CZ2000412A3 - Zapojení řídící jednotky bezkomutátorového elektromotoru, zejména pro elektrovýzbroj motorových vozidel - Google Patents

Abstract

Řídícíjednotka sestává ze snímačů polohy rotoru a vzájemně propojených spínacích prvků s mnohofázovým uzavřeným vinutím statoru a binárním dekodérem, Na první vstup (A) binárního dekodéru (3) a druhý vstup (B) binárního dekodéru (3), opatřeného vstupem (15) pulzního řízení výkonu stroje je připojen první snímač (1) polohy rotoru a druhý snímač (2) polohy rotoru. Na první výstup (1') binárního dekodéru (3) je napojen první spínací prvek (4) a sedmý spínací prvek (10), na druhý výstup (2j binárního dekodéru (3)je napojen druhý spínací prvek (5) a osmý spínací prvek (11), na třetí výstup (3') binárního dekodéru (3)je napojen třetí spínací prvek (6) a pátý spínací prvek (8) a na čtvrtý výstup (4 j binárního dekodéru (3) je napojen čtvrtý spínací prvek (7) a šestý spínací prvek (9) a přičemž první spínací prvek (4), druhý spínací prvek (5), třetí spínací prvek (6) a čtvrtý spínací prvek (7)jsou napojeny na kladný pól (13) stejnosměrného zdroje a pátý spínací prvek (8), šestý spínací prvek (9), sedmý spínací prvek (10) a osmý spínací prvek (11)jsou napojeny na záporný pól (14) stejnosměrného zdroje. Mezi první spínací prvek (4) a pátý spínací prvek (8), mezi druhý spínací prvek (5) a šestý spínací prvek (9), mezi třetí spínací prvek (4) a pátý spínací prvek (8), mezi druhý spínací prvek (5) a Šestý spínací prvek (9), mezi třetí spínací prvek (6) a sedmý spínací prvek (10) a mezi čtvrtý spínací prvek (7) a osmý spínací prvek (11)je napojeno mnohofázové uzavřené vinuti (12) statoru.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká zapojení řídící jednotky bezkomutátorového elektromotoru, zejména pro elektrovýzbroj motorových vozidel, ale i jiných stejnosměrných točivých strojů středních a vyšších výkonů.

Dosavadní stav techniky

Jsou známy bezkontaktní motory sestávající tak jako standardní stejnosměrné komutátorové stroje ze synchronního motoru a z invertoru , měnícího stejnosměrný proud na střídavý o kmitočtu přímo úměrném rychlosti otáčení. Synchronní motor je složen z magnetového systému, kotvy, snímačů polohy rotoru vůči statoru a daíších konstrukčních prvků. Při použití invertoru polovodičového je třeba uložit vinutí kotvy na stator a rotor je konstruován jako magnetový systém, který je řešen tak, aby nebylo třeba používat kluzných mechanických kontaktů pro přívod elektrické energie do rotoru. Magnetový systém tak vytváří základní magnetický tok stroje a u těchto bezkontaktních motorů je tohoto efektu dosaženo nejsnáze pomocí permanentních magnetů uložených v rotoru.

S postupným zaváděním nových technologií výroby a obrábění feromagnetických materiálů byly odstraněny technické potíže při realizaci rotačních částí elektromotorů a zejména v ustavení permanentních magnetů v rotorech, které byly minulými technickými prostředky’ limitovány otáčkami do lOOm/s z důvodů obtížného vyváženi a nepřesnostmi při jejich výrobě. Současné technologie dovolují vytvořit rotační Části s velmi přesným ustavením permanentních megnetů v rotoru a je možné vytvořit rotační část elektromotoru se střídavě orientovanými magnetickými zónami v homogenním tělese jako celku s velmi přesným ohraničením dělící roviny magnetických pólů. Toto přesné provedené rotorů následně umožňuje aplikaci vysokovýkonných elektronických řídících jednotek a řídících a regulačních systémů pro bezkomutátorové motory středních a vyšších výkonů. Bylo tak podstatně rozšířeno pásmo využití bezkomutátorových motorů v oblastech, které byly v minulosti problematické.

• 0

W—· •

• 0 * 0 0 · 0*0 «9 0999 • 99*

9 0 *

0 0 0

9*

Ovládací jednotky stávajících řešení využívají transistorových a tyristorových obvodů, které spočívají v sériovém zapojení kotvy s výkonným tranzistorem řízeným do báze pres pomocný zesilovač z výstupu polohového snímače. Zesilovač obsahuje jeden či vice tranzistorů a tento počet je odvislý od požadovaného výkonu, který je schopen dodat snímač. Jako nejvýhodnější se osvědčují nepříliš výkonné snímače, jejichž použití vede k poměrně vysoké celkové účinnosti motoru a malým rozměrům celého zařízení.. Existuje též dvoucestné napájení vinutí zapojeného do můstkového obvodu sestávajícího ze čtyř tranzistorů řízených opět pomocným zesilovačem a nebo přímo snímačem polohy. Toto dvoucestné napájení však přináší komplikace v obvodu, vede ke zvýšení počtu použitých součástí, což snižuje spolehlivost a je instalováno jen u strojů nízkých výkonů.

Další nevýhodou stávajících provedení je časté používání kapacitních snímačů zapojených do zpětnovazebního obvodu kmitočtového generátoru, což sice odstraňuje pomocný zesilovač, avšak kapacitní snímač musí být opatřen vlastním generátorem, což obvod komplikuje a navíc je požadováno přesného navržení obvodu s ohledem na parazitní kapacity přívodů zkreslujících přesnost celého zařízení.

Cílem vynálezu tudíž zůstává požadavek na vytvoření takové řídící jednotky, která by byla univerzálně použitelná pro velký výkonový rozsah bezkomutátorových elektromotorů s vysokou účinností a minimální poruchovostí.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody ve velké míře odstraňuje a účel vynálezu splňuje zapojení řídící jednotky bezkomutátorového elektromotoru, zejména pro elektrovýzbroj motorových vozidel, sestávající ze snímačů polohy rotoru a vzájemně propojených spínacích prvků s mnohofázovým uzavřeným vinutím statoru a binárního dekodéru podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že na první vstup binárního dekodéru a druhý vstup binárního dekodéru opatřeného vstupem pulzního řízení výkonu stroje je připojen první snímač polohy rotoru a druhý snímač polohy rotoru, přičemž na první výstup binárního dekodéru je napojen první spínací prvek a sedmý spínací prvek, na druhý výstup binárního dekodéru je napojen druhý spínací prvek a osmý spínací prvek, na třetí výstup binárního dekodéru je napojen třetí spínací prvek a pátý' spínací prvek a na čtvrtý výstup binárního dekodéru je napojen čtvrtý spínací prvek a šestý spínací prvek a přičemž první spínací prvek, druhý spínací prvek, třetí spínací prvek a čtvrtý spínací prvek jsou napojeny na kladný pól stejnosměrného zdroje a pátý spínací prvek, šestý spínací prvek, sedmý spínací prvek a osmý spínací prvek jsou napojeny na záporný pól stejnosměrného zdroje a přičemž mezi první spínací prvek a pátý spínači prvek, mezi druhý spínací prvek a šestý spínací prvek, mezi třetí spínací prvek a sedmý spínací prvek a mezi čtvrtý spínací prvek a osmý spínací prvek je napojeno mnohofázové uzavřené vinutí statoru.

Podle vynálezu se ukazuje zapojení řídící jednotky s možným použitím jak pro bezkomutátorové elektromotory s vnitrním statorem, tak i pro elektromotory se statorem vnějším, což přináší výhody univerzálního využití. S výhodou je upřednostněno provedení s rotorem vnějším opatřeným permanentními magnety a rotujícím okolo pevného statoru s vinutím, neboť jsou lépe ustaveny setrvačné hmoty stroje, což zklidňuje jeho chod a zvyšuje jeho cyklickou pravidelnost v každém režimu otáčení. Provedení podle vynálezu umožňuje využití standardní technologie výroby motorů pro komutátorové stroje s použitím stejných profilů pro jádro a stejný systém vinutí. Využití v-šech cívek vinutí statoru v každém komutačním cyklu v součinností s velmi přesně definovaným okamžikem přepnutí polarity a změny magnetického toku umožňuje dosažení vysoké účinnosti stroje při minimálních rozměrech pro daný výkon. Při tomto provedení je odstraněno rušení vznikající jiskřením na komutátoru a lze využít velmi účinnou pulzní regulaci výkonu za minimálních ztrát. Využití zapojení podle vynálezu se nabízí pro elektromotory středních a vyšších výkonů, především v oblasti elektrovýzbroje motorových vozidel, průmyslové a dopravní techniky' apod. Na rotačm část stroje lze konstrukčně snadno aplikovat sběrné místo točivého momentu a převodových zařízení, která lze využít u autoventilace, stěračových systémů a v jiných místech vozidel, kde je požadavek na plynulý a nehlučný chod zařízení s možností plynulé regulace a možností odběru vysokého točivého momentu při nízkých otáčkách stroje včetně jeho plynulého rozběhu. Zařízení podle vynálezu též vykazuje významnou úsporu elektrické energie, neboť zařízení neobsahuje ztrátová přechodová místa a odebírá si energie právě tolik, kolik v okamžitém režimu potřebuje.

Přehled obrázků na výkresech

Na připojeném obr. 1 je schematicky znázorněn příklad zapojení řídící jednotky' bezkomutátorového elektromotoru podle vynálezu, na obr. 2 je znázorněno provedení elektromotoru s vnějším rotorem, na obr. 5 je schematicky znázorněno provedení

9 9 9 9 9 -9 9 φ 9 9 9 9 9 · · ·

9» ·· 9« 99·· ·· ·· elektromotoru s vnitřním rotorem a obr. 4 až obr. 9 představuje model komutačních pochodů bezkomutátorového stroje s vnějším rotorem s vyznačeným komutačním úhlem.

Příklad provedení vynalezu

Na obr. 1 je schematicky znázorněno zapojení řídící jednotky bezkomutátorového elektromotoru středních výkonů, kde je patrný binární dekodér 3 opatřený vstupem 15 pulzního řízení výkonu stFoje. Na první vstup A binárního dekodéru 3 a na druhý vstup B binárního dekodéru 3 je napojen první snímač I polohy rotoru a druhý snímač 2 polohy rotoru. Tyto snímače jsou v daném konkrétním případě tvořeny optočlenem, jehož tok je přerušován vhodným stínítkem umístěným na rotační části stroje. Na první výstup I' binárního dekodéru 3 je napojen první spínací prvek 4 a sedmý spínací prvek 10 . Na druhý výstup 2' binárního dekodéru 3 je napojen druhý spínací prvek 5 a osmý spínací prvek JT , na třetí výstup 3' binárního dekodéru 3 je napojen třetí spínací prvek 6 a pátý spínací prvek 8 a na čtvrtý výstup 4' binárního dekodéru 3 je napojen čtvrtý spínací prvek 7 a šestý spínací prvek . První spínací prvek 4, druhý spínací prvek 5, třetí spínací prvek 6 a čtvrtý spínací prvek 7 jsou napojeny na kladný pól 13 stejnosměrného zdroje a pátý' spínací prvek 8 , šestý spínací prvek 9 , sedmý spínací prvek 10 a osmý spínací prvek Π. jsou napojeny na záporný pól 14 stejnosměrného zdroje. Nápojem mnohofázového uzavřeného vinutí 12 statoru je provedeno mezi prvním spínacím prvkem 4 a pátým spínacím prvkem 8, mezi drahým spínacím prvkem 5 a šestým spínacím prvkem 9 , mezi třetím spínacím prvkem 6 a sedmým spínacím prvkem a mezi čtvrtým spínacím prvkem 7 a osmým spínacím prvkem TI . Všechny spínací prvky jsou výkonové.

Na obr. 2 je znázorněn ve schematickém příčném řezu motor s vnějším rotorem, kde rotor je tvořen feromagnetickým pláštěm 16, na jehož vnitřní ploše jsou radiálně připevněny permanentní magnety 17 obklopující stator 18 motoru s vnějším rotorem, který' je opatřen mnohofázovým uzavřeným vinutím J2 statoru. Současně je zde vyznačena magnetická orientace S severní a magnetická orientace J jižní. Obr. 3 představuje provedení motoru s vnitřním rotorem, kde je patrno válcové těleso 19 tvořené z permanentních magnetů, a které je obklopeno statorem 18' motoru s vnitřním rotorem opatřeným mnohofázovým vnitřním uzavřeným vinutím 12 statoru.

4

4 4 4 4 4 ·

4 4 4 4 4 4 «4 44 44 4444

4 4 · * 4 4 4

4 4 4

4« ··

Na obr. 4 až obr. 9 je schematicky znázorněn model prvních třech komutačních pochodů z výchozí polohy a víchozí polarizace z celkových pěti komutačních pochodů, přičemž pátá komutace se nachází ve shodné konfiguraci s komutací první, což výsledně odpovídá jedné otáčce rotoru ve směru s otáčení. Dělící rovina ρ magnetických pólů odpovídá nastavené úrovni prvního a druhého snímačej>olohy rotoru s vyznačeným komutačním úhlem (£, v jehož konfiguraci dochází k přepnutí elektrické polarizace. Čtvrtá a pátá komutace není zakreslena.

Funkce obvodu podle vynálezu spočívá v tom, že na první vstup A binárního dekodéru 3 a druhý vstup B binárního dekodéru 3 je připojen první snímač χ polohy rotoru a druhý snímač 2 polohy rotoru, kteFé jsou umístěny tak, aby jejich výstupy měnily úroveň vždy při otočení rotoru o 180° a zároveň s výhodou vzájemně svíraly úhel 90° tak, aby kombinace obou výstupních signálů z prvního snímače χ polohy rotoru a druhého snímače 2 polohy rotoru se měnila vždy po otočení rotoru o 90°.

Podle kombinace úrovní na prvním vstupu A binárního dekodéru 3 a na druhém vstupu B binárního dekodéru 3 je vždy aktivní buď první výstup X' , druhý výstup 2' , třetí výstup 3' nebo čtvrtý výstup 4' binárního dekodéru 3 . Aktivní výstup binárního dekodéru 3 způsobí sepnutí k němu připojeného právě odpovídajícího prvního až osmého spínacího prvku 4, 5, 6,

9, 10, 11 , který zajišťuje komutaci proudu v mnohofázovém uzavřeném vinutí Γ2 statoru. Např. aktivní první výstup X' binárního dekodéru 3 způsobí sepnutí prvního spínacího prvku 4 a sedmého spínacího prvku χθ . Ostatní spínací prvky jsou v tomto okamžiku rozepnuty.

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   Zapojení řídící jednotky bezkomutátorového elektromotoru, zejména pro elektrovýzbroj motorových vozidel, sestávající ze snímačů polohy rotora a vzájenmě propojených spínacích prvků s mnohoíazovým uzavřeným vinutím statoru a binárním dekodérem, vyznačující se tím , že na první vstup (A) binárního dekodéru (3) a druhý vstup (B) binárního dekodéru (3) opatřeného vstupem (15) pulzního řízení výkonu stFOje je připojen první snímač (1) polohy rotora a drahý snímač (2) polohy rotora, přičemž na první výstup (1) binárního dekodéru (3) je napojen první spínací prvek (4) a sedmý spínací prvek (10), na drahý výstup (2') binárního dekodéru (3) je napojen drahý spínací prvek (5) a osmý spínací prvek (11), na třetí výstup (3 ) binárního dekodéru (3) je napojen třetí spínací prvek (6) a pátý spínací prvek (8) a na čtvrtý výstup (4 ) binárního dekodéru (3) je napojen čtvrtý spínací prvek (7) a šestý spínací prvek (9) a přičemž první spínací prvek (4), drahý spínací prvek (5), třetí spínací prvek (6) a čtvrtý spínací prvek (7) jsou napojeny na kladný pól (13) stejnosměrného zdroje a pátý spínací prvek (8), šestý spínací prvek (9), sedmý spínací prvek (10) a osmý spínací prvek (11) jsou napojeny na záporný pól (14) stejnosměrného zdroje a přičemž mezi první spínací prvek (4) a pátý spínací prvek (8), mezi drahý spínací prvek (5) a šestý spínací prvek (9), mezi třetí spínací prvek (6) a sedmý spínací prvek (10) a mezi čtvrtý spínací prvek (7) a osmý spínací prvek (11) je napojeno mnohofázové uzavřené vinutí (12) statoru.