Шестифазный вентильно-индукторный двигатель с концентрическими обмотками, управляемый трехфазным током синусоидальной формы

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в электроприводах различных механизмов и исполнительных устройствах автоматических систем. Технический результат заключается в уменьшении числа выводов двигателя, уменьшении массогабаритных показателей инвертора. В предлагаемом изобретении это достигается за счет соотношений угловых размеров полюсов ротора и статора и специальных обмоток. Шестифазный вентильно-индукторный двигатель содержит явнополюсный симметричный статор, имеющий 24 сосредоточенных полюса с обмотками, и ротор, имеющий 20 полюсов без обмоток. Угловая ширина полюсов статора равна 6 градусам. Угловая ширина межполюсного расстояния статора равна 9 градусов. Угловая ширина полюсов ротора равна угловой ширине межполюсного расстояния ротора и равна 9 градусам. Статор двигателя оснащен концентрическими трехфазными обмотками, соединенными в «звезду» или в «треугольник». Обмотки каждой из трех фаз охватывают одновременно три полюса и один полюс статора, расположенный в середине трех полюсов. Число витков, охватывающих три полюса статора, относится к числу витков, охватывающих один полюс статора, примерно как 1/0,73. 6 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в электроприводах различных механизмов и исполнительных устройствах автоматических систем.

Известны многофазные вентильно-индукториые двигатели с прямыми полюсами ротора и статора и сосредоточенными обмотками, расположенными на полюсах статора [Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - М., Издательство МЭИ, 2003., С.62].

Основным недостатком этих вентильно-индукторных двигателей является то, что при коммутации фаз токи фаз протекают только в одном направлении, поэтому для коммутации тока каждой фазы необходимо применение полумостовых схем [Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - М., Издательство МЭИ, 2003., С.10, 15, 17]. Применение полумостовых схем для коммутации токов фаз увеличивает суммарную мощность полупроводниковых приборов инвертора примерно в два раза по сравнению с традиционными мостовыми схемами, широко используемыми для управления трехфазными асинхронными и вентильными двигателями [Питание машин с регулируемой реактивностью. G. Glaize. Н. Foch. L'alimentation des machines a'reluctance variable. Machines a'Reluctance Variable, 30 septembre 1985, Франция].

Вторым недостатком этого технического решения является то, что силовые транзисторные модули, которые применяются для инверторов на полумостовых схемах, имеют более высокую цену по сравнению с силовыми транзисторными модулями, применяемыми в традиционных мостовых схемах инверторов, за счет большего на один числа выводов. Кроме того, для реализации инверторов на полумостовых схемах необходимы два типа модулей (модуль, в котором коллектор транзистора соединен с анодом диода, и модуль, в котором коллектор транзистора соединен с катодом диода), что увеличивает номенклатуру комплектующих изделий.

Третьим недостатком этих вентильно-индукторных двигателей, по сравнению с трехфазными асинхронными и вентильными двигателями, имеющими три вывода, является большое число выводов (так у трехфазного вентильно-индукторного двигателя число выводов - шесть, у четырехфазного - восемь, у шестифазного - двенадцать).

Четвертым недостатком этого технического решения является то, что при монтаже инверторов на полумостовых схемах для вентильно-индукторных двигателей увеличиваются затраты на монтажные работы по сравнению с затратами на монтаж трехфазных мостовых инверторов, применяемых для управления трехфазными асинхронными и вентильными двигателями.

Пятым недостатком этого технического решения является то, что каждый полюс статора этих двигателей оснащен сосредоточенной обмоткой, занимающей половину паза. В результате чего полный ток каждого полюса определяется числом витков, допустимой плотностью тока, коэффициентом заполнения и площадью паза. В двигателях с распределенными обмотками полный ток полюса определяется в том числе и числом обмоток, охватывающих данный полюс, что позволяет уменьшить площадь пазов и габариты двигателя или увеличить сечение проводников обмоток при том же полном токе полюсов статора и уменьшить омические потери.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является низкооборотный высокомоментный вентильный индукторный реактивный двигатель для автоматизированных электроприводов, содержащий статор с числом полюсов, кратным шести, и ротор с числом полюсов, меньшим числа полюсов статора на величину этой кратности (например, $$\frac{Z_1}{Z_2}=\frac{12}{10},\frac{24}{20},\frac{48}{40}\dots \dots$$ и так далее, где Z₁ - число полюсов статора; Z₂ - число полюсов ротора), фазные обмотки которого соединены в треугольник, питающийся от трехфазного мостового инвертора через включенные в каждую обмотку по одному диоды и управляемый трехфазным прямоугольным линейным напряжением различной полярности, причем периоды прямоугольных линейных напряжений составляют 120 электрических градусов, периоды, когда напряжения равны нулю, составляют 60 электрических градусов и при трехфазном прямоугольном линейном напряжении различной полярности сдвинуты относительно друг друга на 120 электрических градусов [Плах Г.К., Лозитский О.Е., Луговец В.А., Протасов Д.А., Мустафаев P.P. Низкооборотный высокомоментный вентильный индукторный реактивный двигатель для автоматизированных электроприводов./ Пятая международная (четырнадцатая всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу. АЭП-2007, Санкт-Петербург, 18-21 сентября 2007].

Недостатком этого технического решения является необходимость применения наряду с мостовым инвертором шести дополнительных силовых диодов, что увеличивает цену инвертора, уменьшает коэффициент полезного действия за счет потерь в шести дополнительных силовых диодах и приводит к необходимости увеличения габаритных размеров инвертора за счет увеличения числа силовых элементов и площади радиатора охлаждения.

Целями предлагаемого изобретения является уменьшение числа выводов вентильно-индукторного двигателя, уменьшение массогабаритных показателей инвертора, увеличение коэффициента полезного действия вентильно-индукторного двигателя и инвертора и упрощение инвертора.

Поставленные цели достигаются тем, что в известных шестифазных вентильно-индукторных двигателях, содержащих явнополюсные симметричные статор и ротор, со статором, имеющим 24 сосредоточенных полюса с обмотками, и ротором, имеющим 20 полюсов без обмоток, угловая ширина полюсов статора равна 6 градусам, угловая ширина межполюсного расстояния статора равна 9 градусам, угловая ширина полюсов ротора равна угловой ширине межполюсного расстояния ротора и равна 9 градусам, причем обмотки одной фазы охватывают одновременно три полюса и один полюс статора, расположенный в середине трех полюсов, охваченных одной обмоткой. Суммарный полный ток этих двух обмоток равен 1,73 в относительных единицах за счет того, что число витков обмоток, охватывающих три полюса, относится к числу витков обмоток, охватывающих один полюс, как 1/0,73. Четные полюса статора охвачены обмотками разных фаз, токи в которых сдвинуты на 30 электрических градусов за счет сдвига токов фаз на 120 электрических градусов и за счет чередующегося изменения начала и конца обмоток, дающего дополнительный сдвиг фаз 180 электрических градусов. При этом полный ток нечетных полюсов становится равным IAB_max=IA_maxsin120°-IB_maxsin60°=1,73Iф_max, где IAB_max - максимальное значение полных токов нечетных полюсов; IA_max - максимальное значение тока фазы А; IB_max - максимальное значение тока фазы В; Iф_max - максимальное значение фазных токов. То есть максимальные полные токи обмоток четных и нечетных полюсов равны, сдвинуты по фазе на 30 электрических градусов и представляют собой шестифазную систему полных токов. Обмотки фаз могут быть соединены в «звезду» или в «треугольник» и имеют три вывода. При вращении ротора индуктивность каждого полюса не изменяется при изменении положения ротора на три градуса при максимальном и минимальном значении индуктивности полюса, в этих случаях производная индуктивности по углу поворота ротора равна нулю. Поэтому $$M=\frac{i^2}{2}\frac{dL}{d\theta }$$ , где М - момент, развиваемый полным током полюсов статора; i² - квадрат текущих значении полных токов полюсов статора; $$\frac{dL}{d\theta }$$ - производная индуктивности полюсов статора по углу поворота ротора в электрических градусах. В других случаях момент каждого полюса может принимать отрицательные и положительные значения. Однако если максимальные и минимальные значения полных токов полюсов приходятся на максимальные значения производной индуктивности полюсов по углу поворота ротора, то средний вращающий момент двигателя превышает средний тормозной момент в $$\frac{1,875}{0,125}=15$$ раз.

По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемое устройство имеет следующие новые признаки:

1) шестифазный вентильно-индукторный двигатель, содержащий явнополюсный симметричный статор и ротор, со статором, имеющим 24 сосредоточенных полюса с обмотками, и ротором, имеющим 20 полюсов без обмоток, с угловой шириной полюсов статора, равной 6 градусам, угловой шириной межполюсного расстояния статора, равной 9 градусов, угловой шириной полюсов ротора, равной угловой ширине межполюсного расстояния ротора и равной 9 градусам;

2) обмотки каждой из трех фаз охватывают одновременно три полюса и один полюс статора, расположенный в середине трех полюсов, причем число витков обмоток, охватывающих три полюса статора, относится к числу витков, охватывающих один полюс статора, примерно как 1/0,73;

3) фазы двигателя питаются трехфазным током, имеющим сдвиг фаз 120 электрических градусов, который формируется при помощи стандартного трехфазного мостового инвертора и управляется с помощью частотно токового способа управления;

4) число выводов двигателя при соединении в «звезду» и в «треугольник» равно трем.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствует требованию «новизна».

При реализации предлагаемого изобретения уменьшается число выводов двигателя, упрощается монтаж силового инвертора, уменьшается число и цена полупроводниковых приборов инвертора и увеличивается коэффициент полезного действия двигателя и инвертора.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».

По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, электропривода и электродвигателей.

Шестифазных вентильно-индукторных двигателей, содержащих явнополюсные симметричные статор и ротор, со статором, имеющим 24 сосредоточенных полюсов с обмотками, и ротором, имеющим 20 полюсов без обмоток, с угловой шириной полюсов статора, равной 6 градусов, угловой шириной межполюсного расстояния статора, равной 9 градусам, угловой шириной полюсов ротора, равной угловой ширине межполюсного расстояния ротора и равной 9 градусам, обмотки каждой из трех фаз которого охватывают одновременно три полюса статора и один полюс статора, расположенный между тремя полюсами, причем число витков обмоток, охватывающих три полюса статора, относится к числу витков, охватывающих один полюс статора, примерно как 1/0,73, с числом выводов двигателя, при соединении в «звезду» и в «треугольник», равным трем, с фазами двигателя, питающимися трехфазным током, имеющим сдвиг фаз 120 электрических градусов, который формируется при помощи стандартного трехфазного мостового инвертора, который управляется с помощью частотно-токового способа управления, в известных технических решениях не обнаружено.

Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявленному техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».

Возможны варианты вентильно-индукторных двигателей с соотношением полюсов $$\frac{Z_1}{Z_2}=\frac{12}{10},\frac{24}{20},\frac{48}{40}\dots \dots$$ , или $$\frac{Z_1}{Z_2}=\frac{12}{14},\frac{24}{28},\frac{48}{56}\dots \dots$$

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 приведен шестифазный вентильно-индукторный двигатель с концентрическими обмотками, управляемый трехфазным током синусоидальной формы с 24 полюсами статора и 20 полюсами ротора. На фиг.1 обозначено: 1-24 - полюса статора; 1-20 - полюса ротора; iA, iB, iC - токи соответствующих фаз.

На фиг.2 приведены схемы обмоток шестифазыого вентильно-индукторного двигателя с концентрическими обмотками, управляемого трехфазным током синусоидальной формы с 24 полюсами статора и 20 полюсами ротора, управляемого трехфазным током синусоидальной формы. На фиг.2 обозначено: 1-24 - номера полюсов статора; нА, нВ, нС - начала обмоток соответствующих фаз; кА, кВ, кС - концы обмоток соответствующих фаз.

На фиг.3 приведены развертки поверхностей полюсов статора и ротора шестифазного вентильно-индукторного двигателя с концентрическими обмотками, управляемого трехфазным током синусоидальной формы с 20 полюсами ротора и 24 полюсами статора. На фиг.3 обозначено: 1-24 - номера полюсов статора, на которых размещены обмотки, в соответствии с фиг.2; 1-20 - номера полюсов ротора; 6° - угловая ширина полюсов статора; 9° - угловая ширина полюсов ротора и межполюсного расстояния ротора и статора.

На фиг.4 приведены диаграммы работы шестифазного вентильно-индукторного двигателя с концентрическими обмотками, управляемого трехфазным током синусоидальной формы. На фиг.4,а приведены диаграммы трехфазного тока. На фиг.4,а обозначено: iA, iB, iC - токи соответствующих фаз; -iA, -iB -iC - токи соответствующих фаз, сдвинутые на 180 электрических градусов; I_max - амплитудные значения токов; θ=0…360 - угол поворота ротора относительно статора в электрических градусах. На фиг.4,б приведены диаграммы полных токов полюсов статора. На фиг 4,в приведены диаграммы модуля и квадрата полного тока полюсов статора 2, 8, 12, 20. На фиг.4,в приведена таблица значений модуля и квадрата полного тока полюсов статора 2, 8, 12, 20 в относительных единицах.

На фиг.5 приведены диаграммы индуктивности, производной индуктивности и моментов шестифазного вентильно-индукторного двигателя с концентрическими обмотками, управляемого трехфазным током синусоидальной формы. На фиг.5,а приведены диаграммы индуктивностей, производных индуктивностей по углу поворота ротора и момента полюсов 2, 8, 14, 20 статора. На фиг.5,а обозначено: L 2, 8, 14, 20 - индуктивности соответствующих полюсов; $$\frac{dL2,8,14,20}{d\theta }$$ - производная индуктивности соответствующих полюсов по углу поворота ротора; М 2, 8, 14, 20 - момент соответствующих полюсов. На фиг.5,б приведены диаграммы моментов соответствующих полюсов статора и суммарный момент двигателя в относительных единицах.

На фиг.6 приведена структурная схема регулятора момента шестифазного вентильно-индукторного двигателя с 24 полюсами статора и 20 полюсами ротора, управляемого трехфазным током синусоидальной формы. На фиг.6 обозначено: R - резистор, задающий амплитуду и направление вращения вектора заданного тока; +U, -U - напряжения питания резистора, задающего амплитуду и направление вращения вектора заданного тока; I_з - заданный вектор тока; БИП - блок изменения полярности; -1 - коэффициент передачи блока изменения полярности; ПА, ПВ, ПС - переключатели полярностей тока задания соответствующих фаз; ЦАПА, ЦАПВ, ЦАПС - цифроаналоговые преобразователи соответствующих фаз; ПЗУА, ПЗУВ, ПЗУС - постоянные запоминающие устройства соответствующих фаз; ДП - датчик положения ротора вентильно-индукторного двигателя; БСА, БСВ, БСС, - блоки сравнения текущих значений заданных токов и токов обмоток соответствующих фаз; i_A, i_B, i_С - текущие значения токов обмоток соответствующих фаз; К1-К6 - компараторы с гистерезисом; Б1, Б2, Б3 - блоки с коэффициентом передачи, равным -1, изменяющие полярность выходного напряжения компараторов К2, К4, К6; VT1-VT6 - силовые транзисторы; VD1-VD6 - силовые диоды; ДТ1-ДТ3 - датчики тока; Е - источник постоянного напряжения; С - конденсатор источника постоянного напряжения; ВИД - вентильно-индукторный двигатель; А, В, С - фазы инвертора; БСОВ - блок сравнения текущих значений трехфазного заданного тока и тока обмоток.

Регулятор момента шестифазного вентильно-индукторного двигателя с 24 полюсами статора и 20 полюсами ротора, управляемого трехфазным током синусоидальной формы, работает следующим образом: резистором R задается амплитуда и полярность вектора тока I_з, БИЛ изменяет полярность I_з на противоположную. Сигналы различной полярности, пропорциональные I_з, подаются на входы переключателей соответствующих фаз ПА, ПВ, ПС, на управляющие входы которых подаются сигналы с выходов постоянных запоминающих устройств соответствующих фаз ПЗУА, ПЗУВ, ПЗУС, соединенных с датчиком положения ротора. Сигналы с ПА, ПВ, ПС и ПЗУА, ПЗУВ, ПЗУС подаются на входы цифроаналоговых преобразователей соответствующих фаз ЦАПА, ЦАПВ, ЦАПС, на выходах которых формируется трехфазное синусоидальное напряжение, амплитуда которого пропорциональна I_з, частота - пропорциональна частоте вращения ротора, при изменении полярности I_з, при помощи резистора R происходит сдвиг токов фаз на 180 электрических градусов. Заданные токи фаз сравниваются при помощи блоков сравнения текущих значений заданных токов и токов обмоток соответствующих фаз БСА, БСВ, БСС, причем сигналы, пропорциональные токам фаз, поступают с трех датчиков токов ДТ1-ДТ3, а сигналы, пропорциональные заданным токам, поступают с выходов трех цифроаналоговых преобразователей ЦАПА, ЦАПВ, ЦАПС, а их разность поступает на входы компараторов с гистерезисом К1-К6, которые совместно с блоками, имеющими коэффициент передачи, равный -1, - Б1, Б2, Б3 и трехфазным инвертором, выполненным на транзисторах VT1-VT6 и на диодах VD1-VD6, формируют трехфазные токи, имеющие синусоидальную форму и амплитуду, пропорциональную I_з.

Таким образом, использование в электроприводах различных механизмов и исполнительных устройствах автоматических систем шестифазных вентильно-индукторных двигателей, имеющих 24 полюса статора с обмотками и 20 полюсов ротора без обмоток, с угловой шириной полюсов статора, равной 6 градусам, угловой шириной межполюсного расстояния статора, равной 9 градусам, угловой шириной полюсов ротора, равной угловой ширине межполюсного расстояния ротора и равной 9 градусам, обмотки каждой из трех фаз которого охватывают одновременно три и один полюс статора, причем число витков обмоток, охватывающих три полюса статора, относится к числу витков, охватывающих один полюс статора, примерно как 1/073, а фазы двигателя питаются трехфазным током, имеющим сдвиг фаз 120 электрических градусов, который формируется при помощи стандартного трехфазного мостового инвертора, который управляется с помощью частотно-токового способа управления, позволяет уменьшить число выводов двигателя, увеличить коэффициент полезного действия двигателя и инвертора и управлять токами фаз при помощи стандартного трехфазного инвертора.

Использование предлагаемого технического решения в электроприводах различных механизмов и исполнительных устройствах обеспечит повышение эффективности и качества работы этих устройств.

Шестифазный вентильно-индукторный двигатель, содержащий явнополюсный симметричный статор и ротор, со статором, имеющим 24 сосредоточенных полюса с обмотками, и ротором, имеющим 20 полюсов без обмоток, с угловой шириной полюсов статора, равной 6 градусам, угловой шириной межполюсного расстояния статора, равной 9 градусов, угловой шириной полюсов ротора, равной угловой ширине межполюсного расстояния ротора и равной 9 градусам, отличающийся тем, что статор двигателя оснащен концентрическими трехфазными обмотками, соединенными в «звезду» или в «треугольник», обмотки каждой из трех фаз охватывают одновременно три полюса и один полюс статора, расположенный в середине трех полюсов, причем число витков, охватывающих три полюса статора, относится к числу витков, охватывающих один полюс статора, примерно как 1/0,73.