Аракелян А.К., Афанасьев А.А. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод. Книга 1

Подождите немного. Документ загружается.

441

статора. Однако это увеличение относительно невелико, если

учесть, что и при зубцовом сердечнике из-за коэффициента

раскрытия пазов (коэффициента Картера) и значительного

насыщения зубцов доля МДС обмотки возбуждения, прихо-

дящаяся на зубцовую зону статора, достаточно велика. Для

машины с беспазовой обмоткой якоря увеличение МДС об-

мотки возбуждения по сравнению с машиной с пазовым яко-

рем составляет 20—25 % [311].

Ввиду наличия достаточного обмоточного пространства об-

мотку возбуждения индукторной машины можно выполнять из

алюминиевых проводников, что уменьшит массу машины.

Увеличение длины пазовой части обмотки двухпакетного

якоря опытной модели по сравнению с классической син-

хронной машиной составляет 20 %.

Выводы

1. Опытный образец быстроходной синхронной машины

= 9000 об/мин и беспазовой обмоткой якоря, выполнен-

ный по одноименно-полюсной индукторной электромагнит-

ной схеме и с двухпакетным сердечником статора, по тре-

буемым электромагнитным параметрам оказался пригодным

для использования в качестве вентильного двигателя.

2. Применение беспазовой обмотки якоря приводит к не-

обходимому повышению основной гармоники индукции маг-

нитного поля в воздушном зазоре до уровня классической

синхронной машины при относительно небольшом увеличе-

нии МДС обмотки возбуждения (20...25 %). При этом индук-

тивность рассеяния обмотки якоря уменьшается на 25...30 %,

значительно снижается действие реакции якоря.

П.2 Дисковые вентильные двигатели с ферритовыми

магнитами и тиристорно-транзисторными коммутаторами

для механизмов бытовой техники

В настоящее время электроприводы высокоскоростных

механизмов пылесосов, электродрелей, миксеров выполня-

ются на основе универсальных коллекторных электродвига-

телей. Номенклатура, технические характеристики и стоимо-

стные показатели отечественных полупроводниковых прибо-

ров и магнитных материалов накладывают существенные ог-

раничения при разработке конкурентоспособных вариантов

442

бытовых регулируемых электроприводов с магнитоэлектри-

ческими вентильными двигателями.

В Чувашском госуниверситете совместно с ВНИИР раз-

работаны регулируемые вентильные электродвигатели (в том

числе высокоскоростные до 25 тыс. об/мин) дискового типа

с одним или двумя роторами из кольцевых ферритовых маг-

нитов (

= 0,38 Тл,

= 260—280 кА/м) с наружными

диаметрами 150, 125, 100, 80, 56, 36 мм, выпускаемых НПО

«Магнетон» (г. Владимир).

Статорные диски (СД) таких двигателей наматываются из

рулонной изотропной электротехнической стали, имеют с

одной или с каждой стороны по четыре открытых паза

(4-полюсный вариант), нарезанных дисковой фрезой. Трех-

фазные двигатели с двумя СД и одним ротором могут иметь

6 пазов на одной стороне каждого СД. В пазы уложены

сосредоточенные катушки 4-полюсной двух- или трехфазной

обмотки (по четыре катушки одной фазы на одной стороне

СД). При однороторном исполнении (рис. П.4, а) (имеем два

СД с одним кольцевым магнитом между ними) двигатель яв-

ляется двух- или трехфазным,

Рис. П.4. Одно- (а) и двухроторные (б) дисковые двигатели

его корпус имеет дисковую компоновку (радиальный размер

корпуса превышает осевой). При двухроторном исполнении

двигатель может быть также двух-или трефазным, его корпус

имеет удлиненную компоновку как у обычных двигателей с

443

цилиндрическим ротором (рис. П.4, б и П.5).

Гибридный коммутатор с двухфазным (рис. П.6) или

трехфазным выходом, выполненный на 6 тиристорах Т-112-

10-6 и 2 транзисторах КТ834 (КТ839 А) обладает известными

преимуществами перед чисто тиристорными или транзи-

сторными схемами.

Рис. П.5. Общий вид двигателя с 2р = 4: 1 — обмотка статора, 2 —

пакеты статора, 3, 4 — магниты, 5 — ярмо ротора, 6 — вентилятор

Рис. П.6. Тиристорно-транзисторный коммутатор с двухфазным

выходом

В первом случае требуются сложные цепи запирания тири-

сторов, во втором — возрастает число усилительных каскадов

444

в цепях управления транзисторов, имеющих обычно низкие

коэффициенты усиления [84].

Датчики положения ротора (ДПР) — индукционные, (ти-

па автогенераторов со срывом автоколебаний) выполненные

на базе стандартных ферритовых чашек Б-6 диаметром 6,5

мм. Индуктивности катушек в чашках скачкообразно изме-

няются при перекрытии последних полюсными выступами

(зубцами) ферромагнитного диска на валу ротора.

Релейно-токовое регулирование скорости вращения (в

диапазоне 1:50) осуществляется за счет широтно-

импульсного изменения выходного напряжения коммутато-

ра. Реализованы два варианта задания скорости двигателя. В

первом — с помощью контура тока (с резисторным датчиком

тока в звене постоянного тока коммутатора) задается ток (а

значит, и момент) двигателя (имеем концепцию регулирова-

ния скорости привода швейной машины — скорость задается

оператором вручную). Во втором — кроме контура тока име-

ется и контур скорости с тахогенераторным сигналом, полу-

чаемым с помощью микросхемы и сигналов ДПР (заданная

скорость вращения выдерживается автоматически).

Рабочие характеристики двигателя с номинальным мо-

ментом 0,2 Н.м показаны на рис. П.7.

Рис. П.7. Рабочие характеристики двухфазного вентильного двигателя

445

Масса двухфазного двухроторного двигателя с моментом

0,2 Н.м составляет 1,8 кг, коммутатора — 2,0 кг, суммарный

удельный момент — 0,2/ (1,8 + 2,0) = 0,063 Нм/кг. Удельный

момент коллекторного двигателя (с учетом массы электрон-

ного регулятора) КРН-180/220-01-15У2 мощностью 180 Вт с

частотой вращения 15000 об/мин - 0,048 Нм/ кг.

Общий вид некоторых электроприводов с двухфазными и

трехфазными дисковыми двигателями показан соответствен-

но на рис. П.8 и П.9.

Рис. П.8. Электропривод с двухфазным двухроторным дисковым

вентильным двигателем

Рис. П.9. Электропривод с трехфазным однороторным дисковым

вентильным двигателем

446

П.3 Экспериментальное исследование высокомоментного

магнитоэлектрического двухстаторного вентильного двига-

теля

Вентильные электродвигатели встроенного типа, выпол-

ненные с применением современных высокоэнергетичных

магнитов (типа неодим-железо-бор), могут быть положены в

основу безредукторного электропривода (прямого действия)

роботизированных комплексов. Практическая реализация

таких электроприводов становится возможной благодаря вы-

соким значениям удельного момента, КПД, коэффициента

мощности магнитоэлектрических вентильных двигателей

специального исполнения, быстродействующим электрон-

ным средствам управления.

Как показывает отечественный и зарубежный опыт, све-

дение к минимуму числа промежуточных кинематических

звеньев электропривода обеспечивает повышение его надеж-

ности, улучшение функциональных и энергетических показа-

телей (уменьшается погрешность позиционирования, увели-

чивается скорость перемещения исполнительных органов).

Японская фирма “Нихон сэйко” разработала приводы

прямого действия типа “Мегаторк” на базе встроенных син-

хронных двигателей с электромагнитной редукцией скорости

вращения (СРД). Добротность номинального момента

(

-масса двигателя) наиболее мощного из изготов-

ленных двигателей составила 200/50 = 4 Нм/кг. Отечествен-

ные и зарубежные двигатели с аналогичным принципом дей-

ствия не встроенной (обычной) конструкции имеют доброт-

ности не выше величины 2,9 [213]. Существенными недос-

татками таких двигателей, работающих на высших гармони-

ках магнитного поля, усиливаемых за счет раскрытия пазов

статора и ротора, являются сравнительно низкие значения

КПД, коэффициента мощности, выполнение воздушного

зазора с предельно малым размером [294].

Чувашский госуниверситет совместно с ВНИИР разрабо-

тал и изготовил макетный образец высокомоментного магни-

тоэлектрического вентильного двигателя с самарий-

кобальтовыми магнитами (

= 0,75 Тл;

= 500 кА/м) в

447

двухстаторном исполнении. Ротор двигателя выполнен в ви-

де полого ферромагнитного стакана, на наружную и внут-

реннюю стороны которого приклеены магниты (рис. П.10).

Трехфазная обмотка уложена в пазы двух коаксиальных ста-

торных сердечников (наружного и внутреннего), образующих

с ротором два рабочих воздушных зазора, магнитные потоки

которых участвуют в фомировании электромагнитного мо-

мента двигателя. Для наружного сердечника используется

статорный пакет серийного асинхронного двигателя

4А112МА6У3.

Рис. П.10. Продольный разрез макетного образца высокомо-

ментного двигателя

Данные макетного образца

Фазный ток

8,7 А

Момент

55 Нм

Масса

18 кг

Добротность

3,1 Нм/кг

Число полюсов

Активная длина

0,1 м

Воздушный зазор

0,75 мм

Толщина стакана ротора

2,5 мм

Толщина магнита (односторонняя)

6 мм

Числа фазных витков обмоток

234/84

448

При использовании неодим-железо-боровых магнитов

(

= 1,2 Тл;

= 800 кА/м) следует ожидать увеличения электро-

магнитного момента и добротности в 1,2/0,75 = 1,6 раза. Они при-

мут соответственно значения: 88 Нм и 4,9 Нм/кг.

Обратим внимание, что добротность могла бы иметь и

большее значение, если бы сердечник наружного статора ма-

кета был выбран от 12-полюсной машины, а не от 6- полюс-

ной. В этом случае за счет уменьшения высоты спинки ярма

имели бы меньшую массу макета.

Выводы

Магнитоэлектрический вентильный двигатель встроенно-

го типа с двойным статором может иметь более высокую

добротность электромагнитного момента, чем известные вы-

сокомоментные двигатели.

П.4. Бесконтактный тахогенератор гальваномагнитного

типа

Бесконтактный тахогенератор (ТГ) постоянного тока мо-

жет быть выполнен на основе гальваномагнитных преобразо-

вателей (датчиков Холла). Конструктивно такой ТГ пред-

ставляет синхронную

-фазную электрическую машину, воз-

буждаемую постоянными магнитами, якорные обмотки кото-

рой включены на токовые цепи датчиков Холла (ДХ), закре-

пленных на статорном сердечнике со стороны воздушного

зазора. Выходные цепи ДХ соединяются последовательно,

образуя два общих выходных зажима ТГ (рис. П.11). Количе-

ство ДХ кратно числу фаз обмотки переменного тока.

Если начало отсчета оси , жестко привязанной к стато-

ру, совпадает с начальной стороной первой фазы якоря и

местом расположения первого ДХ, то при синусоидальном

распределении магнитной индукции в воздушном зазоре

B B

 sin  , (П.4.1)

где  – угол, отсчитываемый по оси, жестко привязанной к

ротору и имеющей начало координат на оси

(рис. П.12),

449

Рис. П.11. Электрическая схема гальваномагнитного тахогенератора

(ДХ — датчик Холла: КОЯ — катушка обмотки якоря)

имеем значение ин-

дукции в месте рас-

положения первого

ДХ (статорный сер-

дечник не содержит

ферромагнитных па-

зов; катушки имеют

диаметральный шаг и

уложены в пазы ци-

линдра из изоляци-

онного материала):

B B

 sin  , (П.4.2)

где  =  t ;

 = 

;



– механическая угловая скорость вращения ротора ТГ;

– число пар полюсов ТГ.

Рис. П.12. К расчету ЭДС тахогенератора

450

ЭДС вращения, наведенная в первой фазе, будет равна:

E l w B t

w m





  sin , (П.4.3)

где

– активная длина стороны катушки;

– число витков в катушке-фазе;

 – полюсное деление.

Если обозначим через



Z Z e

1 1





– комплексное со-

противление цепи: фаза-токовая цепь первого ДХ, то мгно-

венное значение тока в этой цепи определится формулой:

 

l w B t

 



   sin . (П.4.4)

Выходная ЭДС первого датчика Холла будет равна:

E C B i

1 1 1 1

 , (П.4.5)

где

– коэффициент пропорциональности.

После подстановки выражений (П.4.2), (П.4.4) в формулу

(П.4.5) получим

 

l wB t t

 



    sin sin . (П.4.6)

Для второго ДХ, запитываемого током второй фазы, маг-

нитная ось которой сдвинута на угол 

электрических ради-

ан относительно оси первой фазы, выходная ЭДС опреде-

лится по формуле:









E k t t

2 2 2 2 2

        sin sin , (П.4.7)

где

l w B





 . (П.4.8)