Каталог вентильных электродвигателей

Вентильный электродвигатель — это синхронный двигатель, основанный на принципе частотного регулирования с самосинхронизацией, суть которого заключается в управлении вектором магнитного поля статора в зависимости от положения ротора. Вентильные двигатели (в англоязычной литературе BLDC или PMSM) ещё называют бесколлекторными двигателями постоянного тока, потому что контроллер такого двигателя обычно питается от постоянного напряжения.

Описание ВД

Этот тип двигателя создан с целью улучшения свойств электродвигателей постоянного тока. Высокие требования к исполнительным механизмам (в частности, высокооборотных микроприводов точного позиционирования) обусловили применение специфических двигателей постоянного тока: бесколлекторных трехфазных двигателей постоянного тока (БДПТ или BLDC). Конструктивно они напоминают синхронные двигатели переменного тока: магнитный ротор вращается в шихтованом статоре с трехфазными обмотками. Но обороты являются функцией от нагрузки и напряжения на статоре. Эта функция реализована с помощью переключения обмоток статора в зависимости от координат ротора. БДПТ существуют в исполнении с отдельными датчиками на роторе и без отдельных датчиков. В качестве отдельных датчиков применяются датчики Холла. Если выполнение без отдельных датчиков, то в качестве фиксирующего элемента выступают обмотки статора. При вращении магнита, ротор наводит в обмотках статора ЭДС, в результате чего возникает ток. При выключении одной обмотки измеряется и обрабатывается сигнал, который был в ней наведен. Этот алгоритм требует процессор обработки сигналов. Для торможения и реверса БДПС не нужна мостовая схема реверса питания - достаточно подавать управляющие импульсы на обмотки статора в обратной последовательности.

В вентильном двигателе (ВД) индуктор находится на роторе (в виде постоянных магнитов), якорная обмотка находится на статоре (синхронный двигатель). Напряжение питания обмоток двигателя формируется в зависимости от положения ротора. Если в двигателях постоянного тока для этой цели использовался коллектор, то в вентильном двигателе его функцию выполняет полупроводниковый коммутатор (датчик положения ротора (ДПР) с инвертором).

Статор бесколлекторного электродвигателя

Статор имеет традиционную конструкцию и похож на статор асинхронной машины. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки,уложенной в пазы по периметру сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. Для самозапуска и вращения достаточно двух фаз — синусной и косинусной. Обычно ВД трёхфазные, реже- четырёхфазные.

По способу укладки витков в обмотки статора различают двигатели имеющие обратную электродвижущую силу трапецеидальной (BLDC) и синусоидальной (PMSM) формы. По способу питания фазный электрический ток в соответствующих типах двигателя также изменяется трапецеидально или синусоидально.

Каталог статей

Патент на изобретение №:2237341 - Вентильный электродвигатель

Начало действия патента: 27 Февраля, 2003

Автор:Милас Н.Ф. (RU) Васильев А.В. (RU), Миляшов А.Н. (RU), Сабитов Р.Ф. (RU)

Патентообладатель: Миляшов Николай Федорович (RU)

Адрес для переписки:420102, г.Казань, ул. Забайкальская, 13-95, Н.Ф. Миляшову

Изобретение относится к области электротехники, а именно к вентильным электродвигателям. Технический результат изобретения, заключающийся в упрощении схемы и конструкции электродвигателя, достигается путем того, что в вентильном электродвигателе, содержащем пассивный явнополюсный ротор с m полюсами, статор с 2n полюсами, несущими сосредоточенную на полюсах n-фазную обмотку, секции которой соединены с выходом n-фазного инвертора, выполненного на транзисторах в виде n-параллельно соединенных ячеек, фазные обмотки которых расположены на полюсах статора, инвертор выполнен с уменьшенным вдвое количеством транзисторов, каждый полюс статора дополнительно снабжен базовой обмоткой, а базовые обмотки, подключенные к базе транзистора каждой фазы, расположены на разных полюсах статора собственной и предыдущей по порядку чередования фаз и соединены встречно-последовательно. 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к вентильным электродвигателям, используемым в регулируемом электроприводе.

Известен вентильно-индукторный двигатель (ВИД) [Осташевский Н.А. Ковган А.Н. Вентильно-индукторный привод как перспективный вид регулируемого электропривода. //Електротехнiка и Електромеханiка-2002. №1. С.52-56], содержащий исполнительный двигатель (ИД), полупроводниковый преобразователь (ПП), управление преобразователем осуществляется системой управления (СУ) при помощи датчиков положения ротора (ДПР). Питание системы осуществляется от сети постоянного тока через выпрямитель (В). ИД представляет собой индукторную машину с пассивным ротором и сосредоточенными обмотками фаз на полюсах статора. На фиг.1 представлена структурная схема двигателя.

Основными недостатками данных двигателей является наличие ДПР, значительно усложняющего и удорожающего конструкцию двигателя, и сложность реализации системы управления коммутацией при применении бездатчикового управления.

Известен вентильный двигатель [Авторское свидетельство СССР №819893, М.кл3 Н 02 К 29/02, опубл. 07.04.81, БИ №13], у которого обмотки статора являются одновременно рабочими элементами ИД и ПП, представляющий собой электрическую машину, в которой двухфазный ПП совмещен с обмотками статора двухфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. На обмотках каждой из фаз собран генератор Ройера, а управление силовыми транзисторами осуществляется базовыми обмотками, расположенными на полюсах статора.

Недостатком двигателя является наличие большого числа силовых транзисторов на конденсаторов на фазу, цепи синхронизации, а также сложность конструкции самой электрической машины.

Наиболее близким заявленному является ВИД [Ильинский Н.Ф. Бычков М.Г. Вентильно-индукторный привод для легких электрических транспортных средств//Электротехника. 2000. №2. С.28-31], состоящий из ИД индукторного типа, коммутатора - ПП и развитого микропроцессорного блока управления - СУ. Исключение ДПР здесь осуществлено за счет специального управления коммутацией, когда текущая информация о значении токов используется для определения углов коммутации в любом режиме работы. Данный способ управления может быть реализован на базе микропроцессора.

Недостатком данного двигателя является наличие двойного числа транзисторов на фазу и сложность системы управления коммутацией. Здесь управление коммутацией основано на применении специально организованного "наблюдателя" в системе с релейным регулятором тока и ШИМ-генератором, ограничивающим частоту переключения силовых ключей инвертора. Кроме того, данный способ управления имеет дополнительные трудности реализации в приводах малой мощности, где необходимо принимать во внимание изменение удельного сопротивления обмоток при изменении температуры.

Задачей изобретения является упрощение схемы и конструкции двигателя.

Задача решается разработкой вентильного электродвигателя, содержащего пассивный явнополюсный ротор с m полюсами, статор с 2n полюсами, несущими сосредоточенную на полюсах n-фазную обмотку, секции которой соединены с выходом n-фазного инвертора, выполненного на транзисторах в виде n-параллельно соединенных ячеек, фазные обмотки которых расположены на полюсах статора. Причем инвертор выполнен с уменьшенным вдвое количеством транзисторов, каждый полюс статора дополнительно снабжен базовой обмоткой, а базовые обмотки, подключенные к базе транзистора каждой фазы, расположены на разных полюсах статора собственной и предыдущей обмоток по порядку чередования фаз и соединены встречно-последовательно.

На фиг.2 приведена принципиальная схема расположения фазных и базовых обмоток предлагаемого двигателя на основе трехфазной машины.

На фиг.3 приведена электрическая схема подключения фазных и базовых обмоток предлагаемого двигателя на основе трехфазной машины.

На фиг.4 приведены основные осцилограммы токов и напряжений на фазных и базовых обмотках.

Устройство содержит трехфазную машину переменного тока индукторного типа, включающую в себя явнополюсный ротор 1 и первичную трехфазную обмотку с секциями 2, 3, 4, состоящими соответственно из полуобмоток 2’, 2’’, 3’, 3’’, 4, 4’’, расположенную на полюсах статора, совместно с базовыми обмотками 5-10. Трехфазная обмотка электрической машины питается от источника постоянного напряжения через трехфазный инвертор, каждая фаза которого представляет собой однокаскадный генератор с магнитными связями и содержит одинаковые элементы. В качестве управляемых ключей в схеме используются транзисторы. Каждая фаза подключена одним концом к коллектору транзисторов 11, 12, 13, а другие концы фаз соединены с положительной точкой источника питания. Для устранения возможного пробоя транзиторов при их запирании, каждая из фазных обмоток шунтируется диодами 14, 15 и 16, включенными обратно по отношению к питающему напряжению схемы U.

Рассмотрим работу схемы с момента пуска. При подключении питания, в связи с разбросом параметров транзисторов допустим, что положительное напряжение U открывает транзистор 11 по его базовой цепи и этим начинается первая треть периода работы инвертора. Вследствие увеличения протекающего по первичной обмотке 2 тока в базовых обмотках 5-10 наводятся ЭДС (Е). Причем E5=E8, а Е6=Е7=Е9=Е10=0,3 Е5. Включение встречно-последовательно собственной и предыдущей по порядку чередования фазы базовых обмоток обусловлено тем, что суммарная ЭДС базовых обмоток открывает транзистор 11 и закрывает транзисторы 12 и 13. При увеличении тока в коллекторной цепи транзистора 11 рабочая точка перемещается по выходной характеристике и переходит из активной зоны в область насыщения. Прекращается увеличение тока коллектора, поэтому ЭДС в базовых обмотках становится равной нулю. Транзистор 11 закрывается. Ток коллектора протекает по замкнутой цепи: обмотка 2 - диод 14. Ток коллектора уменьшается, что приводит к возникновению противоположных по знаку ЭДС в базовых обмотках. Транзистор 12 открывается, и этим начинается вторая треть периода работы инвертора. Далее работа фаз В и С инвертора происходит аналогично фазе А. Периодическое подключение фазных обмоток 2, 3, 4 к источнику питания приводит за счет магнитного притяжения к смещению соответствующих полюсов явнополюсного ротора в направлении ближайших возбужденных полюсов статора. В результате возникает непрерывное вращение.

Рассматривая заявленное устройство в сравнении с аналогами и прототипом, можно сделать вывод о том, что заявленный вентильный электродвигатель имеет упрощенную схему управления за счет того, что новая совокупность признаков позволяет исключить систему “наблюдатель”, релейный регулятор и ШИМ-генератор, уменьшить вдвое количество силовых транзисторов, обладает высокой технологичностью и дешевизной при его практической реализации.

Каталог вентильных электродвигателей постоянного тока

Формула изобретения

Вентильный электродвигатель, содержащий пассивный явнополюсный ротор с m полюсами, статор с 2n полюсами, несущими сосредоточенную на полюсах n-фазную обмотку, секции которой соединены с выходом n-фазного инвертора, выполненного на транзисторах в виде n параллельно соединенных ячеек, фазные обмотки которых расположены на полюсах статора, отличающийся тем, что инвертор выполнен с уменьшенным вдвое количеством транзисторов, каждый полюс статора дополнительно снабжен базовой обмоткой, а базовые обмотки, подключенные к базе транзистора каждой фазы, расположены на разных полюсах статора собственной и предыдущей по порядку чередования фаз и соединены встречно-последовательно.

___________________________________________________________________________________________

Мне понравилась идея поэтому дополню материал своими соображениями организацией импульсной рекуперацией энергии в моторе

и доработанная схема на основе внедрения в неё рекуперационного трансформатора

Содержание

Описание ВД

Этот тип двигателя создан с целью улучшения свойств электродвигателей постоянного тока. Высокие требования к исполнительным механизмам (в частности, высокооборотных микроприводов точного позиционирования) обусловили применение специфических двигателей постоянного тока: бесконтактных трехфазных двигателей постоянного тока (БДПТ или BLDC). Конструктивно они напоминают синхронные двигатели переменного тока: магнитный ротор вращается в шихтованом статоре с трехфазными обмотками. Но обороты являются функцией от нагрузки и напряжения на статоре. Эта функция реализована с помощью переключения обмоток статора в зависимости от координат ротора. БДПТ существуют в исполнении с отдельными датчиками на роторе и без отдельных датчиков. В качестве отдельных датчиков применяются датчики Холла. Если выполнение без отдельных датчиков, то в качестве фиксирующего элемента выступают обмотки статора. При вращении магнита, ротор наводит в обмотках статора ЭДС, в результате чего возникает ток. При выключении одной обмотки измеряется и обрабатывается сигнал, который был в ней наведен. Этот алгоритм требует процессора обработки сигналов. Для торможения и реверса БДПС не нужна мостовая схема реверса питания - достаточно подавать управляющие импульсы на обмотки статора в обратной последовательности.

Каталог вентильных электродвигателей полюсах статора

В вентильном двигателе (ВД) индуктор находится на роторе (в виде постоянных магнитов ), якорная обмотка находится на статоре (синхронный двигатель ). Напряжение питания обмоток двигателя формируется в зависимости от положения ротора. Если в двигателях постоянного тока для этой цели использовался коллектор. то в вентильном двигателе его функцию выполняет полупроводниковый коммутатор (датчик положения ротора (ДПР) с инвертором ).

Основным отличием ВД от синхронного двигателя является его самосинхронизация с помощью ДПР, в результате чего у ВД, частота вращения поля пропорциональна частоте вращения ротора.

Статор имеет традиционную конструкцию и похож на статор асинхронной машины. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки,уложенной в пазы по периметру сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. Для самозапуска и вращения достаточно двух фаз — синусной и косинусной. Обычно ВД трёхфазные, реже- четырёхфазные.

По способу укладки витков в обмотки статора различают двигатели имеющие обратную электродвижущую силу трапецеидальной (BLDC) и синусоидальной (PMSM) формы. По способу питания фазный электрический ток в соответствующих типах двигателя также изменяется трапецеидально или синусоидально.

Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до восьми пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов.

Вначале для изготовления ротора использовались ферритовые магниты. Они распространены и дёшевы, но им присущ недостаток в виде низкого уровня магнитной индукции. Сейчас получают популярность магниты из сплавов редкоземельных элементов. так как они позволяют получить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.

Датчик положения ротора

Датчик положения ротора (ДПР) реализует обратную связь по положению ротора. Его работа может быть основана на разных принципах — фотоэлектрический. индуктивный, на эффекте Холла. и т. д. Наибольшую популярность приобрели датчики Холла и фотоэлектрические, так как они практически безинерционны и позволяют избавиться от запаздывания в канале обратной связи по положению ротора.

Фотоэлектрический датчик, в классическом виде, содержит три неподвижных фотоприёмника, которые поочерёдно закрываются шторкой вращающейся синхронно с ротором. Это показано на рисунке 1 (желтая точечка). Двоичный код, получаемый с ДПР, фиксирует шесть различных положений ротора. Сигналы датчиков преобразуются управляющим устройством в комбинацию управляющих напряжений, которые управляют силовыми ключами, так, что в каждый такт (фазу) работы двигателя включены два ключа и к сети подключены последовательно две из трёх обмоток якоря. Обмотки якоря U, V, W расположены на статоре со сдвигом на 120° и их начала и концы соединены так, что при переключении ключей создаётся вращающийся градиент магнитных полей.

Система управления ВД

Система управления содержит силовые ключи, часто тиристоры или силовые транзисторы с изолированным затвором. Из них собирается инвертор напряжения или инвертор тока. Система управления ключами обычно реализуется на основе использования микроконтроллера. Наличия микроконтроллера требует большое количество вычислительных операций по управлению двигателем.

Принцип работы ВД

Принцип работы ВД основан на том, что контроллер ВД коммутирует обмотки статора так, чтобы вектор магнитного поля статора всегда был ортогонален вектору магнитного поля ротора. С помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) контроллер управляет током, протекающим через обмотки ВД, т.е. вектором магнитного поля статора, и таким образом регулируется момент, действующий на ротор ВД. Знак у угла между векторами определяет направление момента действующего на ротор.

Коммутация производится так, что поток возбуждения ротора — Ф0 поддерживается постоянным относительно потока якоря. В результате взаимодействия потока якоря и возбуждения создаётся вращающий момент M. который стремится развернуть ротор так, чтобы потоки якоря и возбуждения совпали, но при повороте ротора под действием ДПР происходит переключение обмоток и поток якоря поворачивается на следующий шаг.

В этом случае и результирующий вектор тока будет сдвинут и неподвижен относительно потока ротора, что и создаёт момент на валу двигателя.

В двигательном режиме работы МДС статора опережает МДС ротора на угол 90°, который поддерживается с помощью ДПР. В тормозном режиме МДС статора отстаёт от МДС ротора, угол 90° так же поддерживается с помощью ДПР.

Управление двигателем

Контроллер ВД регулирует момент, действующий на ротор, меняя величину ШИМ.

В отличие от щёточного электродвигателя постоянного тока, коммутация в ВД осуществляется и контролируется с помощью электроники.

Распространены системы управления, реализующие алгоритмы широтно-импульсного регулирования и широтно-импульсной модуляции при управлении ВД.

Система, обеспечивающая самый широкий диапазон регулирования скорости — у двигателей с векторным управлением. С помощью преобразователя частоты осуществляется регулирование скорости двигателя и поддержание потокосцепления в машине на заданном уровне.

Особенность регулирования электропривода с векторным управлением — контролируемые координаты, измеренные в неподвижной системе координат преобразуются к вращающейся системе, из них выделяется постоянное значение, пропорциональное составляющим векторов контролируемых параметров, по которым осуществляется формирование управляющих воздействий, далее обратный переход.

Недостатком этих систем является сложность управляющих и функциональных устройств для широкого диапазона регулирования скорости.

Достоинства и недостатки ВД

В последнее время, этот тип двигателей быстро приобретает популярность, проникая во многие отрасли промышленности. Находит применение в различных сферах использования: от бытовых приборов до рельсового транспорта.

ВД с электронными системами управления часто объединяют в себе лучшие качества бесконтактных двигателей и двигателей постоянного тока.

Достоинства:

  • Широкий диапазон изменения частоты вращения
  • Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих техобслуживания — бесколлекторная машина
  • Возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде
  • Большая перегрузочная способность по моменту
  • Высокие энергетические показатели (КПД более 90 %)

Теги: 

Рекомендуем также прочитать

Высокочастотные электродвигатели
Уравнения функционирования электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением
Двигатель асинхронный 5АИ: греется он почти в два раза меньше старого 132кВт, табличка его, пришел 55кВт тойже фирмы размером как 37кВт.
Взрывозащищенные асинхронные двигатели Дата обновления: 28 ноября 2015