Бесконтактный двигатель постоянного тока

С целью улучшения свойств двигателей постоянного тока были созданы двигатели с бесконтактным коммутатором, на­зываемые бесконтактными двигателями постоянного тока (БДПТ). Отличие БДПТ от коллекторных двигателей традиционной кон­струкции состоит в том, что у них щеточно-коллекторный узел заменен полупроводниковым коммутатором (инвертором), управ­ляемым сигналами, поступающими с бесконтактного датчика по­ложения ротора. Рабочая обмотка двигателя — обмотка якоря — расположена на сердечнике статора, а постоянный магнит — на роторе.

Вал двигателя Д (рис. 30.4, а) механически соединен с датчи­ком положения ротора (ДПР), сигнал от которого поступает в блок коммутатора (БК). Подключение секций обмотки якоря к источнику постоянного тока происходит через элементы блока коммутатора (БК). Назначение ДПР — выдавать управляющий сигнал в блок коммутатора в соответствии с положением полюсов постоянного магнита относительно секций обмотки якоря.

В качестве датчиков положения ротора применяют различные чувствительные бесконтактные элементы с минимальными разме­рами и потребляемой мощностью и большой кратностью мини­мального и максимального сигналов, чтобы не вызывать наруше­ний в работе блока коммутатора. Чувствительные элементы ДПР должны надежно работать при внешних воздействиях (темпера­тура, влажность, вибрации и т.п.), на которые рассчитан дви- гатель. Такие свойства присущи ряду чувствительных элементов (датчиков): индуктивных, трансформаторных, магнитодиодов и т. п. Наиболее целесообразно использовать датчики ЭДС Холла (рис. 30.5), представляющие собой тонкую полупроводниковую пластину с нанесенными на ней контактными площадками, к ко­торым припаяны выводы 1—2, подключенные к источнику на-

а)

Рис. 30.4. Бесконтактный двигатель постоянного тока:

а — блок-cема; б — магнитная система

пряжения U1, и выводы 3—4, с которых снимают выходной сиг­нал и U2. Если в цепи 1—2 проходит ток I, а датчик находится в магнитном поле, вектор индукции В которого перпендикулярен плоскости пластины датчика, то в датчике наводится ЭДС и на выводах 3—4 появляется напряжение U2.

Рис. 30.5. Датчик ЭДС Холла

Значение ЭДС зависит от тока I и магнитной индукции В, а по­лярность — от направления тока I в цепи 1—2 и направления вектора магнитной индукции В.

Рассмотрим работу бесконтактного двигателя постоянного тока, для управ­ления которым применяют датчики Холла и коммутатор, выполненный на транзисто­рах VTI—VT4 (рис. 30.6). Четыре обмотки фазы двигателя w\—расположены на явно выраженных полюсах шихтованного сердечника якоря (см. рис. 30.4,6). Дат­чики Холла ДХ1 и ДХ2 установлены в па­зах полюсных наконечников двух смеж­ных полюсов. Силовые транзисторы VT1— VT4 работают в релейном (ключевом) режиме (рис. 30.6). Сигнал на открытие транзистора поступает от соответст­вующего датчика Холла (датчика положения ротора). Питание датчиков Холла (выводы 1—2) осуществляется от источника напряжением U\.

Каждая обмотка фазы выполнена из двух катушек, располо­женных на противолежащих полюсах сердечника статора и соединенных последовательно (рис. 30.7). Если по какой-либо из обмоток фазы статора проходит ток от начала HI—Н4 к концу К1—К4, то полюсы сердечника статора приобретают полярность соответственно S и N.

При положении ротора, показанном на рис. 30.6, в зоне маг­нитного полюса N находится датчик ДХ1. При этом на выходе датчика появляется сигнал, при котором транзистор VT2 пере-

Рис. 30.6. Принципиальная схема БДПТ

Ходит в открытое состояние. В обмотке фазы статора w2 появля­ется ток г'г, протекающий от Н2 к К2. При этом полюсы статора 2 и 4 приобретают полярность S и N (рис. 30.8, а). В результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора (постоянного магнита) появляется электромагнитный момент М, вращающий ротор. После поворота ротора относительно оси полюсов статора 1—3 на некоторый угол а против часовой стрелки датчик ДХ2 окажется в зоне магнитного полюса ротора S, при этом по сиг­налу с датчика ДХ2 включается транзистор VT3. В фазной ка­тушке wз возникает ток г3 и полюсы 3 и / приобретают поляр­ность S и N. При этом магнитный поток статора Ф создается совместным действием МДС обмоток фаз ш2 и а>3. Вектор этого потока повернут относительно оси 2—4 на угол 45° (рис. 30.8,6). Ротор, продолжая вращение, занимает положение по оси полю­сов статора 2—4. При этом датчик ДХ1 попадает в межполюсное пространство ротора, а датчик ДХ2 останется в зоне полюса S ротора. В результате транзистор VT2 закрывается, транзистор VT3 останется открытым и магнитный поток Ф, создаваемый МДС обмотки фазы шз, поворачивается относительно оси полю­сов 2—4 еще на 45° (рис. 30.8, в). После того как ось вращаю-щегося ротора пересечет ось полюсов статора 2—4, датчики ДХ1 и ДХ2 окажутся в зоне полюса ротора S, что приведет к включе­нию транзисторов VT3 и VT4. Дальнейшую работу элементов схе­мы БДПТ (рис. 30.8) до завершения вектором потока Ф одного оборота проследим по табл. 30.1 и рис. 30.8, а—з.

HI КЗ

Рис. 30.7. Расположение об­моток фаз на полюсах ста­тора БДПТ

На рис. 30.9 показано устройство рассмотренного БДПТ. Дат­чики Холла 3 размещены в специаль­ных пазах полюсных наконечников / сердечника статора.

Постоянный магнит 2 не имеет цент­рального отверстия для посадки на вал, он закладывается в тонкостенную гильзу и закрывается привариваемыми фланцами двух'полуосей. Такая кон­струкция ротора позволяет избежать выполнения центрального отверстия в постоянном магните, что часто явля­ется причиной брака (трещины, сколы и т. п.). Блок коммутатора (БК) распо­ложен на панелях 5, отделен от двига­теля перегородкой 4 и закрыт металли­ческим колпаком 6, через который выведены провода 7 для под­ключения двигателя в сети постоянного тока. Подобная конструк­ция применена в БДПТ полезной мощностью от 1 до 120 Вт.

Изменение направления вращения (реверс) двигателя осу­ществляется изменением полярности напряжения Ui в токовой цепи датчиков Холла. Изменение полярности напряжения U на входе двигателя недопустимо, так как при этом прекращается работа блока коммутатора.

Коэффициент полезного действия БДПТ по сравнению с кол­лекторными двигателями постоянного тока выше, что объясня­ется отсутствием щеточно-коллекторного узла, а значит, электри­ческих потерь в щеточном контакте и механических потерь в кол­лекторе.

Таблица 30.1.

Рис. 30.8. Магнитное поле статора в четырехполюсном БДПТ

1 2 3 4 5 6

Рис. 30.9. Устройство БДПТ

К достоинствам БДПТ относятся также высокая надежность и долговечность, что объясняется отсутствием у них щеточно-кол- лекторного узла, т. е. их бесконтактностью. Двигатели могут ра­ботать в условиях широкого диапазона температур окружающей среды, в вакууме, в средах с большой влажностью и т. п., где применение коллекторных двигателей недопустимо из-за не­работоспособности щеточно-коллекторного узла.

Недостаток БДПТ — повышенная стоимость, обусловленная наличием полупроводникового блока коммутатора, чувствитель­ных элементов (датчиков ЭДС Холла) и постоянного магнита.