Электродвигатель с постоянными магнитами на роторе

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электродвигателям с постоянными магнитами на роторе с встроенными датчиками положения ротора. Изобретение может найти применение в различных приводах, например в прямом приводе перемещения дверей транспортных устройств, включая кабины лифтов, в электроусилителях руля, других автоматических системах управления. Технический результат заключается в повышении равномерности момента электродвигателя при повороте ротора за счет формирования сигналов задания фазных токов в виде гармонических функций без высших гармоник. Электродвигатель с постоянными магнитами на роторе (Фиг. 1) состоит из корпуса (1), в котором закреплен статор (2), на зубцах статора, выполненных из магнитомягкого материала (3), расположены сосредоточенные обмотки (4). На радиальной поверхности ротора (5) расположены магниты (6), соседние магниты имеют противоположенную полярность. На торцевой части статора установлены первый и второй датчики Холла (7, 8) линейного типа, со сдвигом между собой вдоль статора на угол (π/2) / Р, где Р - число пар полюсов (магнитов). Рабочая поверхность датчиков Холла обращена к торцевой поверхности ротора напротив торцов магнитов, сигналы с датчиков Холла при повороте ротора меняются по форме, близкой к синусоиде, но содержат дополнительно высшие гармоники, эти сигналы поступают на блок преобразования сигналов датчиков Холла (9), выход этого блока соединен со входом блока тригонометрических преобразований (10). На выходе (9) формируется цифровой сигнал, пропорциональный углу поворота ротора γ в пределах двойного полюсного деления, то есть имеет вид линейно изменяющегося пилообразного сигнала, в котором влияние высших гармоник на форму сигнала с датчиков Холла скомпенсировано. При полном повороте ротора на угол γ=2 × π сигнал повторяется Р раз, где Р - число пар полюсов, этот сигнал поступает на вход m тригонометрических преобразователей угла поворота ротора γ, преобразующих сигнал в тригонометрические функции, с учетом начального угла θ:

сигналы на выходе тригонометрических преобразователей задают форму фазным токам и подключены к блоку управления двигателя (11). 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к электродвигателям с постоянными магнитами на роторе с встроенными датчиками положения ротора. Данное изобретение может найти применение в различных приводах, например, в прямом приводе перемещения дверей транспортных устройств, включая кабины лифтов, в электроусилителях руля, других автоматических системах управления, требующих точной отработки траектории движения.

Известен синхронный управляемый электродвигатель с постоянными магнитами на роторе, положение ротора относительно статора, в котором определяется с помощью датчика положения ротора, установленного на одном валу с ротором электродвигателя, с помощью которого формируется многоразрядный сигнал угла поворота. Недостатком такого решения является наличие дополнительного устройства, которое увеличивает длину электродвигателя, его цена высока, требуется индивидуальная настройка каждого электродвигателя. /SU 788291 A1, H02K 29/00 H02K 24/00, Датчик положения ротора для вентильного электродвигателя, 1980-12-15/.

Известен электродвигатель, положение ротора которого определяется с помощью цифровых датчиков Холла, число которых равно числу фаз - m электродвигателя с постоянными магнитами на роторе, датчики расположены на статоре и формируют однополярные сигналы постоянной амплитуды, сдвинутые между собой на 360/m электрических градусов, недостатками такого датчика являются низкая точность определения положения ротора, большая дискретность и влияние тока якоря на магнитное поле, измеряемое датчиками Холла, что вносит погрешность в измерение положения ротора и снижает точность отработки заданной траектории движения. /Бут Д.А., Бесконтактные электрические машины, Москва, Высшая школа, 1990. - 416 с./

Наиболее близким аналогом - прототипом является электродвигатель с постоянными магнитами на роторе, содержащий корпус из немагнитного материала, в котором установлен статор из магнитомягкого материала с зубцами, на которых находятся катушки обмотки, концентрично со статором установленный ротор с постоянными магнитами числом 2Р со встроенными линейными датчиками Холла, сдвинутыми друг от друга на угол (π/2)/Р. С помощью сигналов с аналоговых датчиков Холла формируются фазные токи. Распределение магнитного потока по окружности вдоль поверхности ротора отличается от синусоидального, поэтому токи отличаются от синусоидальной формы, пульсации потока усиливаются под действием протекающих токов несинусоидальной формы, что вызывает дополнительные пульсации момента, это снижает точность работы электропривода. /Разработка и исследование систем электропривода с вентильными двигателями/В.И. Доманов, А.В. Доманов. - Ульяновск: УлГТУ, 2015. - 194 с./.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение равномерности момента электродвигателя при повороте ротора.

Технический результат достигается тем, что в известном электродвигателе с постоянными магнитами на роторе, содержащем корпус из немагнитного материала, в котором установлен статор из магнитомягкого материала с зубцами, на которых находятся катушки обмотки, концентрично со статором установленный ротор с постоянными магнитами числом 2Р со встроенными линейными датчиками Холла, сдвинутыми друг от друга на угол (π/2)/Р, в отличие от известного, линейные датчики Холла рабочей поверхностью обращены к торцам магнитов ротора и их выходы подключены к блоку преобразования сигналов датчиков Холла, выполненному в виде первого и второго компараторов, аналогово-цифрового преобразователя, демультиплексора и конверторов данных, причем выход одного датчика подключен к первому компаратору, выход другого подключен ко второму компаратору и аналого-цифровому преобразователю, выходы компараторов подключены к адресным входам демультиплексора, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к информационному входу демультиплексора, четыре выхода демультиплексора подключены каждый к одному из четырех конверторов данных - табулированных функций, выходы которых подключены к информационным входам мультиплексора, к адресным входам мультиплексора подключены выходы компараторов сигналов с датчиков Холла, выход мультиплексора, являясь выходом блока преобразования сигналов датчиков Холла, подключен ко входу блока тригонометрических преобразователей, который в свою очередь соединен со входами тригонометрических преобразователей входного сигнала, при этом число тригонометрических преобразователей равно числу фаз m электродвигателя с постоянными магнитами на роторе, а выходы тригонометрических преобразователей соединены с блоком управления двигателем.

Суть изобретения поясняется фиг.1, фиг.2, на которых приведены схемы электродвигателя с постоянными магнитами на роторе и блока преобразования сигналов датчиков Холла соответственно.

Электродвигатель с постоянными магнитами на роторе состоит из корпуса из немагнитного материала (1), в котором закреплен статор (2), на зубцах статора, выполненных из магнитомягкого материала (3), распложены сосредоточенные обмотки (4), на радиальной поверхности ротора (5) расположены магниты (6), соседние магниты имеют противоположенную полярность, на торцевой части статора установлены первый и второй датчики Холла (7, 8) линейного типа, их выходы подключены к блоку преобразования сигналов датчиков Холла (9), выход этого блока соединен со входом блока тригонометрических преобразований (10), который состоит из функциональных преобразователей угла поворота ротора у в тригонометрические функции, выходы этих преобразователей блока тригонометрических преобразователей подключены к блоку управления двигателя (11), при этом выходы первого и второго датчиков Холла внутри блока преобразования сигналов датчиков Холла (9) (рис. 2) соединены каждый со входом соответственно первого или второго компаратора (13, 14), а также выход второго датчика Холла 8 подключен ко входу аналогово-цифрового преобразователя АЦП (12), выходы компараторов соединены с адресными входами демультиплексора (15), в зависимости от комбинации сигналов с выходов компараторов (возможны четыре комбинации) демультиплексор подключает выход АЦП к одному из четырех конверторов данных - табулированных функций (17-20).

Поясним суть функционирования электродвигателя с постоянными магнитами на роторе.

Соседние магниты имеют противоположенную полярность, на торцевой части статора установлены первый и второй датчики Холла (7, 8) линейного типа, со сдвигом между собой вдоль статора на угол (π°/2) /Р, где Р - число пар полюсов (магнитов), рабочая поверхность датчиков Холла обращена к торцевой поверхности ротора напротив торцов магнитов, сигналы с датчиков Холла при повороте ротора меняются по форме, близкой к синусоиде, но содержат дополнительно высшие гармоники, эти сигналы поступают на блок преобразования сигналов датчиков Холла (9), выход этого блока соединен со входом блока тригонометрических преобразований (10), который состоит из функциональных преобразователей угла поворота ротора γ в тригонометрические функции, с учетом начального угла θ: всего их m, по числу фаз двигателя, причем функция с номером i имеет фазовый сдвиг относительно функции с первым номером 2 × π × (i- 1)/m электрических радиан, выходы этих преобразователей блока тригонометрических преобразователей подключены к блоку управления двигателя (11), при этом выходы первого и второго датчиков Холла внутри блока преобразования сигналов датчиков Холла (9) (рис. 2) соединены каждый со входом соответственно первого или второго компаратора (13, 14), а также выход второго датчика Холла 8 подключен ко входу аналогово-цифрового преобразователя АЦП (12), выходы компараторов соединены с адресными входами демультиплексора (15), в зависимости от комбинации сигналов с выходов компараторов (возможны четыре комбинации) демультиплексор подключает выход АЦП к одному из четырех конверторов данных - табулированных функций (17-20), которые представляют собой функции близкие к арксинусу, скорректированные с учетом отличия сигнала с выхода датчика Холла от синуса, эти функции записываются в процессе настройки двигателя при последовательном повороте ротора на строго определенный угол, а также сам угол, выбор конвертора данных определяется комбинацией логических сигналов на выходах двух компараторов (13, 14), каждой комбинации соответствует зона шириной π°/2 электрических радиан (π°/2) / Р поворота ротора, поскольку сигналы с датчиков Холла сдвинуты на π°/2 электрических радиан, это значение угла передается из таблицы соответствующей зоны через мультиплексор (16), который управляется комбинацией сигналов с выходов компараторов 13, 14 на адресных входах, сигнал с выхода мультиплексора блока преобразования сигналов датчиков Холла представляет собой цифровой сигнал, пропорциональный углу поворота ротора γ в пределах двойного полюсного деления, то есть имеет вид линейно изменяющегося пилообразного сигнала, в котором влияние высших гармоник на форму сигнала с датчиков Холла скомпенсировано, при полном повороте ротора на угол γ = 2 × π сигнал повторяется Р раз, в блоке тригонометрических преобразователей сигнал преобразуется в тригонометрические функции, период изменения которых (2 × π)/Р, сформированные функции поступают в блок управления двигателем, который формирует фазные токи гармонического вида, что позволяет избавиться от пульсаций момента двигателя, вызываемых наличием высших гармоник тока, поскольку отсутствие высших гармоник тока исключает образование пульсаций момента при повороте ротора, вызванных взаимодействием магнитной индукции в зазоре под зубцом В(γ) и токов I(γ) в соответствующих катушках.

Этим достигается искомый технический эффект - повышение равномерности момента двигателя при повороте ротора.

Формирование сигналов задания фазных токов в виде гармонических функций без высших гармоник позволяет избавиться от пульсаций момента двигателя, вызываемых наличием высших гармоник тока, чем достигается технический результат - повышение равномерности момента двигателя при повороте ротора.

Электродвигатель с постоянными магнитами на роторе, содержащий корпус из немагнитного материала, в котором установлен статор из магнитомягкого материала с зубцами, на которых находятся катушки обмотки, концентрично со статором установленный ротор с постоянными магнитами числом 2Р со встроенными линейными датчиками Холла, сдвинутыми друг от друга на угол (π/2) / Р, отличающийся тем, что линейные датчики Холла рабочей поверхностью обращены к торцам магнитов ротора и их выходы подключены к блоку преобразования сигналов датчиков Холла, выполненному в виде первого и второго компараторов, аналогово-цифрового преобразователя, демультиплексора и четырех конверторов данных, причем выход одного датчика подключен к первому компаратору, выход другого подключен ко второму компаратору и аналого-цифровому преобразователю, выходы компараторов подключены к адресным входам демультиплексора, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к информационному входу демультиплексора, четыре выхода демультиплексора подключены каждый к одному из четырех конверторов данных, выходы которых подключены к информационным входам мультиплексора, к адресным входам мультиплексора подключены выходы компараторов сигналов с датчиков Холла, выход мультиплексора, являясь выходом блока преобразования сигналов датчиков Холла, подключен ко входу блока тригонометрических преобразователей, который, в свою очередь, соединен со входами тригонометрических преобразователей входного сигнала, при этом число тригонометрических преобразователей равно числу фаз m электродвигателя с постоянными магнитами на роторе, а выходы тригонометрических преобразователей соединены с блоком управления двигателем.