PL182603B1

PL182603B1 - Silnik elektryczny z komutacją elektroniczną

Info

Publication number: PL182603B1
Application number: PL97328636A
Authority: PL
Inventors: Filippis Pietro De
Original assignee: Bitron Spa
Priority date: 1996-03-01
Filing date: 1997-02-26
Publication date: 2002-02-28
Also published as: BR9707815A; CN1070658C; US6163122A; ITTO960148A0; WO1997032390A1; PL328636A1; JP2000505640A; IT1285280B1; DE69727553D1; TR199801689T2; DE69727553T2; EP0883926B1; CA2247832A1; EP0883926A1; ES2216127T3; CA2247832C; JP3889445B2; ITTO960148A1; ATE259553T1; CN1207217A

Abstract

1. Silnik elektryczny z komutacja elektro- niczna, zawierajacy pojedynczy stojan i po- jedynczy wirnik, znamienny tym, ze ma dwa podzespoly (M1 , M2 ) polaczone rów- nolegle, a kazdy z podzespolów (M 1 , M2 ) ma dwa uzwojenia zlozone z szeregowego polaczenia indukcyjnosci (LF1 , LF 2 ), rezy- stancji (RF 1 , RF 2), indukowanej sily ele- ktromotorycznej (EF 1 , EF 2 ) i przelacznika (P1 , P2 ) oraz kazdy z podzespolów (M1 , M2 ) ma diode (D), której jeden z biegunów jest dolaczony do konca poszczególnego uz- wojenia, a pozostaly biegun jest dolaczony do jednego konca kondensatora (C). FIG 3 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest silnik elektryczny z komutacją elektroniczną.

Znane są urządzenia elektryczne z komutacją elektroniczną o dużej sprawności, które działają z modulacją impulsową i zwykle przy częstotliwościach ultradźwiękowych, z pobieraniem impulsów prądowych o bardzo drobnych pulsacjach. Bez zastosowania dużego filtru L-C w linii zasilającej, poziomy zakłócenia przewodzenia elektrycznego i promieniowania byłyby większe niż dopuszczone przez regulacje prądowe. W celu uproszczenia ten filtr zastępuje się przez filtr typu aktywnego, zdolny do odprowadzania prądu pobieranego przez silnik elektryczny z prądu baterii. Znane i szczególnie skuteczne, ze względu na konstrukcję i wydajność, jest włączenie, pomiędzy baterię i urządzenie elektryczne z komutacją elektroniczną, przetwornika zwiększającego prąd sterowany przy pomocy rezystora, na podstawie sygnału sterującego, dostarczanego z urządzenia elektrycznego z komutacją elektroniczną, porównywanego z sygnałem prędkości wejściowej. Przetwornik działa przy napięciu wyjściowym na kondensatorze większym niż napięcie baterii i w wyniku pobierania z baterii ciągłego prądu o stałej mocy zasilania, z drobnymi pulsacjami prądu tak małymi, jak jest to wymagane, uzyskiwanymi przez ustalenie wymiarów cewki indukcyjnej.

Istotą wynalazku jest to, że silnik elektryczny według wynalazku ma dwa podzespoły połączone równolegle, a każdy z podzespołów ma dwa uzwojenia złożone z szeregowego połączenia indukcyjności, rezystancji, indukowanej siły elektromotorycznej i przełącznika oraz każdy z podzespołów ma diodę, której jeden z biegunów jest dołączony do końca poszczególnego uzwojenia, a pozostały biegun jest dołączony do jednego końca kondensatora.

Korzystnym jest, że silnik elektryczny ma układ elektroniczny sterowania dołączony do przełączników.

Korzystnym jest, że pomiędzy dwoma sąsiednimi zębami stojana, wyposażonymi w uzwojenia, jest włączony element ferromagnetyczny bez uzwojeń.

Korzystnym jest, że do układu elektronicznego sterowania jest dołączony przekaźnik.

182 603

Korzystnym jest, że silnik elektryczny ma filtr L-C włączony pomiędzy źródło energii i pierwszy podzespół.

Korzystnym jest, że silnik elektryczny ma elektroniczny układ logiczny dołączony do pierwszego podzespołu.

Zaletą wynalazku jest uzyskanie skutecznego działania urządzenia elektrycznego z komutacją elektroniczną, przy pobieraniu prądu z baterii, przy znacznym uproszczeniu układu poprzez eliminację indukcyjności i przełącznika.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat elektryczny silnika elektrycznego znanego typu, fig. 2 - przebiegi prądu płynącego przez silnik elektryczny z fig. 1, fig. 3 - podstawowy schemat elektryczny silnika elektrycznego według wynalazku, fig. 4 i 5 - dwie struktury elektromagnetyczne tworzące silnik elektryczny według wynalazku, fig. 6 - szczególny schemat elektryczny silnika elektrycznego według wynalazku, fig. 7 - fazy sił elektromotorycznych silnika elektrycznego według wynalazku, fig. 8 - uproszczony schemat silnika elektrycznego, odpowiadający schematowi z fig. 6, fig. 9 - następny schemat elektryczny silnika elektrycznego według wynalazku, fig. 10 - schemat przebiegu pracy silnika elektrycznego, fig. 11 - schemat elektryczny silnika elektrycznego, wyposażonego w urządzenia zabezpieczające, fig. 12 i 13 następne schematy przebiegu pracy silnika elektrycznego i fig. 14 - schemat elektryczny dodatkowego układu silnika elektrycznego według wynalazku.

Figura 1 przedstawia schemat elektryczny silnika elektrycznego znanego typu, w którym pomiędzy baterię o napięciu V_b i urządzenie elektryczne z komutacją elektroniczną ECM jest włączony przetwornik CON zwiększający prąd sterowany przy pomocy rezystora R_FB, na podstawie sygnału sterującego Cfb dostarczanego z urządzenia elektrycznego z komutacją elektroniczną ECM. porównywanego z sygnałem prędkości wejściowej Vset, dostarczanym do układu elektronicznego sterowania CE. Przetwornik CON działa przy napięciu wyjściowym Vc na kondensatorze C większym niż napięcie Vb baterii i w wyniku pobierania z baterii ciągłego prądu o stałej mocy zasilania, z drobnymi pulsacjami prądu tak małymi, jak jest to wymagane, uzyskiwanymi przez ustalenie wymiarów cewki indukcyjnej L.

Figura 2 przedstawia przebieg prądu zasilającego^ z fig. 1, który pokazuje typowe czasy związane z działaniem, gdzie czas 1/T jest częstotliwością przełączania oraz czasy T_w) i T_wyłsą czasami włączania i wyłączania elektronicznego przełącznika P z fig. 1. Pokazane są także drobne pulsacje prądu nałożone na wartość średnią prądu zasilającegojb, a sumaryczny prąd zasilający j.b składa się z sumy prądu 1p oraz prądu i_D, przy czym ten ostatni jest całkowany przez kondensator C dla dostarczania prądu i₂ przy napięciu Vc na kondensatorze, które zasila urządzenie elektryczne z komutacją elektroniczną ECM.

Według wynalazku cewka indukcyjna L i przełącznik P z fig. 1 są scalone w urządzeniu elektrycznym z komutacją elektroniczną ECM. są sterowane i wymiarowane w celu dodania do podstawowej funkcji silnika elektrycznego, funkcji filtru aktywnego tak, żeby uzyskać całkowitą operacyjność układu z fig. 1.

Figura 3 przedstawia podstawowy schemat elektryczny silnika elektrycznego według wynalazku. Pierwszą cechą tego urządzenia elektrycznego z komutacją elektroniczną ECM jest to, że pracuje ono jako dwa podzespoły, których mechaniczne działanie jest łączone w tym samym wirniku urządzenia elektrycznego z komutacją elektroniczna ECM. natomiast elektrycznie działają one i są sterowane jako dwa oddzielne podzespoły. Pierwszy podzespół M1 jest zasilany przez baterię napięciem Vb, podczas gdy drugi podzespół M2 jest zasilany przez kondensator C ładowany do napięcia V). w wyniku działania podzespołu M1. Układ jest uzupełniony w szybkie diody D dołączone do kondensatora C. Sygnał prędkości wejściowej Vset i sygnały Hall z czujników położenia Halla są doprowadzane do układu elektronicznego sterowania ECU.

Drugą cechą urządzenia elektrycznego z komutacją elektroniczną ECM jest to, że w celu spełnienia także funkcji cewki indukcyjnej L i przełącznika P z fig. 1, podzespół M1 ma strukturę jednobiegunową z dwoma lub więcej uzwojeniami, zależnie od liczby określanych

182 603 faz i liczby uzwojeń zasilanych równolegle, ze sprzężeniem magnetycznym pomiędzy nimi tak małym, jak jest to możliwe. Indukcyjności uzwojeń i przełączniki P zapewniają Uinkcje cewki indukcyjnej L i przełącznika P z fig. 1.

Trzecią cechą urządzenia elektrycznego z komutacją elektroniczną ECM jest to, że podzespół M2 może mieć liczbę faz i uzwojeń różną niż podzespół M1, z dowolnym sprzężeniem magnetycznym pomiędzy nimi, lecz magnetycznie odsprzężonych od uzwojeń podzespołu M1.

Czwartą cechą urządzenia elektrycznego z komutacją elektroniczną ECM jest to, że zasilacz dla podzespołu M2 jest całkowicie niezależny od zasilacza dla podzespołu M1. Może być on więc typu jednobiegunowego, mostkowego, liniowego lub PWM i ma funkcję sterowania, na przykład sterowania sprzężeniem zwrotnym dla napięcia Vę, która zapewnia, że we wszystkich warunkach roboczych prąd indukowany przez działanie podzespołu M1 poprzez diody D jest pobierany całkowicie przez podzespół M2. Bez ograniczania ogólności zasady działania, dla większej przejrzystości i spełnienia głównych zasad projektowania, zostanie opisany dwufazowy, jednobiegunowy silnik bezszczotkowy zasilany z baterii, z magnesem trwałym.

Figury 4 i 5 przedstawiają dwie struktury elektromagnetyczne, które spełniają warunki sprzężenia magnetycznego na podstawie nie ograniczającego przykładu. Fig. 5 przedstawia strukturę, która ma mniejszą indukcyjność fazową i mniejszą reakcję odmagnesowania o 1/3 w porównaniu ze strukturą z fig. 4, w szczególności dla tych samych znamionowych warunków pracy urządzenia elektrycznego z komutacją elektroniczną ECM i tej samej liczby biegunów.

Figura 6 przedstawia szczególny schemat elektryczny silnika elektrycznego według wynalazku, który spełnia zasady schematów z fig. 1 i 3. W uzupełnieniu do układu elektronicznego sterowania ECU, poza już opisanymi, występują w nim dwa sygnały sterujące V_m2 do sterowania, przez znane obwody stabilizacji, zabezpieczeniem przy przepięciach przekraczających napięcie dopuszczone przez przełączniki P2. Wybrana struktura dwufazowa jest na przykład znanego typu, z czterema uzwojeniami jednobiegunowymi zasilanymi jako dwa zespoły jednofazowe przy pełnych połówkach fal. Pierwszy zespół jednofazowy, składający się z fazy 1 i fazy 3. spełnia rolę podzespołu M2 i jest zasilany przez napięcie Vc·

Figura 7 przedstawia fazy e_F1, e_F2, e_F3, e_F4 sił elektromotorycznych, przesunięte względem siebie o 90 stopni elektrycznych.

Struktura magnetyczna i miejsce wytwarzania strumienia magnetycznego, wywoływanego przez prądy w każdym uzwojeniu podzespołu M1 przedstawione na fig. 4, 5 i 6 jako faza 1 i faza 3, muszą być takie, żeby zapewnić wzajemne odsprzęganie indukcyjności tych uzwojeń dla zapobiegania przerwom poboru prądu podczas przełączania z jednego uzwojenia na następne w sekwencji zasilania, co jest znanym problemem, gdy pomiędzy nimi występuje wzajemna indukcyjność i sprzężenia indukcyjne z uzwojeniami dla podzespołu M2 są marginesowe. To jest osiągane w wyniku wstawienia elementów ferromagnetycznych Td bez uzwojeń pomiędzy sąsiednie zęby stojana zaopatrzone w uzwojenia fazowe fazy 1 i fazy 2 z fig. 4 i 5. Uzwojenia podzespołu M2 działają także jako silnik elektryczny, wywołujący aktywny moment obrotowy, gdy współpracują z właściwą połówką fali siły elektromotorycznej, na przykład przez dekodowanie sygnałów czujników położenia Halla. Struktura magnetyczna i miejsce wytwarzania strumienia wywoływanego przez prądy w każdym uzwojeniu podzespołu M2, przedstawione na fig. 4, 5 i 6 jako faza 2 i faza 4, muszą zapewniać bardzo silne sprzężenie magnetyczne dla umożliwienia przenoszenia zgromadzonej energii magnetycznej z uzwojeń, które przestają przewodzić, do uzwojeń, które zaczynają przewodzić, podczas przełączania przy minimalnych stratach przez diody D2. To jest osiągane przez nawinięcie uzwojeń fazowych na tych samych zębach stojana z fig. 4 i 5.

Gdy dwa podzespoły działają równolegle przy dostarczaniu wymaganej mocy mechanicznej, jest zwykle korzystne ustalenie ich wymiarów tak, że przynajmniej w warunkach znamionowych, zarówno dostarczana moc mechaniczna jak i straty są dzielone na równe części.

182 603

Dane projektowe dla punktu pracy n są następujące: moc mechaniczna P_meeh(_n), prędkość obrotowa RPM(n), sprawność η (n) i napięcie zasilania V_b.

Znając dane projektowe, geometrię i materiały wybrane do konstruowania zespołu, można przewidzieć znanymi metodami straty magnetyczne, wentylacyjne i powodowane przez tarcie E_fe_;V>a(n). _

Figura 8 przedstawia schemat silnika elektrycznego z rezystorem R_FB o wartości wybranej tak, że spadek napięcia jest pomijalny w pierwszym przybliżeniu dla uproszczenia obliczenia, w którym dioda jest symulowana jako dioda idealna połączona szeregowo z rezystorem R_p).

Schemat z fig. 8 jest równoważny schematowi z fig. 6 i przedstawia podstawowe elementy podzespołu Ml, a mianowicie indukcyjność L_fl każdego uzwojenia podzespołu Ml, rezystancję Rf każdego uzwojenia podzespołu Ml. średnią siłę elektromotoryczną Ef na połówkę falfprzy prędkości znamionowej dla każdego uzwojenia podzespołu Ml i rezystancję wewnętrzną Rpi przełącznika, na przykład tranzystora MOSFEt, dla każdego uzwojenia podzespołu Ml· Fig. 8 pokazuje również takie elementy dla podzespołu M2.

Dwa podzespoły Ml i M2 muszą być zaprojektowane jak następuje. W podzespole Ml prąd im jest otrzymywany natychmiast na podstawie równania:

η (n) — Pmech (n)/Vb (n ł-l(n)

Zatem Ϊ l (n) Pmech |n) /Vb(n) η (n) (1)

Równanie 1 wraz z rozważaniami o aspektach operacyjnych przełącznika Pl umożliwia identyfikację typu i kwalifikację rezystora Rpi Mając zidentyfikowane prąd i rezystor Rpi, można otrzymać siły elektromotoryczne E,(n), Efi(_HXX)) i rezystor Rf _w. Ze znanego związku P_gap — P_me_Cfl + Pf^a = E.I i pamiętając, że moc ma być rozłożona równo pomiędzy podzespoły Ml i M2. dla podzespołu Ml otrzymuje się równanie:

Efl(n) il(n) = [Vb(n)il(n) B(n) + Pfe, v, a (n) ] /2 zatem

Efl (n)

1_ [Vb(n) η (n) + Pfe,v,a (nl / il (n) ] które przez zastąpienie im przez równanie l daje:

Efl (n)

P (n) [l + Pfe, v, a (nn/Pmech (n) ] (2a)

Ponieważ _P_te,va(n) jest pomijalne w porównaniu z Pm^wn równanie 2a może być przepisane jako:

Efi (n) ^Vbin) η (n) (2b) z którego Ε_Π(ιχχχ) może być otrzymane jak następuje:

Efl(nox) — [Efl(n/RPM(n)) (lXXX (rów. 3)

Zatem stosując znane wzory, oblicza się liczbę zwojów uzwojenia i wartość Lfl. W celu otrzymania Rfln stosuje się bilans energetyczny, w którym podzespół Ml pochłania 5X% całkowitej mocy. Zatem:

[Efl(n) + (Rfl + Rpl)il(n) ] i l( n) ^Vb (n . ί. l dając

Efi (n) + (Rfi + Rpi) ii(n £

^Vb(n'

182 603 z którego:

Rfi = [Vb(n)/2 - Efi(n) ] /ί} (_Γι) - Rfi (4)

Określając podzespół M2. określa się czasy włączania i wyłączania T_wt i Twył przełączników Pl:

T'k 3 ' Twy3, D = T_w3/T, Twy/T = (1-D).

Bez względu na napięcie V_c na kondensatorze C, prąd ładowania otrzymuje się z zawsze ważnego związku:

I2 = ii T„ył/T = ii(l-D) który w znamionowym punkcie pracy jest zapisany jako i2(ⁿ)⁼ⁱKn)(^1_D(ⁿ)) (5)

Teraz otrzymuje się związki pomiędzy podzespołami M2 i M1 dla poszczególnych elementów charakterystycznych. Pamiętając warunek równej mocy:

zatem i w końcu

Ef2(n) · ^2(n) ^_ Efl(n)-ll(n) Ef2(n) — Efi(n)· il(n) / i 2-(^))

Ef2(n) — Efi(_n) / (1 - D(_n))

Pamiętając warunek równej mocy rozproszonej:

Rf2(n) · 12 (n)‘ — Rfl(n) · ll(n)2 zatem Rf2n) — Rfi(n)- (ii(n / i2(n)~ i w końcu

Rf2(n) = Rfl(n)/ (1 - D(n).

(6) (7)

Jedyną niewiadomąjest D(n), którą otrzymuje się ze związku:

Δ iiTwł = Δ iijwył z którego, zakładając RD = Rpl (V, — [Efi + (Rn + Rpi) ii] ) T„3 / LfiT = (Rpiii + V - [V_b- (Efi + Rfi ii) ] )T_Wy_i/LfiT

Wprowadzając A = V_b - [E_n + (Rf + R_P1)i₁], wówczas:

(9)

D = (V_c - A )/V_c

Zatem, pamiętając równanie 4:

(10)

- D(n) = Vb(n) · Vc(n/2 z którego widać, że mając ustalone Vb (l-D(n)) jest określone jednoznacznie przez Vc(n)·

182 603

Trzy następujące warunki pomagają określić niedwuznacznie. Są to:

Warunek, 1. W tym celu, żeby prąd nie płynął przez to uzwojenie podzespołu ML które ze swoją siłą elektromotoryczną, sumą części kinetycznej E_fl(n) i części transformatorowej E_m|_(nn, w związku z niepożądanym sprzężeniem pomiędzy uzwojeniami podzespołu M1 i pomiędzy tymi i tamtymi podzespołu M2, dawałby ujemny wkład do rozwoju mocy mechanicznej, napięcie Vi>si(wyi> na przełączniku Pi^yj) dołączonym do uzwojenia musi być mniejsze niż napięcie na kondensatorze C. Jedynie w ten sposób dioda θΐ(_γ)) może być spolaryzowana przeciwnie i dlatego prąd nie może przez nią płynąć. Dlatego musi być spełniony następujący warunek w oparciu o fig. 8 i 9:

Vc(n) > Vosi(wył) = Vb(_nj + Efi_(n} '+ E_mi(_n ) warunek 1

Warunek 2. Ze względu na to, że maksymalne napięcie YD_S2(wył) na przełączniku P2 występuje w okresie czasu, w którym uzwojenie podzespołu M2 do niego dołączone jest nieczynne, wówczas:

ds2(wył) c (max) + Ef2<max) - 2 Y,

C(maxi

Zatem w tym celu, żeby nie zostało przekroczone napięcie przerwania Vdss2 przełącznika P2, musi być spełniony następujący warunek:

Vc(max) < Vdss2 warunek 2

Warunek 3. Pamiętając, że sprzężenie pomiędzy uzwojeniami podzespołu M2 musi być tak duże, jak jest to możliwe; przenoszenie energii magnetycznej, które następuje przez diodę D2 podczas przełączania pomiędzy uzwojeniami podzespołu M2, jest tym mniej rozpraszające, im większa jest różnica pomiędzy napięciem zasilania Y i przepięciem przejściowym Vts2(wył,t) uczynionym tak bliskim, jak to jest możliwe względem napięcia V_Dss2 przez obwody stabilizacji, które występuje na przełączniku P2, gdy on otwiera się, a złożoność kondensatora C wzrasta wraz z jego napięciem znamionowym, więc napięcie γ_(η) musi być tak małe, jak jest to możliwe, co stanowi warunek 3.

Zakładając, że w praktyce:

Efl(n) + E_mi(_n) W —· Vb(n) następnie patrz warunek 1 ^Yc(n)~3/2 ^Vb(_n ⁾ (U)

Z równania 10 i równania 11 jest również otrzymywane:

i2;ni — il(ni/3 (12.1)

Ef2(n ⁼ SEffmn (12222

Rf2(n) = 3²R_fHn ) (12.33

Pp2(n) ^_ 3 Rpi (in Π2.44

Równania (2.1 - 12.4, które określają jednoznacznie wymiarowanie podzespołu M2, pokazują interesujący aspekt z konstrukcyjnego punktu widzenia, mianowicie, że dla dwóch podzespołów używa się przewodu o tym samym przekroju poprzecznym, z różną liczbą przewodów równoległych dla dwóch podzespołów.

182 603

Jeżeli 1_mjest średnią długością zwojów, identyczną dla wszystkich uzwojeń dwóch podzespołów, S_cl przekrojem poprzecznym przewodu każdego uzwojenia podzespołu M1 i S_c2jest przekrojem poprzecznym przewodu każdego uzwojenia podzespołu M2, wówczas:

Rf1 = p (1mNs1) / Cc1

Rf2 = P (1mNs2)/ Cc2 (13.1) (13.2)

Zakładając, że z równania 12.2 wnioskuje się, że liczba zwojów N_S1 każdego uzwojenia podzespołu M1 musi być równa 1/3 liczby N_s2 każdego uzwojenia podzespołu M2:

N_S1 = 1 /3 .N_S2 (13.3)

Z równania 12.3 i równania 13.1-13.3:

p(1_ra.N_s2)/Sc2 = 3²p (1m.Nsl)/Sd = 3² p(1m . N_s2/3)/Sc

Zatem

Sc1 = 3 Sc2 (14

To wykazuje, że uzwojenie podzespołu M1 jest tworzone przez ustawienie równolegle trzech przewodów o przekroju poprzecznym identycznym, jak pojedynczego przewodu stosowanego dla uzwojenia podzespołu M1. Strategia sterowania PWM przy stałej częstotliwości jest normalnie realizowana w przetwornikach podwyższających typu pokazanego na fig. 1. Zakładając, że funkcja cewki indukcyjnej L z fig. 1 jest realizowana przez uzwojenia, które są miejscem wytwarzania siły elektromotorycznej, strategia taka, jak powyższa, utrudniałaby utrzymanie drobnych pulsacji prądu baterii w określonych granicach. Z tego powodu dostosowana strategia sterowania jest typu histerezy, która oddziałuje tylko na fazę podzespołu M1 i zgodnie ze znanymi sposobami utrzymuje pobór prądu przez urządzenie elektryczne z komutacją elektroniczną ECM prądu mierzonego przez rezystor R_FB, pomiędzy określonymi wartościami maksymalną i minimalną, tak żeby drobne pulsacje prądu były małe, zgodnie z ograniczeniami technicznymi związanymi ze stanem techniki zastosowanych urządzeń przełączających. To oznacza, że częstotliwość przełączania przełączników podzespołu M1 nie jest ustalona, lecz jest związana bezpośrednio z parametrami elektrycznymi: indukcyjnością, siłą elektromotoryczną, napięciami zasilania. Dogodnie strategia sterowania jest stosowana dla napięcia Yc na kondensatorze C, który dla każdego warunku dostarczanego momentu obrotowego i prędkości obrotowej spełnia wymieniony warunek 1, przy utrzymaniu różnicy pomiędzy V_c i Y_DS1_(wyl) tak małej, jak jest to pożądane przez znane metody. Ta strategia umożliwia całkowite sterowanie prądem baterii podczas przełączania uzwojeń podzespołu Ml. Jeżeli podczas przełączania uzwojeń podzespołu M1 zdarzy się, że prąd w fazie , która jest wyłączana, maleje gwałtowniej niż wzrasta prąd w fazie, która jest włączana, prąd spada poniżej minimalnej ustalonej wartości. Jeżeli przeciwnie, gdy jedna faza jest wyłączana, prąd maleje wolniej niż wzrasta prąd w fazie, która jest włączana, sterowanie utrzymuje go w ustalonych granicach. W celu uzyskania tego warunku jest konieczne, żeby w czasie przełączania wartość średnia En, znana jako E_fl>śr była taka, że:

Vb ~ Efi,śr > Vc ~ (Vb ~ Efi₍śr))

Gdy Vc » 3/2 V_b, koniecznie Ef1,_śr< 0,25 V_b.

Zakładając, że jest to osiągane przez proste zastosowanie przełączania już wymaganego do działania podzespołu M2 i łatwo realizowanego, pobierane pulsacje prądu są tutaj łatwo sterowane w każdym przypadku. Filtr do eliminacji przewodzonych i promieniowanych

182 603 zakłóceń elektrycznych jest dogodnie umieszczony w linii zasilającej urządzenia elektrycznego z komutacją elektroniczną ECM z fig. 11 i ma mniejszy wymiar niż wymagany do urządzenia elektrycznego z komutacją elektroniczną ECM. które nie spełnia idei wynalazku. Najprostszym sposobem ochrony urządzenia elektrycznego z komutacja elektroniczną ECM. zasilanego baterią jest połączenie diody mocy szeregowo z przekaźnikiem operacyjnym. Poza tym, że dioda ta jest duża, wprowadza spadek napięcia, zwykle 0,7 wolta i dlatego zmniejsza sprawność EM dla równo pobieranej mocy. Przekaźnik operacyjny, który jest uruchamiany kluczem, ma wytrzymać prąd włączania, który jest tak duży, że wymaga niedopuszczalnego przewymiarowania. Na fig. 11 urządzenie elektryczne z komutacją elektroniczną ECM jest bezpośrednio zasilane przez baterię poprzez przekaźnik RL sterowany przez układ elektroniczny sterowania ECU. Dioda D_p o mniejszej mocy i rezystor obciążający R_z są połączone tak, jak na fig. 11. Zakładając, że układ elektroniczny sterowania, który steruje przekaźnikiem RL. jest uruchamiany kluczem przez diodę Dp, urządzenie elektryczne z komutacją elektroniczną ECM jest chronione przed odwróceniem polaryzacji. Rezystor obciążający R, przedłuża czas trwania impulsu prądowego, który ładuje kondensatory C i Cf, gdy łącznik rozruchowy jest uruchamiany, ograniczając przez to wartość dV/dt, której oddziaływaniu podlegają kondensatory i zapobiegając przejściu prądu niszczącemu przez łącznik. Układ elektroniczny sterowania ECU mierzy napięcie na rezystorze R_z i włącza przekaźnik RL tylko wtedy, gdy to napięcie, a więc prąd włączania, spada poniżej poziomu bezpieczeństwa.

Wracając do równania 11, V_c « 3/2 Vb, występują pewne przypadki, na przykład zmniejszanie prądu siły elektromotorycznej, płynącego przez kondensator C, zmniejszanie prądu płynącego przez przełączniki podzespołu M2 itd., w których jest konieczne występowanie Vc > 3/2 Vb. W tym przypadku mogłoby zdarzyć się, że podczas komutacji faz podzespołu M1, prąd w fazie, która jest wyłączana, maleje bardziej gwałtownie niż prąd wzrasta w fazie, która jest włączana, a prąd baterii wyjdzie poza zadany zakres tolerancji.

W celu zapobiegania spadkowi prądu baterii, jest konieczne dodanie układu elektronicznego z fig. 14 do sterowania prądem w fazie, która jest wyłączana. To jest uzyskiwane przez sztuczne przedłużanie okresu przewodzenia każdej fazy podzespołu M1, dostarczając do bramki właściwego tranzystora MOSFET sygnał zegarowy dodawany logicznie do sygnału pwm. który normalnie steruje fazami podzespołu M1, w celu podtrzymania prądu baterii w zadanym zakresie tolerancji. Spadek prądu fazy w funkcji czasu jest sterowany przy takiej wartości, żeby zapobiec wyjściu prądu baterii poza wyżej wzmiankowany.

Układ logiczny UL utrzymuje tranzystor MOSFET definitywnie wyłączony, gdy prąd fazy osiąga zero. Zachowanie układu zostanie wyjaśnione dla jednej z dwóch faz, fazy 1 podzespołu M1, zakładając, że jest stosowany układ uzupełniający dla innych faz.

Na figurze 12 i 13, gdy faza 1 jest wyłączona:

V_D1 = napięcie na drenie tranzystora MFT1

Vc = napięcie na kondensatozze C zegar = fala kwadratowa o wartości cyklu pracy mniejszym niż 50% cyklu pracy sygnału pwm i wartości częstotliwości większej co najmniej trzy razy od częstotliwości sygnału pwm hall = sygnał czujnika Halla, który włącza fazę 1 pwm = sygnał, który normalnie steruje fazami podzespołu M1 w celu utrzymania prądu baterii w zadanym zakresie tolerancji.

Gdy sygnał hall spada do poziomu niskiego, tranzystor MFT1 jest wyłączany chwilowo, a napięcie Vd1 staje się większe niż napięcie Vc, natomiast ty przechodzi do poziomu wysokiego, y, przechodżTdo poziomu wysokiego i qj jestzegarowane z blokowaniem, out! = clock:MFT1 jest sterowane przez sygnał pwn dodawany logicznie do sygnału zegarowego z fig. 12.

Gdy prąd płynący przez fazę 1 osiąga zero i blokowane dla zegarowania wyłącza tranzystor MFT1. napięcie Vd1 nie może sterować ręcznie napięciem Vc, B1 przechodzi do poziomu niskiego i gdy zegar przechodzi do poziomu niskiego, yj przechodzi do poziomu niskiego, nagle przechodzi do poziomu niskiego, outj przechodzi do poziomu niskiego i tranzystor MFT1 z fig. 13 zostaje definitywnie wyłączony.

182 603

FIG.η

182 603

Sfaza. 1 l-Ft

R_F1 ^eFl

P1

Rfb

-WrDO PRZEŁĄCZNIKÓW MOCY iFAZA 3 eF3

ELEKTRONICZNA

JEDNOSTKA

STERUJĄCA rWi r~W^-

I.b. V_cI.b. i_B

Ifaza	2 I
l_F2
	i
^eF2	-g-
m2 -
P2

FIG.6

Hall v,„

FIG.7

182 603

FAZA 1

FAZA 3

FIG.4

W

TJ--
	\
s	1	\	N

iEA%AA.i eH

W iFAZA 3ί [FAZA 4 j ^5> (°>

->

c=zzzzx%^

Γ—-[

-·—7----%<

====x^5) (©X^-

Ξ© ®£=

Γ Ifrza

FIG.5

182 603

FIG.2

182 603

CON

Cp3

FIG.1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Silnik elektryczny z komutacją elektroniczną, zawierający pojedynczy stojan i pojedynczy wirnik, znamienny tym, że ma dwa podzespoły (M„, M₂) połączone równolegle, a każdy z podzespołów (M„ M₂) ma dwa uzwojenia złożone z szeregowego połączenia indukcyjności (L_F1, L_F2), rezystancji (R_F1, R_F2), indukowanej siły elektromotorycznej (E_f„ Ef2) i przełącznika (P_n P2) oraz każdy z podzespołów (M_n M2) ma diodę (D), której jeden z biegunów jest dołączony do końca poszczególnego uzwojenia, a pozostały biegun jest dołączony do jednego końca kondensatora (C).
2. Silnik elektryczny według zastrz. 1, znamienny tym, że ma układ elektroniczny sterowania (ECU) dołączony do przełączników (P).
3. Silnik elektryczny według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy dwoma sąsiednimi zębami stojana, wyposażonymi w uzwojenia, jest włączony element ferromagnetyczny (T_d) bez uzwojeń.
4. Silnik elektryczny według zastrz. 2, znamienny tym, że do układu elektronicznego sterowania (ECU) jest dołączony przekaźnik (RL).
5. Silnik elektryczny według zastrz. 1, znamienny tym, że ma filtr L-C włączony pomiędzy źródło energii i pierwszy podzespół (Ml).
6. Silnik elektryczny według zastrz. 1, znamienny tym, że ma elektroniczny układ logiczny (UL) dołączony do pierwszego podzespołu (M1).

* * *