 |
| 50,000 | 2663,5 |
| 60,000 | 3715,3 |
| 70,000 | 4958,4 |
| 80,000 | 6392,7 |
| 90,000 | 8018,2 |
| 100,000 | 9835 |
Таблица 5 – Зависимость максимальной температуры от j
Рисунок 20 – График зависимости максимальной температуры от j
В данной работе был проведен расчет вентильного индукторно-реактивного двигателя. В первую очередь были подобраны коэффициенты для расчета геометрии двигателя.
После был проведен магнитостатический расчет, который показал магнитные характеристики двигателя. В том числе распределение магнитной индукции внутри объема двигателя. Магнитостатический расчет показывает возможность эксплуатации двигателя по критерию максимально допустимого магнитного поля.
Далее был проведен тепловой расчет, который показал распределение температуры внутри объема двигателя при его эксплуатации. Тепловой расчет помогает узнать возможна ли эксплуатация двигателя по критерию максимально допустимой температуры.
studfiles.net
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах автоматического управления. Совмещенный вентильный индукторно-реактивного двигатель содержит статор с m-фазной обмоткой и датчик положения с однофазной высокочастотной обмоткой возбуждения и m-фазной сигнальной обмоткой. Статор датчика положения установлен в немагнитную втулку, позволяющую поворачивать статор датчика относительно статора двигателя. Между статорами двигателя и датчика установлен немагнитный экран. Ротор двигателя и датчика выполнен единым. Магнитные системы двигателя и датчика выполнены идентичными. Система управления двигателя содержит высокочастотный генератор, фазочувствительные выпрямители и логический блок, формирующий импульсы управления транзисторами вентильного коммутатора двигателя. В двигателе обеспечивается повышение надежности, технологичности и улучшение массогабаритных показателей. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано в системах автоматического управления.
Известны совмещенные электрические машины, в которых в едином корпусе размещаются электрические машины разного класса: двигатель - генератор, двигатель - датчик положения, двигатель - магнитный усилитель и т.д. Использование общей магнитной системы для электрических машин разного класса позволяет существенно снизить массогабаритные показатели устройства и уменьшить количество сочленяемых агрегатов. При совмещении электрических машин разного класса в общей магнитной системе необходимо предусмотреть меры, направленные на устранение электромагнитного взаимодействия между совмещенными электрическими машинами. Для этого у совмещаемых электрических машин применяют разное число полюсов, различное укорочение шагов обмоток, измененный порядок соединения катушечных групп в фазе и т.д. [Совмещенные электрические машины для автоматики. Под общей ред. Д.В.Свечарника. - М.: "Энергия", 1969].
В качестве прототипа выберем SRM (Switched Reluctance Motor), приведенный на Fig.7.2 (Page 100) и описанный в монографии Miller T.J.E. Switched reluctance motor and their control. Magna physics publishing and Clarendon press. Oxford. 1993. Рассматриваемый двигатель состоит из синхронного индукторно-реактивного двигателя, датчика положения ротора, системы управления и вентильного коммутатора. Статор синхронного индукторно-реактивного двигателя выполняется с прямыми зубцами, на которых размещаются катушечные обмотки, соединяемые в многофазную обмотку; ротор - зубчатый, безобмоточный. Число зубцов статора не равно числу зубцов ротора. В отечественной технической литературе данный тип двигателя получил наименование вентильный индукторно-реактивный двигатель (ВИРД). [Голландцев Ю.А. Вентильные индукторно-реактивные двигатели. СПб.: ГНЦ РФ - ЦНИИ "Электроприбор", 2003]. К недостаткам прототипа можно отнести наличие дополнительного датчика положения, установка которого на валу двигателя увеличивает массогабаритные размеры электромашинного агрегата.
В вентильных двигателях число пар полюсов и фаз у двигателя и датчика положения ротора должно быть одинаковым, поэтому многие из известных мер исключения электромагнитного взаимодействия между полями двигателя и датчика положения ротора в совмещенном ВИРД непригодны.
Из существующего многообразия датчиков положения ротора в совмещенном ВИРД целесообразно использовать редуктосин, магнитная система которого соответствует магнитной системе индукторно-реактивных двигателей, но отличается системой обмоток: обмоткой возбуждения и многофазной сигнальной обмоткой [Юферов Ф.М. Электрические микромашины автоматических устройств. - М.: Высшая школа, 1976].
Задачей изобретения является повышение надежности, технологичности, а также улучшение массогабаритных показателей ВИРД.
Поставленная задача в рассматриваемом совмещенном ВИРД решена тем, что конфигурации магнитных систем двигателя и датчика положения ротора одинаковы. Под конфигурацией магнитной системы понимаем параметры зубцовой зоны: число зубцов статора и ротора, геометрические размеры зубцов и ярма. Катушечные обмотки, размещенные на зубцах пакета статора двигателя, соединяются в m-фазную обмотку двигателя. На каждом зубце статора датчика расположены две маломощных катушки. Нижние катушки, охватывающие основания зубцов, соединяются последовательно и образуют однофазную высокочастотную обмотку возбуждения. Верхние катушки образуют m-фазную сигнальную обмотку. Число фаз обмотки двигателя и сигнальной обмотки датчика равно друг другу. Зубчатый безобмоточный ротор является единым для двигателя и датчика.
Для предотвращения взаимодействия между электромагнитными полями обмоток двигателя и датчика предусмотрены специальные конструктивные решения. Для исключения замыкания переменных магнитных потоков рассеяния по продольной оси совмещенного ВИРД пакет статора датчика устанавливается в немагнитную втулку, которая крепится к корпусу. Для исключения трансформаторной связи между потоками рассеяния лобовых частей обмоток двигателя и датчика между статорами двигателя и датчика устанавливается электромагнитный экран, который может состоять из двух тонких листов пермаллоя, между которыми проложен тонкий лист меди.
Для регулирования угла установки датчика положения ротора относительно оси обмотки статора двигателя в совмещенном ВИРД предусмотрено устройство, обеспечивающее поворот и жесткую фиксацию немагнитной втулки со статором датчика относительно оси статора двигателя в пределах двойного полюсного деления ротора.
Сущность изобретения поясняется приведенными чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид совмещенного ВИРД, на которой используются следующие обозначения:
1 - валик, 2 - корпус, 3 - электромагнитный экран, 4 - статор двигателя, 5 - немагнитная втулка статора датчика, 6 - статор датчика, 7 - подшипниковый щит, 8 - ротор двигателя и датчика.
На фиг.2 приведено поперечное сечение (А-А) магнитной системы статора и ротора двигателя: 9 - m-фазная обмотка двигателя.
На фиг.3 приведено поперечное сечение (Б-Б) магнитной системы статора и ротора датчика положения ротора, 10 - m-фазная сигнальная обмотка датчика, 11 - однофазная высокочастотная обмотка возбуждения датчика.
На фиг.4 приведена схема вентильного коммутатора при m=3. Модули трехфазного вентильного коммутатора фаз А, В, С выполнены по схеме асимметричного моста. На схеме использованы следующие обозначения: 13 - основной транзистор, 14 - вспомогательный транзистор, 15, 16 - обратные диоды, 17 - обмотка фазы A, Uп - напряжение питания вентильного коммутатора, 12 - входной конденсатор. Транзисторы вентильного коммутатора управляются сформированными сигналами датчика положения.
На фиг.5 представлена блок-схема системы управления совмещенного ВИРД. На схеме использованы следующие обозначения: 18 - однофазная высокочастотная обмотка возбуждения датчика, 19, 20, 21 - фазные сигнальные обмотки датчика; 24 - высокочастотный генератор, 23 - однофазный инвертор напряжения, 25, 26, 27 - фазочувствительные выпрямители соответствующей фазы сигнальной обмотки, 28, 29, 30 - триггеры Шмитта соответствующей фазы,
и
- соответственно прямой и инверсный выходы соответствующего триггера Шмитта, 31, 32, 33 - логические схемы "И".
На фиг.6 приведены эпюры напряжений на входах/выходах соответствующих элементов схемы управления:
- напряжение возбуждения датчика положения ротора,
,
,
- напряжения на фазных сигнальных обмотках, 1, 2, 3 - огибающие кривые напряжений сигнальных обмоток, которые формируются на выходах ФЧВ;
,
,
- напряжения с прямых выходов триггеров Шмитта, используемые для управления вспомогательными транзисторами соответственно - VT2, VT4, VT6;
,
,
- напряжения, сформированные с помощью схем "И" и используемые для управления основными транзисторами вентильного коммутатора соответственно - VT1, VT3, VT5.
Совмещенный ВИРД работает следующим образом. На статоре двигателя 4 размещены m-фазные обмотки 9, на статоре датчика 6 размещены две обмотки: высокочастотная обмотка возбуждения 11 и m-фазная сигнальная обмотка 10. Статор датчика установлен в немагнитную втулку 5. Между статорами двигателя и датчика установлен электромагнитный экран 3. Фазные обмотки ВИРД через транзисторы вентильного коммутатора - VT1, VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 подключены к источнику питания постоянного тока -
. Сигналы на открытие транзисторов формируются в системе управления двигателя из сигналов датчика положения ротора.
Высокочастотный генератор (24) формирует напряжение повышенной частоты - 5-10 кГц
, которое поступает через однофазный инвертор напряжения (22) на однофазную обмотку возбуждения датчика положения ротора - 18. Пульсирующий магнитный поток, созданный переменным током обмотки возбуждения, наводит в сигнальной обмотке - 19, 20, 21 переменные ЭДС -
,
,
, амплитуда которых зависит от угла сдвига между осью обмотки возбуждения и осью соответствующей сигнальной обмотки. В 25, 26, 27 выделяются низкочастотные огибающие наведенных ЭДС - 34, 35, 36, которые подаются на вход соответствующего триггера Шмитта. Выходные прямые (
,
,
) и инверсные (
,
,
) сигналы триггеров Шмитта используются для формирования управляющих сигналов на открытие соответствующих основных (
,
,
) и вспомогательных транзисторов (
,
,
) вентильного коммутатора совмещенного ВИРД. При любом угловом положении ротора всегда формируются сигналы на открытие транзисторов одного из модулей вентильного коммутатора. Ток, протекающий по фазной обмотке двигателя, создает магнитное поле под возбужденными зубцами статора двигателя, в которое "втягиваются" зубцы ротора. Для получения непрерывного вращения ротора необходимо обеспечить пространственный сдвиг в 90 эл. градусов между осью фазной обмотки двигателя и осью кривой изменения магнитной проводимости в воздушном зазоре. Требуемый угол сдвига устанавливается за счет необходимого поворота статора датчика положения ротора 6 относительно статора двигателя 4.
1. Совмещенный вентильный индукторно-реактивный двигатель, состоящий из зубчатого статора с m-фазной обмоткой, зубчатого безобмоточного ротора, датчика положения ротора, вентильного коммутатора и системы управления, отличающийся тем, что статор двигателя и статор датчика положения размещаются в общем корпусе, между ними расположен магнитный экран, ротор двигателя и датчика положения является единым узлом с единой конфигурацией магнитных систем, при этом фазные обмотки вентильного индукторно-реактивного двигателя через транзисторы вентильного коммутатора подключены к источнику питания постоянного тока, сигналы управления трназисторами вентильного коммутатора формируются в системе управления из сигналов датчика положения ротора, статор датчика положения установлен в немагнитную втулку, позволяющую поворачивать статор датчика относительно статора двигателя.
2. Совмещенный вентильный индукторно-реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что система управления состоит из высокочастотного генератора, фазочувствительных выпрямителей и блока, формирующего импульсы управления транзисторами вентильного коммутатора двигателя.
bankpatentov.ru
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах автоматического управления. Совмещенный вентильный индукторно-реактивного двигатель содержит статор с m-фазной обмоткой и датчик положения с однофазной высокочастотной обмоткой возбуждения и m-фазной сигнальной обмоткой. Статор датчика положения установлен в немагнитную втулку, позволяющую поворачивать статор датчика относительно статора двигателя. Между статорами двигателя и датчика установлен немагнитный экран. Ротор двигателя и датчика выполнен единым. Магнитные системы двигателя и датчика выполнены идентичными. Система управления двигателя содержит высокочастотный генератор, фазочувствительные выпрямители и логический блок, формирующий импульсы управления транзисторами вентильного коммутатора двигателя. В двигателе обеспечивается повышение надежности, технологичности и улучшение массогабаритных показателей. 1 з.п. ф-лы, 6 ил. 
Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано в системах автоматического управления.
Известны совмещенные электрические машины, в которых в едином корпусе размещаются электрические машины разного класса: двигатель - генератор, двигатель - датчик положения, двигатель - магнитный усилитель и т.д. Использование общей магнитной системы для электрических машин разного класса позволяет существенно снизить массогабаритные показатели устройства и уменьшить количество сочленяемых агрегатов. При совмещении электрических машин разного класса в общей магнитной системе необходимо предусмотреть меры, направленные на устранение электромагнитного взаимодействия между совмещенными электрическими машинами. Для этого у совмещаемых электрических машин применяют разное число полюсов, различное укорочение шагов обмоток, измененный порядок соединения катушечных групп в фазе и т.д. [Совмещенные электрические машины для автоматики. Под общей ред. Д.В.Свечарника. - М.: "Энергия", 1969].
В качестве прототипа выберем SRM (Switched Reluctance Motor), приведенный на Fig.7.2 (Page 100) и описанный в монографии Miller T.J.E. Switched reluctance motor and their control. Magna physics publishing and Clarendon press. Oxford. 1993. Рассматриваемый двигатель состоит из синхронного индукторно-реактивного двигателя, датчика положения ротора, системы управления и вентильного коммутатора. Статор синхронного индукторно-реактивного двигателя выполняется с прямыми зубцами, на которых размещаются катушечные обмотки, соединяемые в многофазную обмотку; ротор - зубчатый, безобмоточный. Число зубцов статора не равно числу зубцов ротора. В отечественной технической литературе данный тип двигателя получил наименование вентильный индукторно-реактивный двигатель (ВИРД). [Голландцев Ю.А. Вентильные индукторно-реактивные двигатели. СПб.: ГНЦ РФ - ЦНИИ "Электроприбор", 2003]. К недостаткам прототипа можно отнести наличие дополнительного датчика положения, установка которого на валу двигателя увеличивает массогабаритные размеры электромашинного агрегата.
В вентильных двигателях число пар полюсов и фаз у двигателя и датчика положения ротора должно быть одинаковым, поэтому многие из известных мер исключения электромагнитного взаимодействия между полями двигателя и датчика положения ротора в совмещенном ВИРД непригодны.
Из существующего многообразия датчиков положения ротора в совмещенном ВИРД целесообразно использовать редуктосин, магнитная система которого соответствует магнитной системе индукторно-реактивных двигателей, но отличается системой обмоток: обмоткой возбуждения и многофазной сигнальной обмоткой [Юферов Ф.М. Электрические микромашины автоматических устройств. - М.: Высшая школа, 1976].
Задачей изобретения является повышение надежности, технологичности, а также улучшение массогабаритных показателей ВИРД.
Поставленная задача в рассматриваемом совмещенном ВИРД решена тем, что конфигурации магнитных систем двигателя и датчика положения ротора одинаковы. Под конфигурацией магнитной системы понимаем параметры зубцовой зоны: число зубцов статора и ротора, геометрические размеры зубцов и ярма. Катушечные обмотки, размещенные на зубцах пакета статора двигателя, соединяются в m-фазную обмотку двигателя. На каждом зубце статора датчика расположены две маломощных катушки. Нижние катушки, охватывающие основания зубцов, соединяются последовательно и образуют однофазную высокочастотную обмотку возбуждения. Верхние катушки образуют m-фазную сигнальную обмотку. Число фаз обмотки двигателя и сигнальной обмотки датчика равно друг другу. Зубчатый безобмоточный ротор является единым для двигателя и датчика.
Для предотвращения взаимодействия между электромагнитными полями обмоток двигателя и датчика предусмотрены специальные конструктивные решения. Для исключения замыкания переменных магнитных потоков рассеяния по продольной оси совмещенного ВИРД пакет статора датчика устанавливается в немагнитную втулку, которая крепится к корпусу. Для исключения трансформаторной связи между потоками рассеяния лобовых частей обмоток двигателя и датчика между статорами двигателя и датчика устанавливается электромагнитный экран, который может состоять из двух тонких листов пермаллоя, между которыми проложен тонкий лист меди.
Для регулирования угла установки датчика положения ротора относительно оси обмотки статора двигателя в совмещенном ВИРД предусмотрено устройство, обеспечивающее поворот и жесткую фиксацию немагнитной втулки со статором датчика относительно оси статора двигателя в пределах двойного полюсного деления ротора.
Сущность изобретения поясняется приведенными чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид совмещенного ВИРД, на которой используются следующие обозначения:
1 - валик, 2 - корпус, 3 - электромагнитный экран, 4 - статор двигателя, 5 - немагнитная втулка статора датчика, 6 - статор датчика, 7 - подшипниковый щит, 8 - ротор двигателя и датчика.
На фиг.2 приведено поперечное сечение (А-А) магнитной системы статора и ротора двигателя: 9 - m-фазная обмотка двигателя.
На фиг.3 приведено поперечное сечение (Б-Б) магнитной системы статора и ротора датчика положения ротора, 10 - m-фазная сигнальная обмотка датчика, 11 - однофазная высокочастотная обмотка возбуждения датчика.
На фиг.4 приведена схема вентильного коммутатора при m=3. Модули трехфазного вентильного коммутатора фаз А, В, С выполнены по схеме асимметричного моста. На схеме использованы следующие обозначения: 13 - основной транзистор, 14 - вспомогательный транзистор, 15, 16 - обратные диоды, 17 - обмотка фазы A, Uп - напряжение питания вентильного коммутатора, 12 - входной конденсатор. Транзисторы вентильного коммутатора управляются сформированными сигналами датчика положения.
На фиг.5 представлена блок-схема системы управления совмещенного ВИРД. На схеме использованы следующие обозначения: 18 - однофазная высокочастотная обмотка возбуждения датчика, 19, 20, 21 - фазные сигнальные обмотки датчика; 24 - высокочастотный генератор, 23 - однофазный инвертор напряжения, 25, 26, 27 - фазочувствительные выпрямители соответствующей фазы сигнальной обмотки, 28, 29, 30 - триггеры Шмитта соответствующей фазы, 
и 
- соответственно прямой и инверсный выходы соответствующего триггера Шмитта, 31, 32, 33 - логические схемы "И".
На фиг.6 приведены эпюры напряжений на входах/выходах соответствующих элементов схемы управления:
- напряжение возбуждения датчика положения ротора, 
, 
, 
- напряжения на фазных сигнальных обмотках, 1, 2, 3 - огибающие кривые напряжений сигнальных обмоток, которые формируются на выходах ФЧВ; 
, 
, 
- напряжения с прямых выходов триггеров Шмитта, используемые для управления вспомогательными транзисторами соответственно - VT2, VT4, VT6; 
, , - напряжения, сформированные с помощью схем "И" и используемые для управления основными транзисторами вентильного коммутатора соответственно - VT1, VT3, VT5.
Совмещенный ВИРД работает следующим образом. На статоре двигателя 4 размещены m-фазные обмотки 9, на статоре датчика 6 размещены две обмотки: высокочастотная обмотка возбуждения 11 и m-фазная сигнальная обмотка 10. Статор датчика установлен в немагнитную втулку 5. Между статорами двигателя и датчика установлен электромагнитный экран 3. Фазные обмотки ВИРД через транзисторы вентильного коммутатора - VT1, VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 подключены к источнику питания постоянного тока - 
. Сигналы на открытие транзисторов формируются в системе управления двигателя из сигналов датчика положения ротора.
Высокочастотный генератор (24) формирует напряжение повышенной частоты - 5-10 кГц 
, которое поступает через однофазный инвертор напряжения (22) на однофазную обмотку возбуждения датчика положения ротора - 18. Пульсирующий магнитный поток, созданный переменным током обмотки возбуждения, наводит в сигнальной обмотке - 19, 20, 21 переменные ЭДС - 
, 
, 
, амплитуда которых зависит от угла сдвига между осью обмотки возбуждения и осью соответствующей сигнальной обмотки. В 25, 26, 27 выделяются низкочастотные огибающие наведенных ЭДС - 34, 35, 36, которые подаются на вход соответствующего триггера Шмитта. Выходные прямые (
, 
, 
) и инверсные (
, 
, 
) сигналы триггеров Шмитта используются для формирования управляющих сигналов на открытие соответствующих основных (
, 
, 
) и вспомогательных транзисторов (
, 
, 
) вентильного коммутатора совмещенного ВИРД. При любом угловом положении ротора всегда формируются сигналы на открытие транзисторов одного из модулей вентильного коммутатора. Ток, протекающий по фазной обмотке двигателя, создает магнитное поле под возбужденными зубцами статора двигателя, в которое "втягиваются" зубцы ротора. Для получения непрерывного вращения ротора необходимо обеспечить пространственный сдвиг в 90 эл. градусов между осью фазной обмотки двигателя и осью кривой изменения магнитной проводимости в воздушном зазоре. Требуемый угол сдвига устанавливается за счет необходимого поворота статора датчика положения ротора 6 относительно статора двигателя 4.
1. Совмещенный вентильный индукторно-реактивный двигатель, состоящий из зубчатого статора с m-фазной обмоткой, зубчатого безобмоточного ротора, датчика положения ротора, вентильного коммутатора и системы управления, отличающийся тем, что статор двигателя и статор датчика положения размещаются в общем корпусе, между ними расположен магнитный экран, ротор двигателя и датчика положения является единым узлом с единой конфигурацией магнитных систем, при этом фазные обмотки вентильного индукторно-реактивного двигателя через транзисторы вентильного коммутатора подключены к источнику питания постоянного тока, сигналы управления трназисторами вентильного коммутатора формируются в системе управления из сигналов датчика положения ротора, статор датчика положения установлен в немагнитную втулку, позволяющую поворачивать статор датчика относительно статора двигателя.
2. Совмещенный вентильный индукторно-реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что система управления состоит из высокочастотного генератора, фазочувствительных выпрямителей и блока, формирующего импульсы управления транзисторами вентильного коммутатора двигателя.
www.freepatent.ru
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯУДК 621. 313. 13СРАВНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННЫХ И ВЕНТИЛЬНЫХ ИНДУКТОРНОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙЮ. А. Голландцев,доктор техн. наук,ведущий научный сотрудник ЦНИИ «Электроприбор»Сравниваются механические характеристики асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором и вентильных индукторно-реактивных двигателей, предназначенных для применения в системах автоматического управления. Обсуждаются результаты сравнения характеристик и даются рекомендации по выбору двигателей.The mechanical features of asynchronous motors are compared with short-circuit rotor and switched reluctance motors, intended for use in automatic control systems. We discuss the results of the comparison and give recommendations on the choice of the motors for specific purposes.В настоящее время в системах автоматического управления в основном используются асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором, вентильные двигатели (ВД) с возбуждением от постоянных магнитов и значительно реже шаговые и вентильные индукторно-реактивные двигатели (ВИРД).Отлаженная автоматизированная технология производства, низкая стоимость и широкая номенклатура выпускаемых двигателей являются основными причинами широкого использования АД в регулируемом и нерегулируемом электроприводе. К недостаткам АД можно отнести относительно малый воздушный зазор, повышенные тепловые потери в обмотках ротора и статора, а также сложные алгоритмы частотного и векторного управления частотой вращения и моментом. Однако с появлением доступных микропроцессорных средств, которые позволяют реализовать практически любые алгоритмы управления АД, последний недостаток может рассматриваться с позиции надежности работы предложенных алгоритмов управления в режиме реального времени.Номенклатура выпускаемых синхронных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов и, соответственно, ВД, построенных на их базе, очень ограничена. К основным достоинствам ВД относятся высокие энергетические показатели и линейные алгоритмы управления, а недостатки определяются необходимостью установки датчика положения ротора, наличием постоянных магнитов и сложной технологией изготовления рото-ра, содержащего постоянные магниты. Наилучшими удельными энергетическими показателями обладают ВД с постоянными магнитами, намагниченными радиально [1].Во многих системах автоматики применяются безредукторные схемы электропривода, в которых используются двигатели с низкими номинальными частотами вращения. Естественные конструктивные ограничения на выполнение многополюсных синхронных двигателей объясняют появление комбинированных двигателей, у которых зубчатые пакеты на роторе чередуются с кольцевыми магнитами, намагниченными в аксиальном направлении, а статор имеет явно выраженные полюса, на которых выполнены мелкие зубцы [2]. Эти двигатели обладают повышенным коэффициентом электромагнитной редукции частоты вращения и приемлемыми энергетическими показателями, но при этом относительно большим остаточным моментом при обесточенных обмотках и наибольшей трудоемкостью изготовления из всех известных типов двигателей.К классу ВД относятся и ВИРД, которые постепенно отвоевывают себе «место под солнцем», особенно в тех позициях, где наиболее ярко проявляются их достоинства и не играют существенной роли их недостатки. Достоинства ВИРД определяются простой технологичной конструкцией (прямые зубцы на статоре, катушечные обмотки, зубчатый безобмоточный ротор) — отсутствием тепловых потерь в роторе- наличием коэффициента электромагнитной редукции- минимальным мо-ментом инерции ротора- отсутствием «реакции якоря» и остаточного момента при обесточенных обмотках- высоконадежными схемами вентильных коммутаторов и низкой трудоемкостью изготовления. К недостаткам ВИРД следует отнести минимально возможный воздушный зазор, зависимость параметров двигателя от тока нагрузки и угла поворота ротора, повышенное энергопотребление и тепловыделение в пусковом режиме [3].Сравнение характеристик двигателей, имеющих различные принципы создания момента, при разработке регулируемого электропривода представляет сложную многокритериальную задачу, приемлемое решение которой возможно только для конкретного привода. Каждый тип двигателя, очевидно, соответствует определенному классу регулируемых механизмов и условиям эксплуатации, для которых наиболее ярко проявляются его достоинства и «приглушаются» недостатки конкретного типа двигателя.Многие известные результаты сравнений двигателей носят субъективный характер и отражают личные позиции авторов. Большинство из предлагаемых критериев сравнения оценивают показатели двигателей в некоторой расчетной точке, соответствующей либо пусковому режиму работы, либо номинальному [2]. Очень часто технические данные, приводимые в статьях, рекламных и справочных материалах, не позволяют объективно оценить возможности двигателей. При этом возникает проблема приведения сравниваемых двигателей к единому скалярному базису, в состав которого должны входить технические и эксплуатационные показатели, а также трудозатраты на изготовление двигателей в зависимости от объема выпуска. В качестве критерия сравнения двигателей, характеризующихся различными принципами действия и конструкциями, предлагается использовать естественные механические характеристики с учетом теплового режима работы.Рассмотрим два класса самых технологичных электродвигателей: АД и ВИРД — и сравним их естественные механические характеристики.Кроме технологичности конструкций, АД и ВИРД объединяет еще один признак — наличие одного источника электрической энергии- независимого потока возбуждения в двигателях — нет. В АД трехфазное напряжение питания создает вращающееся магнитное поле в воздушном зазоре, которое взаимодействует с током, протекающим в короткозамкнутой обмотке ротора под действием наведенной ЭДС. Вращающееся магнитное поле в ВИРД взаимодействует с ротором, имеющим явную магнитную асимметрию по расточке статора по эквивалентным осям й и q. Следует заметить, что принцип формирования момента в АД обладает большей эффективностью по сравнению с принципом, реализованным в ВИРД. В АД момент на валу пропорционален электрическим потерям в роторе, поэтому температура нагрева обмоток ро-тора и статора близка к максимально допустимой температуре изоляции обмотки статора. В ВИРД ротор практически холодный, тепловая нагрузка двигателя определяется электрическими потерями в обмотке статора. Для повышения энергетических показателей в АД и ВИРД воздушный зазор выбирается минимально возможным и ограничивается уровнем технологии и условиями эксплуатации.В качестве исходного двигателя выберем трехфазный АД с короткозамкнутым ротором мощностью 13 кВт и синхронной частотой вращения 150 1/с, расчет которого приведен в работе [4]. При сохранении внешних габаритных размеров АД спроектировано два ВИРД, различающихся числом фаз и соотношением зубцов статора / ротора. Параметры рассчитанных двигателей приведены в таблице. АД и ВИРД отличаются диаметром расточки, числом пар полюсов, которое в ВИРД равно числу зубцов ротора. Напряжение питания обмоток АД — 220/380 В, 50 Гц, а напряжение питания обмоток ВИРД — 300 В постоянного тока. Кроме того, трехфазный ВИРД-300−6/4 рассчитан на режим одиночной коммутации фаз, когда каждая фаза проводит ток в течение 120 эл. град. В четырехфазном ВИРД 300−8/6 реализована парная коммутация, при которой ток проводят две фазы в течение 180 эл. град.Рабочие характеристики ВИРД-300−6/4 и ВИРД-300−8/6, к которым относятся: полезная мощность на валу Р2 = /(Мнг), потребляемая мощность Рп = /(Мнг), электромагнитный КПД, учитывающий только электрические потери в обмотке: & quot-л = /(Мнг) — представлены на рис. 1. Максимальная мощность на валу ВИРД имеет место при больших моментах нагрузки при условии сильного насыщения магнитной цепи двигателя. Максимальный КПД в ВИРД существует при малых моментах нагрузки и частотах вращения, близких к холостому ходу, когда эквивалентный, фиктивный поток возбуждения становится максимальным.Механические характеристики ВИРД соответствуют характеристикам двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением с ослабленным потоком. Величина фиктивного магнитного потока возбуждения в ВИРД лежит в диапазоне: Ф^ = (0,25 — 0,5)ФЖ, где Фж — магнитный поток, созданный обмоткой. Режим работы приводного механизма определяет выбор расчетной точки на механической характеристике ВИРД, от значения которой зависит тепловой режим статора, степень насыщения магнитной системы двигателя и вид механической характеристики. Вид механической характеристики ВИРД можно сформировать за счет выбора способа соединения катушечных обмоток в фазу и режима коммутации фаз [5]. Типовые механические характеристики ВИРД в относительных единицах приведены на рис. 2. Режим парной коммутации фаз обеспечивает форсирование пускового момента по сравнению с одиночной коммутацией и¦ Параметры двигателей АД-300, ВИРД-300−6/4 и ВИРД-300−8/6Параметр ДвигательАД-300 ВИРД-300−6/4 ВИРД 300−8/6Внешний диаметр пакета статора, мм 291 291 291Диаметр расточки, мм 184 150 150Длина пакета статора, мм 123 123 123Воздушный зазор, мм 0,45 0,45 0,45Число зубцов статора/ротора 36/46 6/4 8/6Число фаз 3 3 4Число пар полюсов 2 (4)* (6)*Шаг ВИРД, град — 30 15Длина лобовых частей обмотки, мм 218,5 115 87Средняя длина витка, мм 683 477 419Сопротивление фазной обмотки, Ом 0,36 3,19 5,46Режим коммутации фаз — Одиночная ПарнаяНапряжение питания, В 220/380, 50 Гц = 300 = 300Пусковой / максимальный момент, Н-м 125 / 202 368 334Плотность тока при пуске, А/мм2 — 60 60Потребляемая мощность при пуске, Вт — 28 218 32 968Установившаяся температура в режиме короткого замыкания, °С — 340 446Параметр повторно-кратковременного режима, %, при Густ=150 °С — 44 34Номинальный момент, Н ¦ м 87 87 87Частота вращения номинальная, 1/с 146 32,5 36Номинальная мощность на валу, Вт 12 702 2827,5 3132Потребляемая мощность в номинальном режиме, Вт 14 272 3213 3559КПД в номинальном режиме 0,89 0,88 0,88Средняя полезная мощность, Вт 21 780 11 670 11 970может быть реализован в двигателях, имеющих число фаз больше трех.Различаем три возможных режима работы приводных механизмов, для которых выбираются следующие расчетные точки:— двигатели, предназначенные для длительной работы в заторможенном режиме, рассчитываются для долговременной работы в пусковом режиме, максимальное значение пускового момента определяет-ся допустимой температурой изоляции обмотки в установившемся режиме работы, максимальное значение индукции, близкое к индукции насыщения стали, имеет место в коронке зубца статора, КПД двигателя — низкий, механическая характеристика — «мягкая» (кривая 1 на рис. 2) —— двигатели, предназначенные для привода тяговых механизмов, должны создавать форсированный момент в повторно-кратковременном режимеР-103, Вг¦ Рис. 1. Рабочие характеристики ВИРД-300−6/4 и ВИРД-300−8ш,32.5 21.5 10,5° 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 М, о.с.¦ Рис. 2. Типовые механические характеристики ВИРД¦ Рис. 3. Механические характеристики двигателей АД-300 и ВИРД-300−6/4, ВИРД-300−8/6работы, величина которого определяется допустимой температурой изоляции обмотки в форсированном режиме, при этом зубцы статора полностью насыщены, КПД двигателя — средний- механическая характеристика — «жесткая» в зоне низких частот вращения и больших моментов нагрузки (кривая 2 на рис. 2) —— двигатели, предназначенные для длительной работы в фиксированном диапазоне частот вращения- рассчитываются на номинальный момент, равный = (0,20, 3) Mпуск, прямой пуск данныхдвигателей осуществляется при ограничении потребляемого тока- в режиме пуска зубцы и спинка статора сильно насыщены- КПД двигателей — высокий- механическая характеристика является «жесткой» в требуемом диапазоне частот вращения (кривая 3 на рис. 2).Механические характеристики АД-300 и ВИРД-300−6/4, ВИРД-300−8/6, а также зависимости плотности тока и температуры обмотки ВИРД от момента нагрузки J = /(Жнг), T = f (Mнг) показаны на рис. 3. Сравнение приведенных характеристик АД 2 = 2) и ВИРД, выполненных в одних габаритах, показывает, что ВИРД может быть конкурентоспособным с АД, имеющим повышенное число пар полюсов (2p = 4 и более), из-за естественного коэффициента электромагнитной редукции частоты вращения, характерного для ВИРД. В АД при 2p = 8 синхронная частота вращения шс = 37,5 1/с, что соответствует основному диапазону частот спроектированных ВИРД (см. рис. 3).Среднее значение полезной мощности на валу двигателей иср = | Mшvdm 0может быть использовано в качестве критерия сравнения их механических характеристик. Вычисленные значения полезной средней мощности, приведенные в таблице, подтверждают сказанное о том, что при снижении синхронной частоты вращения в АД в два раза среднее значение полезной мощности будет соизмеримо полезной средней мощности на валу ВИРД.1. Жуков В. П., Нестерин В. А. Высокомоментные вентильные электродвигатели серии 5ДВМ // Электротехника. 2000. № 6. С. 19−21.2. Демагин А. В. Электрические машины для непосредственного привода приборных систем / ЦНИИ «Румб». Л., 1991. 80 с.3. Голландцев Ю. А. Вентильные индукторно-реактивные двигатели / ГНЦ РФ — ЦНИИ «Электроприбор». СПб., 2003. 150 с.4. Сергеев П. С., Виноградов Н. В., Горяинов Ф. А. Проектирование электрических машин. М.: Гос-энергоиздат, 1969. 632 с.5. Голландцев Ю. А. Механические характеристики вентильных индукторно-реактивных двигателей // Изв. вузов. Сер. Приборостроение. 2005. Т. 49. № 7. С. 51−55.
Показать Свернутьsinp.com.ua
ОАО «Харьковский электротехнический завод «Укрэлектромаш» (ХЭЛЗ), крупнейший в Украине производитель асинхронных электродвигателей, ведет разработку принципиального нового двигателя, который собирается вывести на рынок в 2009 году.
Речь идет о вентильно-индукционно-реактивном двигателе (ВИРД), который будет обладать уникальными техническими возможностями.
Научно-конструкторские работы на ХЭЛЗ основываются на «ноу-хау» одного из сотрудников предприятия – универсальной методике расчета технических параметров ВИРД при заданных потребительских параметрах.
На предприятии уже создан опытный образец, ведутся научно-исследовательские и конструкторские работы. Согласно предварительным расчетам, новый двигатель будет на 30% дешевле в производстве, и будет потреблять на 30% меньше электроэнергии, чем применяющиеся сейчас в промышленности модели электродвигателей.
ВИРД представляет собой следующий шаг в техническом развитии электродвигателей: основанные на SR-технологии (switched reluctance technology), они более экономичны, просты и надежны, чем аналогичные им модели асинхронных и синхронных двигателей с частотными преобразователями. ВИРД характеризуются широким диапазоном частот вращения: от единиц до сотен тысяч оборотов в минуту без дополнительных преобразователей частоты и тока. Обладают высоким КПД (90% и более) во всем диапазоне скоростей.
ВИРД находят применение во всех отраслях промышленности, от бытовой техники до мощных промышленных двигателей - везде, где необходим управляемый привод.
ХЭЛЗ – единственное крупное предприятие в Украине, которое в состоянии в короткие сроки разработать и внедрить ВИРД в массовое производство.
«Мы сейчас производим то, что делают многие предприятия, но, чтобы быть успешным, нужно предлагать новый продукт. ВИРД – машина уникальная, с которой вполне можно выйти на западные рынки. Емкость рынка СНГ по двигателям с частотными преобразователями пока невелика, а на Западе это уже стандарт: любая техника, где нужно изменение частоты вращения, оснащается ими. И так как ВИРД экономичнее и лучше стандартных двигателей, он имеет очень большие перспективы», – отметил директор Торгового дома ХЭЛЗ Александр Чкалов.
lozovamachinery.com
(градусов)
