RU124082U1

RU124082U1 - Brushless DC Motor

Info

Publication number: RU124082U1
Application number: RU2012118964/07U
Authority: RU
Inventors: Шамсумухамет Исламович Вафин
Priority date: 2012-05-05
Filing date: 2012-05-05
Publication date: 2013-01-10

Abstract

Бесколлекторный двигатель постоянного тока, содержащий статор с парой полюсов, на которых размещены обмотки возбуждения, якорь с якорными обмотками, закрепленный на валу двигателя, который соединен с валом механической нагрузки, подключенной к источнику переменного тока, контактное устройство, выполненное в виде двух сплошных проводящих контактных колец с неподвижно установленными на них токосъемными скользящими щетками, которые подключены к источнику постоянного тока, отличающийся тем, что в него введен блок управления с мостовыми инверторами тока возбуждения, источником постоянного тока и пакетом программ управления работой двигателя, на паре полюсов статора размещены две автономные независимые друг от друга первая и вторая обмотки возбуждения, соединенные с блоком управления, который подключен к механической нагрузке, причем на якоре также размещены две автономные независимые друг от друга первая и вторая якорные обмотки, при этом начало первой и второй якорных обмоток присоединено к первому сплошному проводящему контактному кольцу, а конец первой и второй якорных обмоток присоединен ко второму сплошному проводящему контактному кольцу, причем блок управления выполнен с возможностью управления переключением полярности постоянного тока в обмотках возбуждения в зависимости от нахождения якорных обмоток в верхнем или нижнем положении.A brushless DC motor containing a stator with a pair of poles on which the field windings are located, an anchor with anchor windings, mounted on the motor shaft, which is connected to a mechanical load shaft connected to an AC source, a contact device made in the form of two solid conductive contact rings with motionless sliding brushes fixed on them, which are connected to a direct current source, characterized in that a control unit with bridge and excitation current inverters, a direct current source and a program package for controlling the operation of the motor, on a pair of stator poles there are two autonomous first and second field windings independent of each other, connected to a control unit that is connected to a mechanical load, and two autonomous independent from each other, the first and second anchor windings, with the beginning of the first and second anchor windings connected to the first continuous conductive contact ring, and the end of the first and second The windings are connected to a second continuous conductive contact ring, the control unit being configured to control the switching of direct current polarity in the field windings depending on whether the armature windings are in the upper or lower position.

Description

Полезная модель относится к области электрических машин постоянного тока и может быть использована в качестве электрического двигателя на промышленных предприятиях для привода металлорежущих станков и т.п., в крановых, транспортных механизмах, электрическом железнодорожном транспорте, а также на других видах электрического транспорта.The utility model relates to the field of electric DC machines and can be used as an electric motor in industrial enterprises for the drive of metal-cutting machines, etc., in crane, transport mechanisms, electric railway transport, as well as other types of electric transport.

Наиболее близким техническим решением является генератор постоянного тока по патенту РФ №2396676, МПК Н02К 23/26, Н02К 23/68, 10.08.2010, содержащий статор с полюсами, на которых размещены обмотки возбуждения, якорь с якорной обмоткой, закрепленный на валу генератора, который соединен с валом приводного синхронного двигателя, подключенного к источнику переменного напряжения, контактное устройство, выполненное в виде двух проводящих сплошных контактных колец, с неподвижно установленными на них токосъемными скользящими щетками, при этом к одному из проводящих контактных колец присоединено начало якорной обмотки, а ко второму проводящему контактному кольцу подключен конец якорной обмотки, причем обмотки возбуждения генератора подключены к источнику переменного напряжения.The closest technical solution is a direct current generator according to the patent of the Russian Federation No. 2396676, IPC Н02К 23/26, Н02К 23/68, 08/10/2010, containing a stator with poles on which the field windings are located, an anchor with an anchor winding, mounted on the generator shaft, which is connected to the shaft of a synchronous drive motor connected to an AC voltage source, a contact device made in the form of two conductive continuous contact rings, with slip collector brushes fixedly mounted on them, while to one of odyaschih top contact rings connected armature winding, and the second conductive slip ring connected to the end of the armature winding, the alternator excitation winding connected to an alternating voltage source.

Данный генератор может быть преобразован в бесколлекторный двигатель постоянного тока при выполнении следующих изменений.This generator can be converted to a brushless DC motor with the following changes.

1. Вместо приводного двигателя подключается механическая нагрузка.1. Instead of a drive motor, a mechanical load is connected.

2. От внешнего источника питания на якорную обмотку подается постоянный токе напряжением U_С сети.2. From an external power source, a constant current voltage U _{C of the} network is supplied to the armature winding.

3. Путем введения дополнительного преобразователя переменного напряжения в постоянное на обмотки возбуждения подается постоянное напряжение U_В возбуждения.3. By introducing an additional converter of alternating voltage into direct current, a constant excitation voltage U _B is supplied to the field windings.

Недостатком такого двигателя является его невысокая мощность из-за невысокого значения электродвижущей силы (ЭДС) в результате пульсаций постоянного тока в обмотках возбуждения.The disadvantage of this motor is its low power due to the low value of the electromotive force (EMF) as a result of ripple DC in the field windings.

Задачей полезной модели является повышение мощности за счет сглаживания пульсаций постоянного тока возбуждения.The objective of the utility model is to increase power by smoothing the ripple of the direct current excitation.

Технический результат достигается тем, что в бесколлекторный двигатель постоянного тока, содержащий статор с парой полюсов, на которых размещены обмотки возбуждения, якорь с якорными обмотками, закрепленный на валу двигателя, который соединен с валом механической нагрузки, подключенной к источнику переменного тока, контактное устройство, выполненное в виде двух сплошных проводящих контактных колец с неподвижно установленными на них токосъемными скользящими щетками, которые подключены к источнику постоянного тока согласно заявляемой полезной модели, введен блок управления с мостовыми инверторами тока возбуждения, источником постоянного тока и пакетом программ управления работой двигателя, на паре полюсов статора размещены две автономные, независимые друг от друга, первая и вторая обмотки возбуждения, соединенные с блоком управления, который подключен к механической нагрузке, причем на якоре также размещены две автономные, независимые друг от друга, первая и вторая якорные обмотки, при этом начало первой и второй якорных обмоток присоединено к первому сплошному проводящему контактному кольцу, а конец первой и второй якорных обмоток присоединено ко второму сплошному проводящему контактному кольцу, причем блок управления выполнен с возможностью управления переключением полярности постоянного тока в обмотках возбуждения в зависимости от нахождения якорных обмоток в верхнем или нижнем положениях.The technical result is achieved by the fact that in a brushless DC motor containing a stator with a pair of poles on which the field windings are located, an armature with anchor windings mounted on a motor shaft that is connected to a mechanical load shaft connected to an AC source, a contact device, made in the form of two continuous conductive contact rings with motionless slip brushes fixed to them, which are connected to a direct current source according to the claimed of the utility model, a control unit with bridge inverters of the excitation current, a direct current source and a program package for controlling the operation of the motor is introduced, two autonomous, independent from each other, first and second field windings connected to a control unit connected to a mechanical load, moreover, at the anchor there are also two autonomous, independent from each other, first and second anchor windings, while the beginning of the first and second anchor windings is connected to the first continuous the lead contact ring, and the end of the first and second anchor windings is connected to the second continuous conductive contact ring, the control unit being configured to control the switching of DC polarity in the field windings depending on whether the anchor windings are in the upper or lower positions.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена электрическая схема предлагаемого бесколлекторного двигателя постоянного тока, на фиг.2, 3 показаны положения якоря двигателя, на котором расположены первая и вторая якорные обмотки, а именно, на фиг.2 - при верхнем и нижнем положениях, соответственно, первой и второй якорных обмоток, когда угол поворота якоря равен 90°, на фиг.3 - при нижнем и верхнем положениях, соответственно, первой и второй якорных обмоток, когда угол поворота якоря равен 270°, на фиг.4 - зависимость ЭДС (е) от угла поворота якоря (α).The essence of the utility model is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows the electrical diagram of the proposed brushless DC motor, Figs. 2, 3 show the positions of the motor armature on which the first and second armature windings are located, namely, in Fig. 2, at the top and the lower positions, respectively, of the first and second anchor windings, when the angle of rotation of the armature is 90 °, Fig. 3 - with the lower and upper positions, respectively, of the first and second anchor windings, when the angle of rotation of the armature is 270 °, in Fig. 4 - dependence of EMF (e) o t of the angle of rotation of the anchor (α).

Цифрами на фиг.1, 2, 3 обозначены:The numbers in figures 1, 2, 3 are indicated:

1 - статор,1 - stator

2 - пара полюсов,2 - a pair of poles,

3а - первая обмотка возбуждения,3a - the first field winding,

3б - вторая обмотка возбуждения,3b - second field winding,

4 - якорь,4 - anchor,

5а - первая якорная обмотка,5a - the first anchor winding,

5б - вторая якорная обмотка,5b - the second anchor winding,

6 - контактное устройство,6 - contact device

7 - вал двигателя,7 - motor shaft,

8 - первое сплошное проводящее контактное кольцо,8 - the first continuous conductive contact ring,

9 - второе сплошное проводящее контактное кольцо,9 - the second continuous conductive contact ring,

10 - токосъемная скользящая щетка первого проводящего контактного кольца,10 - slip collector brush of the first conductive contact ring,

11 - токосъемная скользящая щетка второго проводящего контактного кольца,11 - slip collector brush of the second conductive contact ring,

12 - источник постоянного тока,12 is a constant current source,

13 - механическая нагрузка,13 - mechanical load

14 - вал механической нагрузки,14 - shaft mechanical load,

15 - источник переменного тока,15 is an AC source,

16 - блок управления.16 - control unit.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока содержит статор 1 с парой полюсов 2, на которых размещены обмотки возбуждения 3а и 3б, якорь 4 с якорными обмотками 5а и 5б, закрепленный на валу 7 двигателя, который соединен с валом 14 механической нагрузки 13, подключенного к источнику 15 переменного тока, а также контактное устройство 6, закрепленное на валу 7 двигателя. Контактное устройство 6 выполнено в виде двух сплошных проводящих контактных колец, первого 8 и второго 9. На сплошных проводящих контактных кольцах 8 и 9, соответственно, неподвижно установлены токосъемные скользящие щетки 10 и 11, которые подключены к источнику постоянного тока 12 и подают постоянное напряжение сети U_С, на якорные обмотки 5а и 5б.The DC brushless motor contains a stator 1 with a pair of poles 2, on which excitation windings 3a and 3b are located, an armature 4 with anchor windings 5a and 5b, mounted on the motor shaft 7, which is connected to the shaft 14 of the mechanical load 13 connected to the AC source 15 current, as well as a contact device 6, mounted on the shaft 7 of the engine. The contact device 6 is made in the form of two continuous conductive contact rings, the first 8 and second 9. On the solid conductive contact rings 8 and 9, respectively, slip collector brushes 10 and 11 are fixedly mounted, which are connected to a constant current source 12 and supply a constant mains voltage U _C , to the anchor windings 5a and 5b.

Отличием предлагаемого бесколлекторного двигателя постоянного тока является то, что в него введен блок 16 управления с мостовыми инверторами тока возбуждения, источником постоянного тока (на чертеже условно не показаны) и пакетом программ управления работой двигателя. Программа управления составляется заранее для заданного режима работы и в процессе работы бесколлекторного двигателя остается постоянной. На паре полюсов 2 статора 1 размещены две автономные, независимые друг от друга, обмотки возбуждения, соответственно, на одном полюсе первая 3а и на другом полюсе вторая 3б, управляемые, соответственно, первым и вторым мостовыми инверторами блока 16 управления. Каждая обмотка возбуждения 3а и 3б, токи в которых переключаются независимыми первым и вторым мостовыми инверторами тока возбуждения, включена в полнотактную схему преобразования, которая управляет направлением тока в обмотке возбуждения в зависимости от места нахождения якорных обмоток 5а и 5б - в верхней или нижней части ротора, т.е. в блоке 16 управления первый мостовой инвертор управляет направлением тока в первой обмотке возбуждения 3а в зависимости от места нахождения первой якорной обмотки 5а, а второй мостовой инвертор управляет направлением тока во второй обмотке возбуждения 3б в зависимости от места нахождения второй якорной обмотки 5б.The difference of the proposed brushless DC motor is that it contains a control unit 16 with bridge inverters of the excitation current, a direct current source (not shown conventionally in the drawing) and a program package for controlling the operation of the motor. The control program is prepared in advance for a given operating mode and remains constant during the operation of the brushless motor. On a pair of poles 2 of the stator 1 there are two autonomous excitation windings independent of each other, respectively, at one pole the first 3a and at the other pole the second 3b, controlled, respectively, by the first and second bridge inverters of the control unit 16. Each field winding 3a and 3b, the currents of which are switched by the independent first and second bridge inverters of the field current, is included in a full-cycle conversion circuit that controls the direction of the current in the field winding depending on the location of the armature windings 5a and 5b in the upper or lower part of the rotor , i.e. in the control unit 16, the first bridge inverter controls the direction of the current in the first field winding 3a depending on the location of the first armature winding 5a, and the second bridge inverter controls the direction of the current in the second field winding 3b depending on the location of the second armature winding 5b.

Мостовые инверторы блока 16 управления питают обмотки возбуждения 3а и 3б постоянным током, меняющим свою полярность с положительной полярности на отрицательную через 180° по программе, установленной в блоке 16 управления. С вала 7 двигателя информация об угле положения вала передается в блок 16 управления, где по результатам этой информации осуществляется управление токами обмоток 3а и 3б возбуждения, а также общее управление режимами работы двигателя. На якоре 4 также размещены две автономные, независимые друг от друга, первая 5а и вторая 5б якорные обмотки, разнесенные на 180°, т.е. они разнесены равномерно друг от друга на 90° от начала и конца каждой обмотки. Начало первой 5а и второй 5б якорных обмоток присоединено к первому сплошному проводящему контактному кольцу 8, а конец первой 5а и второй 5б якорных обмоток присоединен ко второму сплошному проводящему контактному кольцу 9, т.е. якорные обмотки 5а и 5б соединяются параллельно и ток нагрузки повышается до двух раз, а мощность на выходе повышается в два раза. Механической нагрузкой 13 двигателя может быть привод металлорежущего станка. Блок 16 управления подключен к включателю механической нагрузки 13. Блок 16 управления выполнен с возможностью управления переключением полярности постоянного тока в обмотках 3а и 3б возбуждения в зависимости от нахождения якорных обмоток 5а и 5б в верхнем или нижнем положениях.The bridge inverters of the control unit 16 supply the excitation windings 3a and 3b with direct current, changing their polarity from positive to negative through 180 ° according to the program installed in the control unit 16. From the motor shaft 7, information about the angle of the shaft position is transmitted to the control unit 16, where according to the results of this information, the currents of the field windings 3a and 3b are controlled, as well as the general control of the engine operation modes. At anchor 4 there are also two autonomous, independent from each other, the first 5a and second 5b anchor windings, spaced 180 °, i.e. they are spaced evenly apart 90 ° from the beginning and end of each winding. The beginning of the first 5a and second 5b anchor windings is connected to the first continuous conductive contact ring 8, and the end of the first 5a and second 5b anchor windings is attached to the second continuous conductive contact ring 9, i.e. the anchor windings 5a and 5b are connected in parallel and the load current rises to two times, and the output power rises twice. The mechanical load 13 of the engine may be the drive of a metal cutting machine. The control unit 16 is connected to the mechanical load switch 13. The control unit 16 is configured to control switching the direct current polarity in the field windings 3a and 3b depending on the location of the anchor windings 5a and 5b in the upper or lower positions.

Рассмотрим работу бесколлекторного двигателя постоянного тока.Consider the work of a brushless DC motor.

На вход двигателя со щеток 10 и 11, подключенных к источнику постоянного тока 12 и контактирующих со сплошными проводящими контактными кольцами 8 и 9, подается постоянное напряжение U_С. При включении двигателя, переменное напряжение от источника 15 поступает на включение механической нагрузки 13. Вал 14 механической нагрузки 13 начинает вращаться против часовой стрелки с установившейся частотой. Так как число пар полюсов двигателя равно единице, вал 14 механической нагрузки 13 и, соединенный с ним, вал 7 двигателя совершают один оборот за период «Т». При этом за один оборот якоря 4 изменяется направление тока в обмотках возбуждения (3а и 3б), и происходит смена полярности полюсов 2. При этом постоянство полярности ЭДС, индуктируемой под действием магнитного поля полюсов 2 в якорных обмотках 5а и 5б при вращении якоря 4, обеспечивается следующим образом. В первой половине оборота якоря 4, например, при угле равном 90° (фиг.2), щетка 10, соприкасающаяся с первым сплошным проводящим контактным кольцом 8, соединенным с началом первой 5а и второй 5б якорных обмоток, имеет положительный потенциал, вследствие того, что к этой щетке подводится ток от активной стороны якорной обмотки 5а, расположенной под полюсом N, щетка 11 в этот момент времени имеет отрицательный потенциал. При угле поворота якоря 4 равном 270° (фиг.3), когда активные стороны якорных обмоток 5а и 5б поменялись местами, полярность щеток 11 и 10 остается неизменной, так как при нижнем положении активной стороны якорной обмотки 5а и верхнем положении активной стороны якорной обмотки 5б, нижний полюс меняет свою полярность с S на N, а верхний с N на S. В результате полярность ЭДС, индуктируемой в якорных обмотках 5а и 5б при вращении якоря 4, сохраняется постоянной (фиг.4). Блок 16 с мостовыми инверторами тока возбуждения, источником постоянного тока и пакетом программ управления работой двигателя управляет запуском двигателя, механической нагрузки 13 и токами возбуждения двигателя.At the motor input from the brushes 10 and 11, connected to a constant current source 12 and in contact with the solid conductive contact rings 8 and 9, a constant voltage U _C is applied. When you turn on the engine, an alternating voltage from the source 15 is supplied to turn on the mechanical load 13. The shaft 14 of the mechanical load 13 starts to rotate counterclockwise with a steady frequency. Since the number of pairs of motor poles is equal to unity, the shaft 14 of the mechanical load 13 and, connected to it, the shaft 7 of the motor make one revolution for the period "T". In this case, the direction of the current in the field windings (3a and 3b) changes during one revolution of the armature 4, and the polarity of the poles 2 changes. Moreover, the polarity of the EMF induced by the magnetic field of the poles 2 in the armature coils 5a and 5b changes when the armature 4 rotates, provided as follows. In the first half of the rotation of the armature 4, for example, at an angle equal to 90 ° (Fig. 2), the brush 10 in contact with the first continuous conductive contact ring 8 connected to the beginning of the first 5a and second 5b anchor windings has a positive potential, due to that a current is supplied to this brush from the active side of the armature winding 5a located under the pole N, the brush 11 at this point in time has a negative potential. When the angle of rotation of the armature 4 is 270 ° (Fig. 3), when the active sides of the armature windings 5a and 5b are reversed, the polarity of the brushes 11 and 10 remains unchanged, since at the lower position of the active side of the armature winding 5a and the upper position of the active side of the armature winding 5b, the lower pole changes its polarity from S to N, and the upper one from N to S. As a result, the polarity of the EMF induced in the armature windings 5a and 5b when the armature 4 rotates remains constant (Fig. 4). Block 16 with bridge inverters of the excitation current, a constant current source, and a program package for controlling the operation of the engine controls the starting of the engine, the mechanical load 13, and the excitation currents of the engine.

При запуске двигателя и механической нагрузки 13 одновременно включаются первый и второй мостовые инверторы (на чертеже условно не показаны) блока 16 управления, которые питают обмотки 3а и 3б возбуждения постоянным током. Токи возбуждения в первой 3а и второй 3б обмотках возбуждения, наводят ЭДС, соответственно, в первой 5а и второй 5б якорных обмотках. Токи в первой 3а и второй 3б обмотках возбуждения имеют такие направления, что ЭДС совпадают с полярностями в начале первой 5а и второй 5б якорных обмоток. На фиг.2 в первой половине оборота якоря 4, при угле равном 90°, первая 5а и вторая 5б якорные обмотки находятся, соответственно, в верхнем и нижнем положениях вала ротора двигателя. Далее, с перемещением вала 7 двигателя еще на 180° (фиг.3) мостовые инверторы блока 16 управления вызывают токи возбуждения в обмотках 3а и 3б возбуждения, но обратной полярности. Постоянный ток возбуждения меняет свою полярность (с положительной полярности на отрицательную полярность) через 180° в соответствии с программой управления работы двигателя. Эти токи возбуждения в первой 3а и второй 3б обмотках возбуждения, наводят ЭДС, соответственно, в первой 5а и второй 5б якорных обмотках, совпадающие с ранее возбужденными полярностями.When starting the engine and mechanical load 13, the first and second bridge inverters (not shown conventionally) are simultaneously turned on at the control unit 16, which supply direct current excitation windings 3a and 3b. The excitation currents in the first 3a and second 3b excitation windings induce an EMF, respectively, in the first 5a and second 5b anchor windings. The currents in the first 3a and second 3b field windings have such directions that the emf coincide with the polarities at the beginning of the first 5a and second 5b of the armature windings. In figure 2, in the first half of the rotation of the armature 4, at an angle of 90 °, the first 5a and second 5b anchor windings are, respectively, in the upper and lower positions of the rotor shaft of the motor. Further, with the movement of the motor shaft 7 by another 180 ° (FIG. 3), the bridge inverters of the control unit 16 cause excitation currents in the excitation windings 3a and 3b, but of reverse polarity. The direct excitation current changes its polarity (from positive polarity to negative polarity) through 180 ° in accordance with the engine operation control program. These excitation currents in the first 3a and second 3b excitation windings induce an EMF, respectively, in the first 5a and second 5b anchor windings, which coincide with previously excited polarities.

Так как на якоре 4 размещены две автономные, независимые друг от друга, первая 5а и вторая 5б якорные обмотки, разнесенные на 180° (они разнесены равномерно друг от друга на 90° от начала и конца каждой обмотки), выходная ЭДС двигателя получается без пульсаций, такой, как она представлена на фиг.4 (без учета потерь в обмотке якоря, которой можно пренебречь).Since at anchor 4 there are two autonomous, independent from each other, the first 5a and second 5b anchor windings spaced 180 ° (they are spaced evenly from each other 90 ° from the beginning and end of each winding), the output motor EMF is obtained without ripple , such as it is presented in figure 4 (excluding losses in the winding of the armature, which can be neglected).

Использование заявляемой полезной модели позволит, по сравнению с прототипом, повысить мощность двигателя за счет введения в него блока управления с мостовыми инверторами, источником постоянного тока и пакетом программ управления работой генератора, размещения на полюсах статора двух автономных, независимых друг от друга, первой и второй обмоток возбуждения, управляемых двумя независимыми первым и вторым мостовыми инверторами, размещения на якоре двух автономных, независимых друг от друга, первой и второй якорных обмоток, разнесенных на 180°, выполнения блока управления с возможностью управления переключением полярности постоянного тока в первой и второй обмотках возбуждения в зависимости от нахождения первой и второй якорных обмоток в верхнем или нижнем положениях.Using the claimed utility model will allow, in comparison with the prototype, to increase engine power by introducing into it a control unit with bridge inverters, a direct current source and a package of programs for controlling the operation of the generator, the placement of two autonomous, independent of each other, the first and second at the poles of the stator field windings controlled by two independent first and second bridge inverters, placing at anchor two autonomous, independent from each other, first and second anchor windings spaced 180 °, the execution of the control unit with the ability to control the switching of the polarity of the direct current in the first and second field windings depending on the location of the first and second armature windings in the upper or lower positions.

Claims

A brushless DC motor containing a stator with a pair of poles, on which the field windings are located, an anchor with anchor windings, mounted on the motor shaft, which is connected to a mechanical load shaft connected to an AC source, a contact device made in the form of two continuous conductive contact rings with motionless sliding brushes fixed on them, which are connected to a direct current source, characterized in that a control unit with bridge and excitation current inverters, a direct current source and a program package for controlling the operation of the motor, on a pair of stator poles there are two autonomous first and second field windings independent of each other, connected to a control unit that is connected to a mechanical load, and two autonomous independent from each other, the first and second anchor windings, with the beginning of the first and second anchor windings connected to the first continuous conductive contact ring, and the end of the first and second The windings are connected to a second continuous conductive contact ring, the control unit being configured to control the switching of direct current polarity in the field windings depending on whether the armature windings are in the upper or lower position.