вентильный электродвигатель с встроенными датчиками скорости и углового положения ротора

Формула изобретения

1. Вентильный электродвигатель, содержащий встроенные датчики скорости и углового положения ротора, статор с числом зубцов Z_ст = mkn, где m - число фаз якорной обмотки, k - число катушечных групп в фазе, n - число катушек в катушечной группе, каждая из которых состоит из последовательно-встречно соединенных между собой катушек, охватывающих по одному зубцу статора, ротор с чередующимися по полярности и радиально намагниченными постоянными магнитами, число которых 2р=Z_стk, тахометрическую обмотку, размещенную в пазах статора, отличающийся тем, что ось симметрии каждой фазы тахометрической обмотки совпадает с осью симметрии соответствующей фазы якорной обмотки, и катушечные группы каждой фазы тахометрической обмотки соединены между собой, как и катушечные группы якорной обмотки, при этом каждая катушечная группа тахометрической обмотки состоит из четного числа последовательно-встречно соединенных между собой катушек, смещенных относительно друг друга на одно зубцовое деление статора, и выполненных с шагом, равным нечетному числу зубцовых делений статора от трех до Z_ст/k, в качестве датчиков углового положения ротора приняты датчики Холла, при этом датчик Холла каждой фазы якорной обмотки при n четном установлен в пазу статора, расположенном на оси симметрии катушечной группы соответствующей фазы, а при n нечетном - в пазу статора, ближайшем к оси симметрии катушечной группы соответствующей фазы якорной обмотки.

2. Вентильный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что при n нечетном и 2Р меньшем Z_ст датчик Холла каждой фазы установлен от оси симметрии катушечной группы соответствующей фазы на величине угла, равной 1/2 зубцового деления статора плюс (180^o/2р-180^o/Z_ст), а при 2р большем Z_ст - на величине угла, равной 1/2 зубцового деления статора минус (180^o/Z_ст-180^o/2р).

3. Вентильный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что при n четном катушечные группы каждой фазы якорной обмотки соединены между собой встречно, а при n нечетном и m=3 - согласно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, а именно к многополюсным бесконтактным вентильным электродвигателям.

Известны вентильные многополюсные электродвигатели с встроенными датчиками скорости и углового положения ротора, содержащие статор с числом зубцов Z_ст=mkn, где m - число фаз якорной обмотки, k - число катушечных групп в фазе якорной обмотки, n - число зубцов статора в катушечной группе, каждая из которых состоит из п-1 последовательно-встречно соединенных между собой катушек, охватывающих по одному зубцу статора, ротор с чередующимися по полярности полюсами, число которых 2р=Z_стk, при этом в средней части пакета статора, на месте зубцов, расположенных между катушечными группами, закреплены постоянные магниты, намагниченные в аксиальном направлении, а на зубцах статора, расположенных между катушечными группами, установлены катушки тахометрической обмотки, причем каждая полуфаза датчика углового положения, составляющая с источником переменного напряжения высокой частоты со средней точкой полумостовую схему, состоит из последовательно соединенных между собой катушек, расположенных со смещением в окружном направлении на m катушечных групп в отверстиях, выполненных в основании зубцов статора с постоянными магнитами, а катушки каждой из полуфаз датчика расположены с обеих сторон от катушечных групп соответствующей фазы якорной обмотки (см. авт. свид. СССР 1700704, кл. Н 02 К 29/12 от 08.02.1989 г.).

Недостатками такого вентильного электродвигателя являются сравнительно сложная конструкция из-за наличия в статоре постоянных магнитов и низкий коэффициент использования объема из-за выделения под тахометрическую обмотку и датчик углового положения ротора 1/4 части зубцов статора.

Частично указанные недостатки устранены в синхронном агрегате, содержащем статор с числом зубцов Z_ст=mkn, где m - число фаз якорной обмотки, k - число катушечных групп в фазе, n - число зубцов в катушечной группе, каждая из которых состоит из последовательно-встречно соединенных между собой п-1 катушек, охватывающих по одному зубцу статора, ротор с чередующимися по полярности полюсами, число которых 2р=Z_стk, тахометрическую обмотку, размещенную на зубцах статора, расположенных между катушечными группами фаз, датчик углового положения ротора, первые катушки основной обмотки фаз которого размещены в основных аксиальных отверстиях, расположенных на оси зубцов, а вторые катушки основной обмотки датчика положения размещены в отверстиях, выполненных ортогонально основным аксиальным отверстиям, при этом основная обмотка первой фазы датчика положения расположена в первой паре ортогональных отверстий, а основная обмотка второй фазы - во второй паре ортогональных отверстий и катушки дополнительной обмотки датчика углового положения расположены на тех же зубцах, что и тахометрическая обмотка, причем катушки в каждой фазе тахометрической обмотки соединены последовательно-встречно, а катушки дополнительной обмотки датчика углового положения - последовательно-согласно (см. патент РФ 2076437, кл. Н 02 К 29/06 от 27.03.1997 г., Бюл. 9).

Такой синхронный агрегат имеет более простую конструкцию пакета статора из-за отсутствия в нем постоянных магнитов. Однако, как и вышеприведенный электродвигатель, он имеет низкий коэффициент использования объема из-за размещения тахометрической обмотки и обмотки датчика углового положения ротора на отдельных зубцах статора. Кроме того, применяемые в этих вентильных электродвигателях датчики углового положения ротора не только значительно усложняют конструкцию электродвигателя, но и требуют применения дополнительных электронных схем для обработки их сигналов.

Целью данного изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, т.е. упрощение конструкции и повышение коэффициента использования объема вентильного электродвигателя.

Указанная цель достигается тем, что, в вентильном электродвигателе с встроенными датчиками скорости и углового положения ротора, содержанием статор с числом зубцов Z_ст=mkn, где m - число фаз якорной обмотки, k - число катушечных групп в фазе, n - число зубцов в катушечкой группе, каждая из которых состоит из последовательно-встречно соединенных между собой катушек, охватывающих по одному зубцу статора, ротор с чередующимися по полярности и радиально намагниченными постоянными магнитами, число которых 2р= Z_cтk тахометрическую обмотку, размещенную в пазах статора, и датчики углового положения ротора, ось симметрии каждой фазы тахометрической обмотки совпадает с осью симметрии соответствующей фазы якорной обмотки и катушечные группы каждой фазы тахометрической обмотки соединены между собой, как и катушечные группы якорной обмотки, при этом каждая катушечная группа тахометрической обмотки состоит из четного числа последовательно-встречно соединенных между собой катушек, смещенных относительно друг друга на одно зубцовое деление статора и выполненных с шагом, равным нечетному числу зубцовых делений статора - от трех до Z_cт/k, а в качестве датчиков углового положения ротора приняты датчики Холла, причем датчик Холла каждой фазы установлен в пазу статора, ближайшем к оси симметрии катушечной группы соответствующей фазы якорной обмотки.

При этом, при n четном датчик Холла каждой фазы установлен в пазу, расположенном на оси симметрии катушечкой группы соответствующей фазы, а при n нечетном - в пазу, расположенном от оси симметрии катушечной группы соответствующей фазы на величине угла, равной половине зубцового деления статора.

Кроме того, при n нечетном и 2р, меньшем Z_ст, датчик Холла каждой фазы установлен от оси катушечной группы на величине угла, равной 1/2 зубцового деления статора плюс 180^o/2р-180^o/Z_cт, a при 2р, большем Z_ст, - на величине углa, равной 1/2 зубцового деления статора минус 180^o/Z_ст-180^o/2p.

При выполнении вентильного электродвигателя с n четным катушечные группы каждой фазы соединены между собой встречно, а при n нечетном и m, равным трем, - согласно.

Причем, если выводные концы якорной и тахометрической обмоток одной фазы находятся в пазах, расположенных друг от друга на нечетном числе зубцовых делений, то тахометрическая обмотка находятся в противофазе с якорной, а если - в пазах, расположенных друг от друга на четном числе зубцовых делений, включая 0, то тахометрическая обмотка находится в фазе с якорной.

На чертеже представлена развернутая схема предложенного вентильного электродвигателя с встроенными датчиками скорости и углового положения ротора.

Предложенный вентильный электродвигатель содержит статор 1 с числом зубцов Z_ст=24; ротор с числом полюсов 2р=22, изготовленных из постоянных магнитов 2, намагниченных в радиальном направлении и закрепленных на магнитопроводном кольце 3; двухфазную якорную обмотку, состоящую из фаз А-Х и В-Y, каждая из которых состоит из последовательно-встречно соединенных между собой k= 2 катушечных групп, т.к. число последовательно-встречно соединенных между собой катушек 4 в катушечной группе равно шести, т.е. четному числу (см. чертеж); двухфазную тахометрическую обмотку, состоящую из фаз а-х и б-у, ось симметрии которых совпадает с осью симметрии соответствующей фазы якорной обмотки, а катушечные группы соединены между собой, как и катушечные группы якорной обмотки, последовательно-встречно, при этом каждая катушечная группа тахометрической обмотки состоит из четного числа, т.е. из двух последовательно-встречно соединенных между собой катушек 5, смещенных относительно друг друга на одно зубцовое деление статора и выполненных с шагом, равным нечетному числу зубцовых делений статора - от трех до Z_cт/k, т.е. равным трем зубцовым делениям статора, а поскольку выводные концы якорной и тахометрической обмоток находятся в пазах, расположенных друг от друга на нечетном числе зубцовых делений, равном 1, то они находятся в противофазе (см. чертеж); два датчика Холла 6 и 7, каждый из которых установлен в пазу, расположенном на оси катушечной группы соответствующей фазы, т.к. n - число катушек в катушечной группе якорной обмотки четное, равное шести.

Для уменьшения потоков рассеяния между зубцами статора в месте закрепления датчиков Холла паз статора из полузакрытого может быть расширен до открытого, в этом случае датчик Холла должен быть дополнительно закреплен, например, эпоксидной смолой.

Число катушек в тахометрической обмотке, а точнее в ее катушечной группе, не должно превышать шага обмотки для этой катушки, т.е. в данном случае при шаге обмотки три зубцовых деления статора число катушек в катушечной группе тахометрической обмотки может быть равным только двум.

Работает предложенный вентильный электродвигатель с встроенными датчиками скорости и углового положения ротора следующим образом.

Питание фаз якорной обмотки А-Х и B-Y осуществляется от статического преобразователя постоянного тока (на чертеже не представлен). Фаза результирующего вектора тока якорной обмотки (см. фазу А-Х на чертеже) поддерживается на уровне 90 электрических градусов относительно вектора возбуждения от постоянных магнитов 2 датчиком Холла 6, установленным между зубцами статора 1 на оси симметрии катушечной группы этой фазы. В результате на роторе создается вращающий момент. При повороте ротора датчиками Холла 6 и 7 коммутируется ток в фазах А-Х и В-Y и обеспечивается непрерывное вращении ротора. В качестве обратной связи по скорости, исключающей переход электродвигателя в режим автоколебаний, используются сигналы тахометрической обмотки.

Исключение взаимной индуктивной связи фазы якорной обмотки с соответствующей фазой тахометрической обмотки обеспечивается том, что тахометрическая обмотка охватывает четное число зубцов якорной обмотки, т.е. две последовательно-встречно соединенные катушки катушечной группы тахометрической обмотки охватывают три зубца статора одной полярности и три зубца статора другой полярности одной катушечной группы якорной обмотки.

Предложенный вентильный электродвигатель может быть выполнен с другим числом фаз, например, равным трем, а также с датчиками углового положения ротора другого типа, например оптическими.

Предложенный вентильный электродвигатель может быть выполнен с числом катушечных групп в фазе тахометрической обмотки, меньшим числа катушечных групп в фазе якорной обмотки.

По сравнению с прототипом предложенный вентильный электродвигатель имеет больший коэффициент использования объема, т.к. у него все зубцы статора охватываются катушками якорной обмотки, а тахометрическая обмотка размещена в тех же пазах статора, что и якорная, и при выполнении тахометрической обмотки тонким проводом - не более 0,2 мм в диаметре она практически не занимает места в пазах статора. Упрощение конструкции вентильного электродвигателя, по сравнению с прототипом, обеспечивается применением и установкой датчиков Холла в пазах статора, т.к. в этом случае не требуется даже конструктивная доработка пакета статора для закрепления в нем этих датчиков, а также отсутствием в статоре предложенного электродвигателя обмоток датчика углового положения ротора.

Испытания макета предложенного вентильного электродвигателя показали, что, по сравнению с прототипом, он имеет на 25% больший момент, а сигнал тахометрической обмотки имеет синусоидальную форму и в нем практически отсутствуют помехи от якорной обмотки.