Вентильно-индукторный двигатель и его особенности Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫИ ДВИГАТЕЛЬ И ЕГО ОСОБЕННОСТИ

Амангалиев Е.З.

PhD докторант «Satbayev University», г. Алматы, ул.Сатпаева 22, 050013, Республика Казахстан

Тлеугали У.К. магистрант 2-го года обучения А УЭС», г. Алматы, ул. Байтурсынова 126, 050060, Республика Казахстан

Аннотация. Машины постоянного тока, как правило, имеют более высокие технико-экономические показатели (линейность характеристик, высокий КПД, малые габариты и пр.), чем машины переменного тока. Существенный недостаток — наличие щеточного аппарата, который снижает надежность, увеличивает момент инерции, создает радиопомехи, взрывоопасность и т.д. Поэтому, естественно, актуальна задача создания бесконтактного (бесколлекторного) двигателя постоянного тока.

Решение этой задачи оказалось возможным с появлением полупроводниковых приборов. В бесконтактном двигателе постоянного тока, именуемом вентильным двигателем постоянного тока, щеточный аппарат заменен полупроводниковым коммутатором, якорь неподвижен, ротор представляет собой постоянный магнит. Для того чтобы решать задачи по контролю современных прецизионных систем, все чаще используется вентильный двигатель. Это характеризуется большим преимуществом таких приборов, а также активным формированием вычислительных возможностей микроэлектроники. Как известно, они могут обеспечить высокую плотность длительного момента и энергоэффективности по сравнению с другими видами двигателей.

Ключевые слова: вентильный двигатель, машина, бесколлекторный двигатель

1.Вентильно-индукторный двигатель

Вентильно-индукторный двигатель - это устройство, в котором предусмотрено переключающееся магнитное сопротивление. В нем преобразование энергии происходит за счет изменения индуктивности обмоток, которые располагаются на явно выраженных зубцах статора при передвижении зубчатого магнитного ротора. Питание устройство получает от электрического преобразователя, поочередно переключающего обмотки двигателя в строгости по перемещению ротора. Вентильно-индукторный двигатель представляет собой комплексную сложную систему, в которой работают совместно разнообразные по своей физической природе компоненты. Для удачного проектирования таких устройств необходимы углубленные знания в области конструирования машин и механики, а также электроники, электромеханики и микропроцессорной техники.

В целом вентильные двигатели включают в себя три подсистемы: электронную, механическую, электрическую.

Двигатель состоит из следующих деталей:1. Задняя часть корпуса.2. Статор.3. Подшипник.4. Магнитный диск (ротор).5. Подшипник.6. Статор с обмоткой.7. Передняя часть корпуса. У вентильного двигателя имеется взаимосвязь между многофазной обмоткой статора и ротора. У них присутствуют постоянные магниты и встроенный датчик положения. Коммутация прибора реализовывается при помощи вентильного преобразователя, вследствие чего он и получил такое название. Схема вентильного двигателя состоит из задней крышки и печатной платы датчиков, втулки подшипника, вала и самого подшипника, магнитов ротора, изолирующего кольца, обмотки, тарельчатой пружины, промежуточной втулки, датчика Холла, изоляции, корпуса и проводов. В случае соединения обмоток «звездой» устройство имеет большие

Рисунок- 1.Конструкция вентильного двигателя

постоянные моменты, поэтому такую сборку применяют для управления осями. В случае скрепления обмоток «треугольником» их можно использовать для работы с большими скоростями. Чаще всего количество пар полюсов вычисляется численностью магнитов ротора, которые помогают определить соотношение электрических и механических оборотов. Статор может быть изготовлен с безжелезным или железным сердечником. Используя такие конструкции с первым вариантом, можно обеспечить отсутствие притяжения магнитов ротора, но и в это же мгновение снижается на 20% эффективность двигателя из-за уменьшения значения постоянного момента.

2.Устройство вентильного двигателя

Вентильный электродвигатель представляет собой измененный вариант коллекторного мотора постоянного тока. Мотор имеет индуктор, расположенный на роторе, обмотка якоря находится на статоре. Электричество подается управляющими командами на статорные обмотки, в зависимости от угла поворота ротора, который определяется встроенными датчиками Холла. Рассмотрим структуру вентильного двигателя на примере семейства двигателей Faulhaber (рис. 2).

1 2 3 4 5 б 7 S 9 10 И 12 13

1- Корпус электродвигателя

2- Диэлектрическая прослойка

3- Втулка

4- Пружина

5- Обмотка статора

6- Изоляционное кольцо

7- Постоянные магниты

Конструкция двигателя Faulhaber (рис. 2).

В данном случае в основе ротора лежит двухполюсный магнит, статора трехфазная обмотка, положение ротора определяется с помощью интегрированных в двигатель датчиков Холла. В общем случае ротор может содержать другое количество пар полюсов, а статор иметь более традиционную конструкцию, внешне сходную со статором асинхронной машины. Наиболее распространен статор с тремя обмотками, соединенными «звездой» (реже в «треугольник») без вывода средней точки. Как известно, именно трехфазная структура является наиболее эффективной при минимуме числа обмоток. При соединении обмоток «звездой» вентильный двигатель имеет большие постоянные момента и меньшие постоянные противо-ЭДС (при соотношении ?3) по сравнению с соединением «треугольником». Поэтому соединение «звездой» используется для управления осями, требующими больших моментов, а соединение «треугольником» - для больших скоростей.

В большинстве случаев обмотки статора выполняются без насыщения, т.е. противоЭДС обмоток имеет синусоидальную форму. Такие двигатели зачастую называют AC brushless motor в отличие от DC brushless motor, обмотки статора которого выполняются с насыщением. Такое насыщение в DC brushless motor предназначено для снижения пульсаций тока (и соответственно момента) при применении трапецеидальной коммутации. Но иногда термин DC brushless motor используют для двигателей с питанием через инвертор от сети постоянного тока, что не совсем корректно.Обычно количество пар полюсов, определяемое количеством пар магнитов ротора и определяющее соотношение механического и электрического оборотов, равно 4...8. Статор может быть выполнен с железным (iron core) или безжелезным (ironless) сердечником. Конструкция статора с безжелезным сердечником обеспечивает отсутствие силы притяжения магнитов ротора и железа статорной обмотки (magnetic attraction) и зубцового эффекта (cogging), но снижает незначительно (на 10.20%) эффективность двигателя изза меньших значений постоянной момента. Одно из самых очевидных преимуществ ротора с постоянными магнитами состоит в уменьшении диаметра ротора и, как следствие, в уменьшении момента инерции ротора. Технологически магниты могут быть встроены в ротор или расположены на его поверхности. Но пониженный момент инерции зачастую приводит к малым значениям соотношения момента инерции двигателя и приведенного к его валу момента инерции нагрузки (mismatch ratio), усложняющему настройку привода. Поэтому ряд производителей предлагает наряду со стандартным и повышенный - в 2.4 раза - момент инерции ротора.Современное устройство выступает как электродвигатель, действующий совместно с электронным преобразователем, который изготавливается по интегральной технологии с использованием микропроцессора. Он позволяет осуществить качественное управление двигателем с наилучшими показателями переработки энергии.

З.Принцип работы вентильного двигателя

Под вентильным двигателем понимают систему регулируемого электропривода, состоящую из электродвигателя переменного тока, конструктивно подобного синхронной машине, вентильного преобразователя и устройств управления, обеспечивающих коммутацию цепей обмоток электродвигателя в зависимости от положения ротора двигателя. В этом смысле вентильный двигатель подобен двигателю постоянного тока, в котором посредством коллекторного коммутатора подключается тот виток обмотки якоря, который находится под полюсами возбуждения.

Рисунок-3. Схема вентильного двигателя с транзисторным коммутатором

Со схемы видно, что в статоре ток образуется в обмотках, а в роторе создается при помощи высокоэнергетических постоянных магнитов. Условные обозначения:- VT1-VT7 - транзисторные коммуникаторы;- A, B, C - фазы обмоток;- M - момент двигателя;- DR - датчик положения ротора;- U -регулятор напряжения питания двигателя;- S (south), N (north) - направление магнита;- UZ - частотный преобразователь;- BR - датчик частоты вращения;- VD - стабилитрон;- L - катушка индуктивности.

Схема двигателя показывает, что одним из основных преимуществ ротора, в котором установлены постоянные магниты, является уменьшение его диаметра и, как следствие, сокращение момента инерции. Такие приспособления могут быть встроенными в сам прибор или расположенными на его поверхности. Понижение этого показателя очень часто приводит к небольшим значениям баланса момента инерции самого двигателя и приведенного к его валу нагрузки, который и усложняет работу привода. По этой причине производители могут предложить стандартный и повышенный в 2-4 раза момент инерции. На сегодняшний день становится очень популярным вентильный двигатель, принцип работы которого основан на том, что контролер устройства начинает коммутировать обмотки статора. Благодаря этому вектор магнитного поля остается всегда сдвинутым на угол, приближающийся к 900 (-900) относительно ротора. Контролер рассчитан на управление током, который движется через обмотки двигателя, в том числе и величиной магнитного поля статора. Следовательно, можно регулировать момент, который воздействует на прибор. Показатель угла между векторами может определить направление вращения, которое действует на него. Нужно учитывать, что речь идет об электрических градусах (они значительно меньше геометрических). Для примера приведем расчет вентильного двигателя с ротором, который в себе имеет 3 пары полюсов. Тогда оптимальным его углом будет 900 /3=300. Эти пары предусматривают 6 фаз обмоток коммутации, тогда получается, что вектор статора может перемещаться скачками по 600. Из этого видно, что настоящий угол между векторами обязательно будет варьироваться в пределах от 600 до 1200, начиная с вращения ротора. Вентильный двигатель, принцип работы которого основывается на обороте фаз коммутации, из-за которых поток возбуждения поддерживается относительно постоянным движением якоря, после их взаимодействия начинает формировать вращающийся момент. Он устремляется повернуть ротор таким способом, чтобы все потоки возбуждения и якоря совпали воедино. Но во время его разворота датчик начинает переключать обмотки, и поток перемещается на следующий шаг. В этот момент результирующий вектор сдвинется, но останется полностью неподвижным сравнительно с потоком ротора, что в итоге и создаст вращающий момент вала.

4. Интегрированное исполнение вентильных двигателей

Одной из основных перспективных тенденций в развитии современных вентильных двигателей является тяготение производителя к интеграции в единый корпус с двигателем управляющей электроники. Такое решение позволяет предлагать не разрозненный набор комплектующих приводной системы, а законченный привод в сборе. Таким образом решаются возможные проблемы совместимости различных компонент привода, а также проблема различных интерфейсов компонент приводной системы.

Рис. 2 Векторный контроль тока вентильного двигателя

Примером интегрированного привода является серия двигателей BG, предлагаемая компанией Dunkermotoren (рис. 3).

В рамках данной серии двигателей производитель предоставляет возможность заказать одну и ту же модель в различных исполнениях:

• без интегрированной управляющей электроники,

• с интегрированной коммутирующей электроникой (2-х проводная),

• с интегрированным контроллером скорости,

• с интегрированным контроллером движения,

• с интегрированным контроллером движения с сетевыми интерфейсами (CAN, PROFINET).

5. Преимущества использования вентильных двигателей

Вентильный двигатель обладает высокой динамикой, большой перегрузочной способностью и точным позиционированием. Благодаря тому что в нем отсутствуют движущие части, их использование возможно во взрывоопасной агрессивной среде. Такие моторы также называют и бесколлекторными, их основным преимуществом, по сравнению с коллекторными, является скорость, которая зависит от напряжения питания нагружающего момента. Также еще одним немаловажным свойством двигателя считается отсутствие истираемых и трущихся элементов, которые переключают контакты, благодаря чему вырастает ресурс пользования аппаратом.

Рис. 3 Двигатели Dunkermotoren серии BG

Статор 9 слоев, толщиной 0,2 мм покрытия Балансирующий ротор Вал диаметром 5 мм

I

Обмотки с максимальной эффективностью

Рисунок 4 - Разрез вентильного двигателя

Применяя вентильный двигатель в работе, можно отметить такие его достоинства:

- возможность применения широкого диапазона для модифицирования частоты вращения;

- высокая динамика и быстродействие;- максимальная точность позиционирования;

- небольшие затраты на техническое обслуживание;

- устройство можно отнести к взрывозащищенным объектам;

- имеет способность переносить большие перегрузки в момент вращения;

- высокий КПД, который составляет более 90%;

- имеются скользящие электронные контакты, которые существенно увеличивают рабочий ресурс и срок службы;

- при длительной работе нет перегрева электродвигателя.

Недостатки: Несмотря на огромное количество достоинств, вентильный двигатель также имеет и недостатки в эксплуатации:

- довольно сложное управление электродвигателем;

- относительно высокая цена устройства из-за применения в его конструкции ротора, который имеет дорогостоящие постоянные магниты.

Список литературы

1 Овечников В.В.,Фишельсон М.С.Городской транспорт.- М.:Высшая школа, 1976.-352 с.

2 Атаманов Ю.Е., Мазаник К.И. Теория подвижного состава. Трамвай.-Минск: БНТУ, 2008.-388с.

3 Максимов А.Н. Городской электротранспорт: Троллейбус,М.: - Изд.центр «Академия», 2004. - 256

с.

4 Маневровый тепловоз ТЭМ9Н Sinara Hybrid с гибридной силовой установкой.//Официальный сайт ОАО «Синара-Транспортные Машины». URL:

5 Звегинцов С. Электромобили: будущее уже здесь [электронный источник]. - Опубликовано 09.02.2017. - URL: https://www.Forbes.ru

6 Чиликин М.Г., Сандлер А.С.Общий курс электропривода. - М.: Энергоатомиздат, 1981. - 576 с.

7 Онищенко Г.Б. Электрический привод. Учебник для вузов-М.:РАСХН,2003. - 320с.: ил.-ISBN 5-85941-045-X.

8 Клевцев А.В. Преобразователи частоты для электропривода переменного тока. - М.: Изд. Граф и Ко, 2008. - 224 с.

9 Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. - М.: Академия, 2006. - 265 с.

10 Тергемес К.Т., Сагитов П.И., Шадхин Ю.И., Акпанбетов Д.Б., Тергемесов Д.К. Устройство для плавного регулирования скорости электроподвижного состава. Инновационный патент РК №63764. -2010. - Бюл.№4. - 4 с.

11 Тергемес К.Т., Акпанбетов Д.Б., Тергемесов Д.К. Тяговый синхронный электропривод с питанием от контактной сети постоянного тока. Инновационный патент РК №62866. - 2010. - Бюл.№1. - 4 с.

12 Колбасинский Д.В. и др. Энергосбережение на городском транспорте.- М.±АР Lambert Academic Publishing.

13 Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в Matlab, SimPowerSystems и Simulink.-Санкт-Петербург.: Изд.Питер, 2008.-288 с.

14 Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника. Лабораторные работы.-СПб.: Учитель и ученик, КОРОНА принт, 2002.-304 с.