Avtoargon.ru

АвтоАргон
3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электротехника что такое вентильно индукторный двигатель

Электротехника что такое вентильно индукторный двигатель

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в качестве электродвигателя автономных объектов.

Известен индукторный двигатель (патент РФ №2237338 С2, H02K 19/06, H02K 1/06, 27.09.2004), содержащий статор, состоящий из закрепленных в корпусе ферромагнитных шихтованных полюсов, охваченных в радиальном направлении катушками фазной обмотки, при этом крайние полюса статора со стороны каждого торца двигателя объединены магнитопроводами для замыкания рабочего магнитного потока. Ротор двигателя выполнен в виде расположенных поперек оси вращения ряда дисков с установленными на них шихтованными ферромагнитными полюсами. С обеих сторон торцевых поверхностей полюсов ротора через воздушные зазоры размещены полюса статора. Количество дисков ротора определяется требуемой мощностью двигателя и его осевым габаритом. При работе двигателя на катушки каждой фазы поочередно подаются управляемые импульсы тока от автономного коммутатора, в результате чего образуется рабочий магнитный поток, который проходит через полюса ротора, статора, воздушные зазоры, и замыкается на магнитопроводах статора со стороны каждого торца двигателя. Вредные поперечные магнитные силы действуют только между крайними полюсами статора, закрепленными на корпусе двигателя, а между внутренними полюсами ротора и статора эти силы отсутствуют, что обеспечивает достижение указанного выше технического результата.

Недостатками данного двигателя являются высокие массогабаритные показатели и ограниченные функциональные возможности, обусловленные использованием при преобразовании энергии только электромагнитных сил, создаваемых по краям полюсов, и неиспользованием электромагнитных сил, создаваемых центральной частью полюса, а также сложность конструкции.

Известен индукторный двигатель (заявка на выдачу патента РФ №2007148352 С, H02K 19/10, 10.07.2009), содержащий явнополюсный симметричный статор с 2m полюсами, на которых размещены 2m сосредоточенные обмотки, и ферромагнитный ротор с 2(m±1) полюсами, при этом дополнительно ротор имеет цилиндрическую форму, образованную путем клеевого заполнения всех областей ротора, расположенных внутри цилиндрической поверхности с радиусом, равным максимальному радиусу ротора, немагнитным изоляционным материалом, например компаундом.

Недостатками данного двигателя являются высокие массогабаритные показатели и ограниченные функциональные возможности, обусловленные использованием при преобразовании энергии только электромагнитных сил, создаваемых по краям полюсов, и неиспользованием электромагнитных сил, создаваемых центральной частью полюса, а также сложность конструкции.

Известна конструкция трехфазного индукторного двигателя (заявка на патент РФ №96111920 А, H02K 19/10, H02K 19/02, H02K 1/22, H02K 3/18, H02K 1/14, 27.10.1998), содержащая статор с шестью полюсами и размещенными на них фазными обмотками, зубчатый безобмоточный ротор, при этом ротор содержит шесть зубцов.

Недостатками данного двигателя являются высокие массогабаритные показатели и ограниченные функциональные возможности, обусловленные использованием при преобразовании энергии только электромагнитных сил, создаваемых по краям полюсов, и неиспользованием электромагнитных сил, создаваемых центральной частью полюса, а также сложность конструкции.

Известен индукторный двигатель (патент РФ №2068608 C1, H02K 1/12, H02K 19/06, 27.10.1996), состоящий из шихтованного зубчатого ротора и статора, содержащего в пазах шихтованного магнитопровода катушки обмотки. В пазах статора с катушками выполнены ферромагнитные выступы, разделяющие их на две части. В образовавшиеся пазы уложены стороны катушек, намотанных из проводящей шины на узкую сторону. Пазовая часть катушки, прилегающая к стенке паза и к воздушному зазору, подрезана. На стенках пазов статора с катушками и боковых поверхностях выступов выполнены углубления, в которые установлены пазовые клинья.

Недостатками данного двигателя являются высокие массогабаритные показатели и ограниченные функциональные возможности, обусловленные использованием при преобразовании энергии только электромагнитных сил, создаваемых по краям полюсов, и неиспользованием электромагнитных сил, создаваемых центральной частью полюса, а также сложность конструкции.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является вентильно-индукторный реактивный двигатель (патент РФ №2159494 C1, H02K 19/06, H02K 1/06, 12.04.1999), состоящий из корпуса, в котором установлены индуктор и якорь, с возможностью относительного вращения или линейного перемещения, на индукторе и якоре располагаются зубцы и пазы, при этом катушки возбуждения размещаются в пазах индуктора и через управляемые вентильные ключи соединены с источником постоянного напряжения.

Недостатками данного двигателя являются высокие массогабаритные показатели и ограниченные функциональные возможности, обусловленные использованием при преобразовании энергии только электромагнитных сил, создаваемых по краям полюсов, и неиспользованием электромагнитных сил, создаваемых центральной частью полюса, а также сложность конструкции.

Задача изобретения — расширение функциональных возможностей вентильно-индукторного двигателя, благодаря возможности использования электромагнитных сил в центре полюса и введению реверса, упрощение технологии изготовления, благодаря выполнению равного количества зубцов индуктора и якоря, а также достижение максимальных энергетических показателей, благодаря использованию оптимальных геометрических соотношений зубцов якоря и индуктора.

Техническим результатом является повышение надежности, энергоэффективности и выходной мощности вентильно-индукторного двигателя.

Поставленная задача решается и указанный результат достигается тем, что в вентильно-индукторном двигателе, содержащем корпус, в котором установлены с возможностью относительного вращения индуктор и якорь, на индукторе и якоре расположены зубцы и пазы, при этом катушки возбуждения через управляемые вентильные ключи соединены с источником постоянного напряжения, согласно изобретению катушки возбуждения расположены в пазах якоря, при этом количество зубцов якоря равно количеству зубцов индуктора, в торцевой части установлено n правых электромагнитов и n левых электромагнитов, при этом отношение ширины зубца индуктора и якоря к зубцовому делению индуктора находится в промежутке 0,35-0,45, отношение ширины паза индуктора и якоря к зубцовому делению индуктора — в промежутке 0,55-0,65, а высота зубца индуктора и якоря равна 4 высотам воздушного зазора.

Предложенное устройство содержит (см. чертеж) корпус 1, в котором установлены с возможностью относительного вращения индуктор 2 и якорь 3, на индукторе 2 и якоре 3 расположенны зубцы 4 и пазы 5, катушки возбуждения 6, расположенные в пазах 5 якоря 3, через управляемые вентильные ключи 7 соединены с источником напряжения 8, n-правых электромагнитов 9 и n-левых электромагнитов 10, электрически соединенных с источником напряжения 8, установленных в торцевой поверхности якоря 3.

Предложенный вентильно-индукторный двигатель работает следующим образом: зубцы ротора выполнены таким образом, что отношение ширины зубца к зубцовому делению индуктора находится в промежутке 0,35-0,45, отношение ширины паза индуктора и якоря к зубцовому делению индуктора — в промежутке 0,55-0,65, а высота зубца индуктора и якоря равна 4 высотам воздушного зазора При этом зубцовое деление индуктора рассчитывается по формуле:

где z — число зубцов индуктора и якоря;

D — внешний диаметр ротора.

При данном соотношении ширины зубца к зубцовому делению имеют место максимальные силы, при этом для преобразования энергии используются не только края зубцов, но и центр.

При подаче электрического импульса от источника напряжения 8 через управляемые вентильные ключи 7 на n правых электромагнитов 9 n правых электромагнитов 9 втягивают зубцы индуктора 2 вправо, обеспечивая тем самым начальное смещение между зубцами индуктора 2 и якоря 3. При этом на катушки возбуждения 6, якоря 3 также подается импульс тока. При этом ток в катушках возбуждения 6 благодаря малой индуктивности быстро нарастает и создает магнитный поток, замыкающийся через рабочий зазор между индуктором 2 и якорем 3. Так как индуктор 2 и якорь 3 смещены друг относительно друга вправо, возникает сила магнитного тяжения (тяга), стремящаяся установить зубцы индуктора и якоря в согласованное положение. Благодаря тяге возникает правонаправленное вращение якоря 3 относительно индуктора 2. Как только достигается согласованное положение зубцов индуктора 2 и якоря 3, снова подается импульс на n правых электромагнитов 9.

Для обеспечения реверса вентильно-индукторного двигателя подается импульс от источника напряжения 8 через управляемые вентильные ключи 7, n левых электромагнитов 10, n левых электромагнитов 10 втягивают зубцы индуктора 2 влево, обеспечивая тем самым начальное смещение между зубцами индуктора 2 и якоря 3. При этом на катушки возбуждения 6 якоря 3 также подается импульс тока. Так как индуктор 2 и якорь 3 смещены друг относительно друга влево, возникает сила магнитного тяжения (тяга), стремящаяся установить зубцы индуктора и якоря в согласованное положение. Благодаря тяге возникает левонаправленое вращение якоря 3 относительно индуктора 2. Как только достигается согласованное положение зубцов индуктора 2 и якоря 3, снова подается импульс на n левых электромагнитов 10.

Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности вентильно-индукторного двигателя, благодаря возможности использования электромагнитных сил в центре полюса и введению реверса, упростить технологию изготовления, благодаря выполнению равного количества зубцов индуктора и якоря, а также достигнуть максимальные энергетические показатели, благодаря использованию оптимальных геометрических соотношений зубцов якоря и индуктора.

Таким образом, повышается надежность и энергоэффективность, а также выходная мощности вентильно-индукторного двигателя.

Вентильно-индукторный двигатель, содержащий корпус, в котором установлены с возможностью относительного вращения индуктор и якорь, на индукторе и якоре расположены зубцы и пазы, при этом катушки возбуждения через управляемые вентильные ключи соединены с источником постоянного напряжения, отличающийся тем, что катушки возбуждения расположены в пазах якоря, при этом количество зубцов якоря равно количеству зубцов индуктора, в торцевой части установлено n правых электромагнитов и n левых электромагнитов, при этом отношение ширины зубца индуктора и якоря к зубцовому делению индуктора находится в промежутке 0,35-0,45, отношение ширины паза индуктора и якоря к зубцовому делению индуктора — в промежутке 0,55-0,65, а высота зубца индуктора и якоря равна 4 высотам воздушного зазора.

Читать еще:  Волга газ 3110 сколько масла в двигатель

Основные технические особенности вентильных двигателей

Для решения задач контролируемого движения в современных прецизионных системах все чаще применяются вентильные (бесколлекторные) двигатели. Такая тенденция обусловлена преимуществами вентильных двигателей и бурным развитием вычислительных возможностей микроэлектроники. Как известно, вентильные (синхронные) двигатели обеспечивают наиболее высокие плотность длительного момента (момент в единице объема) и энергетическую эффективность по сравнению с любым другим типом двигателя.

Современный вентильный привод объединяет электрическую, механическую и электронную подсистемы в единое цельное мехатронное устройство. В рамках такого подхода удается значительно сократить габариты, избавиться от лишних преобразователей и промежуточных элементов, а значит, повысить надежность всего привода в целом.

В рамках данной статьи рассматривается принцип работы и устройство современных вентильных машин, описываются принципы управления вентильным преобразователем для коммутации с применением датчиков положения ротора, а также перечисляются особенности интегрированного исполнения вентильных двигателей.

1. Основные технические особенности вентильных двигателей

Под вентильным двигателем понимают синхронный двигатель, содержащий многофазную обмотку статора, ротор с постоянными магнитами и встроенным датчиком положения. Коммутация такого двигателя осуществляется при помощи вентильного преобразователя. Поэтому его принято называть «вентильным».

По сути, вентильный двигатель с точки зрения метода коммутации представляет собой «инвертированный» вариант коллекторной машины постоянного тока. В вентильном двигателе индуктор находится на роторе, якорная обмотка на статоре. Коммутация осуществляется путем подачи управляющего согласованного воздействия на обмотки статора в зависимости от положения ротора, определяемого с помощью интегрированных в двигатель датчиков обратной связи.

Рис. 1. Структура вентильного двигателя:
1 – задняя крышка, 2 – печатная плата датчиков, 3 – датчики Холла,
4 – втулка подшипника, 5 – подшипник, 6 – вал,
7 – магниты ротора, 8 – изолирующее кольцо, 9 – обмотка,
10 – тарельчатая пружина, 11 – промежуточная втулка, 12 – изоляция,
13 – корпус, 14 – провода.

Рассмотрим структуру вентильного двигателя на примере семейства двигателей Faulhaber (рис. 1). В данном случае в основе ротора лежит двухполюсный магнит, статора трехфазная обмотка, положение ротора определяется с помощью интегрированных в двигатель датчиков Холла. В общем случае ротор может содержать другое количество пар полюсов, а статор иметь более традиционную конструкцию, внешне сходную со статором асинхронной машины. Наиболее распространен статор с тремя обмотками, соединенными «звездой» (реже в «треугольник») без вывода средней точки. Как известно, именно трехфазная структура является наиболее эффективной при минимуме числа обмоток.

При соединении обмоток «звездой» вентильный двигатель имеет большие постоянные момента и меньшие постоянные противо­ЭДС (при соотношении ?3) по сравнению с соединением «треугольником». Поэтому соединение «звездой» используется для управления осями, требующими больших моментов, а соединение «треугольником» – для больших скоростей.

В большинстве случаев обмотки статора выполняются без насыщения, т.е. противо­ЭДС обмоток имеет синусоидальную форму. Такие двигатели зачастую называют AC brushless motor в отличие от DC brushless motor, обмотки статора которого выполняются с насыщением. Такое насыщение в DC brushless motor предназначено для снижения пульсаций тока (и соответственно момента) при применении трапецеидальной коммутации.

Но иногда термин DC brushless motor используют для двигателей с питанием через инвертор от сети постоянного тока, что не совсем корректно.

Обычно количество пар полюсов, определяемое количеством пар магнитов ротора и определяющее соотношение механического и электрического оборотов, равно 4…8. Статор может быть выполнен с железным (iron core) или безжелезным (ironless) сердечником. Конструкция статора с безжелезным сердечником обеспечивает отсутствие силы притяжения магнитов ротора и железа статорной обмотки (magnetic attraction) и зубцового эффекта (cogging), но снижает незначительно (на 10…20%) эффективность двигателя изза меньших значений постоянной момента.

Одно из самых очевидных преимуществ ротора с постоянными магнитами состоит в уменьшении диаметра ротора и, как следствие, в уменьшении момента инерции ротора. Технологически магниты могут быть встроены в ротор или расположены на его поверхности. Но пониженный момент инерции зачастую приводит к малым значениям соотношения момента инерции двигателя и приведенного к его валу момента инерции нагрузки (mismatch ratio), усложняющему настройку привода. Поэтому ряд производителей предлагает наряду со стандартным и повышенный – в 2…4 раза – момент инерции ротора.

2. Датчики положения и дополнительные устройства

В качестве датчика положения, необходимого для коммутации вентильного двигателя, могут быть использованы датчики Холла (цифровые или аналоговые), энкодер (цифровой, аналоговый или абсолютный) или резольвер.

Цифровые датчики Холла используются для наиболее распространенной – трапецеидальной коммутации вентильного двигателя. Цифровые датчики Холла могут быть выполнены также и на оптической шкале энкодера.Аналоговые датчики Холла используются для синусоидальной коммутации вентильного двигателя.

Энкодер имеет три дифференциальных канала – два канала А, В прямоугольных импульсов, сдвинутых на 90 электрических градусов, и нулевой импульс I (индекс). Резольвер представляет собой вращающийся трансформатор с обмоткой возбуждения и двумя выходными обмотками со сдвигом 90 электрических градусов.

Аналоговый энкодер имеет аналоговые sin/cos (1В между пиками peaktopeak) дифференциальные выходы.

Внешний интерполятор позволяет повысить исходное разрешение с коэффициентом умножения до 4096 .Абсолютный энкодер передает информацию по положению по синхронному последовательному интерфейсу (SSI или BiSS), протокол которого задается производителем энкодера. Одними из наиболее популярных протоколов являются Heidenhain EnDat, Tamagawa Smart Abs и Stegman Hiperface протоколы.

Кроме датчика положения дополнительно могут быть встроены: тахогенератор, термодатчик, тормоз или редуктор.

Тахогенератор применяется в случае использования вентильного двигателя в режиме регулирования/стабилизации скорости с высокой точностью.

Термодатчик для защиты обмоток от перегрева представляет собой несколько последовательно соединенных позисторов, т.е. терморезисторов с положительным температурным коэффициентом (positive temperature coefficient РТС).

3. Способы коммутации с применением датчика положения ротора

Способы коммутации вентильного двигателя различаются по типу датчика положения ротора и особенностям регулирования тока в фазах обмоток статора.

3.1. Трапецеидальная или шестишаговая (sixstep) коммутация вентильного двигателя осуществляется по цифровым датчикам Холла. Для 3х датчиков Холла, являющихся «грубым» датчиком положения ротора, возможных состояний на полный электрический оборот будет шесть, каждое из которых соответствует 60 электрическим градусам. При каждом постоянном состоянии датчиков Холла подключаются только две обмотки двигателя, а третья отключена от источника напряжения. Постоянство вектора тока в пределах ±30 электрических градусов от оптимального (создающего максимальный момент) приводит к 17% пульсациям тока.

Преимущества:

  • готовность к работе при включении питания;
  • дешевый усилитель тока;
  • управление током (моментом) аналоговым сигналом ±10В.

Недостатки:

  • пульсации тока;
  • средние показатели быстродействия при позиционировании и равномерности при сканировании.

Область применения: регулирование скорости при невысоких требованиях к эффективности и равномерности перемещения на низких скоростях.

3.2. Синусоидальная коммутация лишена недостатков трапецеидальной коммутации за счет непрерывной и плавной коммутации вектора тока. Это достигается благодаря более высокому разрешению датчика положения ротора (обычно инкрементального энкодера) по сравнению с цифровыми датчиками Холла, имеющими разрешение только 60 электрических градусов. Для стандартного двигателя с соединением фаз в «звезду» достаточно контролировать ток в двух обмотках с помощью двух регуляторов на базе ПИрегуляторов. Такой способ коммутации очень эффективен на малых и средних скоростях, но имеет ошибки на высоких скоростях. В этом случае изза ограниченного усиления ПИрегулятора при заданном напряжении постоянного напряжения (DC bus) мах скорость ограничена. Несколько повысить скорость позволяет метод сдвиг фазы (phase advance).

Преимущества:

  • минимальные пульсации тока;
  • высокие показатели быстродействия при позиционировании и равномерности при сканировании.

Недостатки:

ограничение мах скорости при заданном напряжении постоянного напряжения;

управление током (моментом/силой) при помощи двух аналоговых сигналов ±10В.

Область применения: прецизионные механизмы.

3.3. Непосредственно векторный контроль тока в координатах DQ использует преобразования между статическими DQ и вращающими UVW координатами вектора тока, известными как преобразования ПаркаКларка. В отличие от синусоидальной такой способ коммутации предполагает работу ПИрегулятора с напряжениями постоянного тока, а не синусоидальными напряжениями. Это и обеспечивает качество управления током, независимое от скорости вращения двигателя.

Векторный контроль предполагает регулирование квадратичной (D) и прямой (Q) составляющих тока. Т.к. только прямая (Q) составляющая тока, перпендикулярная к полю ротора, создает момент двигателя, то задание тока подается на вход прямой (Q) составляющей тока. На вход квадратичной (D) составляющей тока подается «0» сигнал.

Преобразования между статическими DQ и вращающими UVW координатами вектора тока производятся с учетом токов фаз и положения ротора.

Векторный контроль при наличии преимуществ синусоидальной коммутации позволяет расширить диапазон скоростей вентильного двигателя за счет более полного использования напряжения постоянного тока.

Следует отметить, что для синусоидальной или векторной коммутации тока при использовании инкрементального (относительного) датчика положения ротора необходимо первоначально (т.е. при каждом включении питания) сфазировать положение ротора относительно фаз статора. Алгоритм такой начальной фазировки обычно является «встроенным».

Трапецеидальная коммутация вентильного двигателя не требует начальной фазировки благодаря использованию датчиков Холла, являющихся абсолютными датчиками положения ротора. Поэтому их иногда применяют вместе с инкрементальным датчиком положения для реализации синусоидальной или векторной коммутации тока без необходимости производить начальную фазировку. Такая конфигурация рекомендуется для механизмов, где реализация процедуры начальной фазировки затруднена, например, механизмов вертикального перемещения.

Читать еще:  Электрический топливный насос низкого давления для дизельных двигателей

4. Интегрированное исполнение вентильных двигателей

Одной из основных перспективных тенденций в развитии современных вентильных двигателей является тяготение производителя к интеграции в единый корпус с двигателем управляющей электроники. Такое решение позволяет предлагать не разрозненный набор комплектующих приводной системы, а законченный привод в сборе. Таким образом решаются возможные проблемы совместимости различных компонент привода, а также проблема различных интерфейсов компонент приводной системы.

Рис. 2 Векторный контроль тока вентильного двигателя

Примером интегрированного привода является серия двигателей BG, предлагаемая компанией Dunkermotoren (рис. 3).

В рамках данной серии двигателей производитель предоставляет возможность заказать одну и ту же модель в различных исполнениях:

  • без интегрированной управляющей электроники,
  • с интегрированной коммутирующей электроникой (2wire),
  • с интегрированным контроллером скорости,
  • с интегрированным контроллером движения,
  • с интегрированным контроллером движения с сетевыми интерфейсами (CAN, PROFINET).

5. Преимущества использования вентильных двигателей

При разработке нового изделия разработчик часто сталкивается с проблемой выбора двигателя для решения конкретной задачи движения. Когда речь идет о построении привода средней либо малой мощности, как правило, выбор сводится к сборкам на базе коллекторных, вентильных, а также шаговых двигателей.

Рис. 3 Двигатели Dunkermotoren серии BG

К несомненным достоинствам вентильных двигателей следует отнести:

Высокий запасаемый момент:

  • Идеальное решение при высоких пиковых нагрузках
  • Хорошее ускорение при изменяющихся нагрузках

Высокий диапазон скоростей

Высокую равномерность движения

Высокую точность позиционирования благодаря возможности использования энкодеров и других датчиков обратной связи по скорости/положению.

Двигатели для специальных применений: в среде высокого вакуума, автоклавируемые, погружные с высоким классом IP защиты.

М. Сонных, Л. Ганнель
Статья опубликована в журнале «РИТМ» №10, 2010

Вентильный двигатель: устройство и принцип работы. Синхронный и асинхронный двигатель

Перевод электродвигателей с коллекторного узла управления на полупроводниковые устройства контроля позволил оптимизировать силовые агрегаты. Модернизация затронула и мощностные параметры, и конструкционные характеристики. Наиболее выраженным отличием стало уменьшение габаритов, что позволило использовать такие агрегаты в небольших по размерам приборах и установках. Типичным примером реализации бесколлекторного привода является вентильный двигатель, работающий в условиях постоянного тока. Он обеспечивает существенные технико-экономические преимущества в процессе эксплуатации, но не избавлен и от недостатков.

Конструкция и устройство двигателя

Техническая инфраструктура формируется двумя сегментами – непосредственно механикой и управляющим комплексом. С точки зрения конструкционного устройства агрегат во многом похож на традиционное наполнение электромеханических роторных двигателей. Соответственно, в состав электромотора входят ротор, статор и обмотка. Причем статор представляет собой набор из отдельных изолированных листов, выполненных из стального сплава. В процессе работы они способствуют понижению вихревых токов. В нем как раз и находится обмотка, которая может иметь разное количество фаз. Начинка элемента образована стальным сердечником, а обмотка представляет собой медные волокна. Для защиты применяется корпус, на поверхности которого также предусматриваются средства физического крепления.

Что касается ротора, то он сформирован постоянными магнитами. В зависимости от модификации, он может иметь до шестнадцати пар чередующихся полюсов. Прежде для изготовления роторов применялись ферритовые магниты, что было обусловлено их ценовой доступностью. Сегодня же на первый план выходят эксплуатационные характеристики вентильного двигателя – в частности крутящий момент, который варьируется от 1 до 70 Нм. Пропускная же частота в среднем находится в пределах 2-4 тыс. оборотов. Для достижения таких показателей требуется магнит с высокой степенью индукции, поэтому производители перешли на использование редкоземельных сплавов. Такие магниты не просто дают более высокую производительность, но и обладают меньшими размерами. Отчасти и этот переход способствовал оптимизации габаритов вентильного электродвигателя. Отдельно стоит рассмотреть компоненты управляющего сегмента.

Система управления

Если электромеханическая часть состоит преимущественно из трех компонентов, в числе которых ротор, статор и несущая конструкция в виде корпуса, то управляющая инфраструктура более сегментирована – количество элементов может достигать нескольких десятков. Другое дело, что их можно поделить на виды. В единственном числе будет представлен только инвертор. Он отвечает за функции коммутации, осуществляя подключение и переключение фаз. Основные же задачи контроля с подачей сигналов выполняют датчики. Главным из них является детектор положения ротора. Кроме этого, в состав управляющего блока вводится и система регуляции сигналов. Это узел с ключами, посредством которого реализуется связь датчиков и электромеханической начинки.

Информацию о позиции ротора обрабатывает микропроцессор. Внешне интерфейс этого блока представляет собой панель управления. На приеме она работает с сигналами широтно-импульсной модуляции (ШИМ-сигнал). Если предусматривается подача низковольтных сигналов, то в управляющем блоке устанавливается и транзисторный мост. Он преобразует сигнал в силовое напряжение, которое в дальнейшем подается на электродвигатель. Наличие датчиков с системой обработки импульсов как раз и отличает управление вентильным двигателем от средств контроля щеточно-коллекторных агрегатов. Другое дело, что возможность внедрения электронной аппаратуры с датчиками допускается и в коллекторных машинах наряду с механическими системами управления.

Принцип работы

Вентильный электродвигатель в процессе работы создает индукцию магнитных полюсов через ротор. На фоне генерации электромагнитного воздействия формируется сопротивление. Иными словами, активизируется функция ротора, после чего он передает крутящий момент целевому агрегату. В условиях переменной скорости магнетизм может быть оптимизирован для более производительной работы с реверсом. Опять же, датчик положения ротора сообщает данные для регуляции в соответствии с фазами напряжения. Гибкость и оперативность настройки параметров ротора и количества фаз позволяет эффективнее регулировать работу механизма. Весь цикл демонстрирует процесс преобразования электроэнергии в физическую мощь (механическая энергия), которую вырабатывает генератор. Причем если резко отсоединить агрегат от сети, то преобразуемая в данный момент энергия будет возвращена статору.

Важным условием поддержания достаточной производительности является стабильность двигателя. Критерием оценки этой характеристики будет его плавность, достигаемая понижением пульсаций. Для этого нужно знать вектор вращения потока статора, чтобы он был синхронен с функцией ротора. Координация разных потоков вращения как раз и достигается взаимодействием датчиков и коммутатора, которым управляются вентильные двигатели. Принцип работы этой связки позволяет с высокой точностью определять, к какой фазе нужно подключать ротор, определяя также оси. В нужной последовательности панель управления через микропроцессор попеременно подключает и отключает разные фазы.

Особенности синхронных моделей

Вышеописанный принцип работы как раз иллюстрирует работу синхронного двигателя. То есть в нем реализуется взаимодействие полюсов индуктора и статорного магнитного поля. Но и в таких системах могут быть свои различия. Например, и синхронный, и асинхронный двигатель могут оснащаться электромагнитами. В случае с синхронными агрегатами такого типа ток будет направляться на ротор, минуя контакт щетка-кольцо. Постоянные же магниты применяются в двигателях, базирующихся на жестких дисках. Также существуют и обращенные конструкции. В них якорные потоки находятся на роторе, а индукция – на статоре.

Для включения синхронного двигателя требуется высокий разгон по частоте, чтобы появилась возможность подстройки вращения двух функциональных компонентов. В конструкциях, где индуктор находится на статоре, поле ротора остается неподвижным относительно якоря. И напротив, если устройство предполагает обратную конструкцию, то «ввод в синхронизацию» будет осуществляться через ожидание статора. Момент ожидания зависит от того, с какой нагрузкой работает вентильный двигатель, и какая частота является оптимальной для активизации его индуктора.

Особенности асинхронных агрегатов

В асинхронных двигателях ротор не вращается в противоположном направлении. Его нельзя назвать обратным синхронному агрегату с точки зрения взаимодействия магнитных потоков ротора и статора. И синхронный, и асинхронный двигатель предполагают следование одного поля за другим. Другое дело, что во втором случае ротор, к примеру, может быть «догоняющим». Он следует за генерацией индукционного момента.

В стандартной конструкции статор генерирует электромагнитное поле, заставляя через определенное время вращаться и ротор. Принципиальным отличием между двумя типами двигателей является и то, что индуктор не является генератором возбуждения магнитного поля ротора. Поэтому вентильный электродвигатель асинхронного типа может автономно заставлять вращаться ротор с определенной частотой от обмотки статора. Это вовсе не значит, что два механизма работают отдельно, но их функции не так тесно взаимосвязаны, как в случае с синхронными двигателями. Это же касается и скорости. Например, если в синхронном агрегате будет частота вращения на 3000 об./мин для индуктора и ротора, то асинхронный принцип работы для того же ротора может снизить эту величину до 2910 об./мин.

Вентильно-индукторный двигатель

Можно сказать, что все вентильные электромоторы являются индукторными. В той или иной степени принцип индукции закладывается в синхронный и асинхронный агрегаты. Но есть также модели, в которых индукция способствует самонамагничиванию. Иначе эту машину можно назвать самовозбуждающейся. В традиционном исполнении вентильно-индукторный двигатель этого типа имеет простую конструкцию, питается от однополярных импульсов тока и работает с теми же датчиками ротора. Однако из-за нюансов энергоснабжения его нельзя подключать напрямую к сети. В итоге требуется введение в инфраструктуру специальных преобразователей.

Читать еще:  Ваз 2109 не заводится нагретый двигатель

С другой стороны, в данной конструкции присутствуют практически все достоинства синхронных агрегатов. Самым явным из них является широкий спектр частот вращения. Например, вентильно-реактивный двигатель с возможностью самовозбуждения способен выдавать порядка 100 тыс. оборотов. Это уже быстроходные электродвигатели, для которых используются комплектующие высокой степени прочности.

Разновидности агрегатов по количеству фаз

Простейшее исполнение такого электродвигателя – это однофазные агрегаты, которые предусматривают минимальное количество контактов между электронной аппаратурой и механикой. Соответственно, отсюда вытекают и слабые места конструкции, среди которых ограничения в положении ротора и сильные пульсации. Двухфазные модели способны формировать воздушный зазор, а также при определенных условиях обеспечивать асимметрию полюсов. Опять же, такие машины грешат высокой степенью пульсации, однако их можно использовать в тех случаях, когда связка статора с обмоткой является обязательным условием. Трехфазный вентильный двигатель характеризуется сочетанием невысокой скорости, но хорошей силовой отдачей. Поэтому его чаще используют как в сборке бытовых приборов, так и в изготовлении промышленной техники. Также существуют четырех- и шестифазные модели вентильных электромоторов, но это уже сегменты специализированных установок, которые дорого стоят и обладают крупными габаритами.

Преимущества электродвигателей

Благодаря конструкционной оптимизации вентильная силовая техника обеспечивает множество эксплуатационных преимуществ. В их числе стоит отметить быстродействие, гибкость в настройке, точность определения позиции ротора (с помощью датчика), широкие возможности технической подстройки и т.д. При скромных энергозатратах можно получить высокую силовую отдачу. Что еще важно, вентильный электродвигатель задействует небольшой ресурс механического действия, а это благоприятно сказывается и на его сроке эксплуатации. Низкий уровень термического воздействия на элементную базу обуславливает отсутствие перегревов, поэтому детали лишь в редких случаях требуют замены по причине износа.

Недостатки электродвигателя

Специалисты отмечают два основных минуса таких электродвигателей. В первую очередь это сложность конструкции. Не механической части, а именно электронной основы, которая обеспечивает управление мотором. Применение микропроцессоров, датчиков, инверторов и сопутствующей электротехнической фурнитуры требует соответствующего подхода к обеспечению надежности работы компонентов системы. Таким образом, повышается и стоимость обслуживания техники. Вместе с этим, отмечается и дороговизна магнитов, на которых базируется вентильный двигатель даже в простых однофазных исполнениях. На практике пользователи стараются заменять недешевые элементы и расходники, вместе с этим упрощая и систему управления. Но такие меры сами по себе требуют определенных ресурсов, не говоря о том, что снижается эффективность двигателя.

Заключение

Концепция использования электроники в составе традиционных роторных двигателей не всегда оправдывается в процессе эксплуатации. Связано это со сферами применения такого оснащения. Чаще всего это традиционные области производства, где совсем не обязательно подключение электронных систем управления. Инновационная начинка заставляет пересматривать производственные циклы, точечно модернизируя технологические процессы. К тому же стоимость двигателя, которая варьируется от 15 до 20 тыс. руб., не добавляет привлекательности этой продукции. Обычные аналоги на контроллерах с электромеханическими реле обходятся дешевле, не говоря о том, что их легче интегрировать в процессе сборки продукции.

И все же появляются направления, в которых высоко ценится именно полупроводниковое управление с датчиками роторов. Как правило, это высокотехнологичное оборудование, выпуском которого занимаются крупные компании. Причем на выходе они предоставляют продукцию разного уровня, в том числе и для бытового применения.

Реактивные индукторные двигатели

Рис. 5.1. Конструкция РИД.

Общая характеристика

Рис. 5.2. Поперечный разрез РИД. А, В, С — зубцы соответствующих фаз статора.

Реактивные индукторные двигатели (РИД, в международной классификации SRM — switched reluctant motors, принудительно переключаемые моторы) появились сравнительно недавно и сегодня получают все большее распространение. Такие двигатели имеют очень простую конструкцию (рис. 5.1, 5.2), вследствие чего они получаются дешевыми в производстве, а также надежными и требующими минимального обслуживания в эксплуатации. РИД можно назвать наиболее

универсальными, современными и перспективными электродвигателями.

РИД питаются от источника постоянного напряжения, чаще всего от выпрямителя, подключенного к промышленной сети или бортовой сети мощного транспортного средства (корабля, тепловоза, карьерного самосвала). Для управления током обмоток двигателя используют инверторы — схемы на основе транзисторов IGBT (реже — на основе выключаемых тиристоров).

То, что для работы РИД необходим довольно сложный и дорогой инвертор (как правило, с микропроцессорным управлением), является недостатком двигателя. Однако, это определяет и его преимущества — возможность очень гибкого управления, обеспечивающего регулировку момента и скорости в любых режимах работы, а также очень высокий к.п.д. (больше 90%). РИД не имеют подвижных контактов и свободны от связанных с ними проблем (искрения, износа и необходимости частого обслуживания). РИД могут работать и в генераторном режиме.

К недостаткам РИД можно отнести еще то, что его обмотки потребляют ток в импульсном режиме, и приходится принимать специальные меры, чтобы мощные импульсы тока не проникали в питающую сеть.

Устройство

РИД устроен в принципе так же, как шаговый двигатель (рис. 5.1, 5.2). Он имеет статор, набранный из отдельных фигурных колец электротехнической стали. Внутри сердечник статора имеет зубцы, на которые надеты обмотки из изолированного медного провода. Соответствующие обмотки статора соединяются между собой, образуя фазы двигателя. РИД обычно имеют не меньше 3 фаз, однако они бывают и с меньшим числом фаз.

Ротор представляет собой зубчатый цилиндр, набранный из пластин электротехнической стали. Сердечники статора и ротора набираются из отдельных пластин с целью подавления вихревых токов.

Подключение обмоток РИД и устройство инвертора показано на рис. 5.3. Катушка L1, и конденсатор С1 образуют фильтр, который обменивается энергией с фазами двигателя и препятствует проникновению импульсов тока РИД в сеть. Этот фильтр также подавляет пульсации напряжения выпрямителя. Катушки La, Lb, Lc — это фазы РИД.

Рис. 5.3. Подключение обмоток РИД. Устройство инвертора. Цепи управления транзисторов не показаны.

Принцип действия

Вначале рассмотрим инвертор. Попарное открытие транзисторов VT1 и VT2, VT3 и VT4, VT5 и VT6 подключает питание к фазам двигателя (восходящие части кривых на рис. 5.4, 5.5). Если закрывается один транзистор фазы двигателя, то эта фаза закорачивается и пропускает свой остаточный ток через соответствующий диод (спадающие части кривых в верхней части рис. 5.5). Например, если закрывается VT1, то ток катушки La течет через VT2 и VD1. Если оба транзистора фазы закрываются, то катушки фазы отдают энергию конденсатору, питая его через оба диода своей фазы (спадающие до нуля части кривых на рис. 5.4, 5.5).

Принцип действия РИД похож на принцип действия шагового двигателя. Когда в обмотке какой-либо фазы течет ток, зубцы ротора притягиваются к зубцам этой фазы. После того как зубцы ротора окажутся напротив зубцов этой фазы, ток в ней отключается, и в это же время включается ток в обмотке другой фазы, зубцы которой в свою очередь начинают притягивать к себе зубцы ротора. Реально токи фаз включаются с перекрытием, так что в то время как одна фаза еще не полностью отработала, уже включается фаза, следующая ей на смену (рис. 5.4, 5.5). Благодаря этому пульсации момента двигателя получаются небольшими.

На рис. 5.2 изображен момент, когда фаза А полностью отработала, и на смену ей включается фаза В. Это примерно соответствует t = 0,069 с на рис. 5.3 и t = 0,074 с на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Токи фаз РИД в однопульсном режиме (400 об/мин).

На больших скоростях ток фазы не успевает нарасти до недопустимо больших значений за одно включение, поэтому в течение рабочего цикла фаза двигателя включается и отключается один раз. Такой режим называется однопульсным (рис. 5.4). На малых скоростях рост тока фазы приходится ограничивать периодическим отключением, поэтому он изменяется в пределах так называемого токового коридора. Такой режим называется режимом ограничения тока (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Токи фаз РИД в режиме токового коридора (200 об/мин).

Замечание. Отличие РИД от шагового двигателя состоит в том, что шаговый двигатель, как правило, останавливается после каждого переключения токов в обмотках, поворачиваясь на угол, определенный конструкцией двигателя, а РИД вращается непрерывно и плавно. Шаговые двигатели обычно сделаны так, чтобы обеспечивать малые углы поворота, а также быстрый старт, а затем резкую остановку после поворота на заданный угол. Шаговые двигатели обычно бывают небольшими, в то время как РИД могут быть и очень маленькими, и очень большими.

1. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника: Учебное пособие для вузов. — 4-е издание, переработанное. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 440 с.

2. Борисов Ю.М. и др. Электротехника / Ю.М. Борисов, Д.Н. Липатов, Ю.Н. Зорин. Учебник для вузов. — 2-е издание, переработанное и дополненное. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 552 с.

3. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины: учебник для вузов. — М.: Госэнергоиздат, 1956. — 459 с.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector