Безконтактні двигуни постійного струму

Безконтактні двигуни постійного струму

З метою покращення властивостей двигунів постійного струму були створені двигуни з безконтактним комутатором, що називаються безконтактними двигунами постійного струму (БДПС). Відмінність БДПС від колекторних двигунів традиційної конструкції полягає в тому, що в них щітково-колекторний вузол замінений напівпровідниковим комутатором (інвертором), що керується сигналами, які поступають з безконтактного давача положення ротора. Робоча обмотка двигуна — обмотка якоря — розташована на осерді статора, а постійний магніт — на роторі.

image002

Рис.1.2.13. Структурна схема (а) і магнітна система (б) чотирифазного безконтактного двигуна постійного струму

 

image014

Рис.1.2.14. Датчик ЕРС

Холла

Вал двигуна Д (рис.1.2.13,а) механічно з’єднаний з давачом положення ротора ДПР, сигнал від якого поступає в комутатор БК. Підключення секцій обмотки якоря до джерела постійного струму відбувається через елементи блока комутатора БК. Призначення ДПР — видавати керувальний сигнал в блок комутатора у відповідності з положенням полюсів постійного магніту відносно секцій обмотки якоря.

В якості давачів положення ротора вико-ристовують різноманітні чутливі безконтактні елементи з мінімальними розмірами і потужністю, що використовується, і більшою кратністю мінімального і максимального сигналів, щоб не викликати порушень в роботі блока комутатора. Чутливі елементи ДПР повинні надійно працювати при зовнішніх діях (температура, вологість, вібрації і т.п.), на які розрахований двигун. Такі властивості має ряд чутливих елементів (давачів): індуктивних, трансформаторних, магнітодіодів і т.п. Найбільш доцільно використовувати давачі ЕРС Холла (рис.1.2.14), що являють собою тонку напівпровідникову пластину з нанесеними на ній контактними площадками, до яких припаяні виводи 1-2, підключені до джерела напруги U1, і виводи 3-4, з яких знімають вихідний сигнал U2. Якщо в колі 1-2 проходить струм І, а давач знаходиться в магнітному полі, вектор індукції В якого перпендикулярний площині пластини давача, то в давачі ЕРС і на виводах 3-4 з’являється напруга U2. Значення ЕРС залежить від струму І і магнітної індукції В, а полярність — від напрямку струму І в колі 1-2 і напрямку вектора магнітної індукції В.

image006

Рис.1.2.15. Принципова схема безконтактного двигуна постійного струму

з чотирифазною обмоткою якоря

image015

Рис.1.2.16. Розташування обмоток фаз на полюсах статора

Розглянемо роботу безконтактного двигуна постійного струму, для керування яким використовують давачі Холла і комутатор, виконаний на транзисторах VT1 — VT4 (рис.1.2.15). Чотири обмотки фази двигуна w1 — w4 розташовані на явно виражених полюсах шихтованого осердя якоря (див.рис.1.2.13,б). Давачі Холла ДХ1 і ДХ2 встановлені в пазах полюсних наконечників двох суміжних полюсів. Силові транзистори VT1 — VT4 працюють в релейному (ключовому) режимі (рис.1.2.15). Сигнал на відкриття транзистора поступає від відповідного давача Холла (давача положення ротора). Живлення давачів Холла (виводи 1-2) відбувається від джерела напругою U1.

Кожна обмотка фази виконана з двох котушок, розташованих на протилежних полюсах осердя статора і з’єднаних послідовно (рис.1.2.16). Якщо по якій-небудь з обмоток фази статора проходить струм від початку П1 — П4 до кінця К1 — К4, то полюси осердя статора набувають полярності відповідно S і N.

При положенні ротора, зображеному на рис.1.2.15, в зоні магнітного полюса N знаходиться давач ДХ1. При цьому на виході давача з’являється сигнал, при якому транзистор VT2 переходить у відкритий стан. В обмотці фази статора w2 з’являється струм і2, що протікає від П2 до К2. При цьому полюса статора 2 і 4 набувають полярність S i N (рис.1.2.17,а). В результаті взаємодії магнітних полів статора і ротора (постійного магніта) з’являється електромагнітний момент М, що обертає ротор. Після оберту ротора відносно вісі полюсів статора 1-3 на деякий кут a проти часової стрілки давач ДХ2 опиниться в зоні магнітного полюса ротора S, при цьому за сигналом давача ДХ2 вмикається транзистор VT3. В фазній котушці w3 виникає струм і3 і полюса 3 і 1 набувають полярність S i N. При цьому магнітний потік статора Ф створюється сумісною дією МРС обмоток фаз w2 i w3. Вектор цього потоку повернутий відносно вісі 2-4 на кут 450 (рис.1.2.17,б). Ротор, продовжуючи обертання, займає положення по вісі полюсів статора 2-4. При цьому давач ДХ1 попадає в міжполюсний простір ротора, а давач ДХ2 залишається в зоні полюса S ротора. В результаті транзистор VT2 закривається, транзистор VT3 залишається відкритим і магнітний потік Ф, що створюється МРС обмотки фази w3, повертається відносно вісі полюсів 2-4 ще на 450 (рис.1.2.17,в). Після того, як вісь ротора, що обертається, перетне вісь полюсів статора 2-4, давачі ДХ1 і ДХ2 опиняться в зоні полюса ротора S, що приведе до вмикання транзисторів VT3 i VT4. Подальшу роботу елементів схеми БДПС (рис.1.2.17) до закінчення вектором потоку Ф одного оберту прослідкуємо за табл.1.2.3 і рис.1.2.17, а-з.

image010

Рис.1.2.17. Утворення магнітного потоку в чотирифазному БДПС

На рис.1.2.18 зображений пристрій БДПС, що розглядається. Давачі Холла 3 розташовані в спеціальних пазах полюсних наконечників 1 осердя статора. Постійний магніт 2 не має центрального отвору для посадки на вал, він вставляється в тонкостінну гільзу і закривається фланцями двох напіввісей, що приварюються. Така конструкція ротора дозволяє уникнути виконання центрального отвору в постійному магніті, що часто являється причиною браку (тріщини, ламання і т.п.). Блок комутатора БК розташований на панелях 5, відділений від двигуна перегородкою 4 і закритий металічним ковпаком 6, через який виведені провода 7 для підключення двигуна в мережі постійного струму. Подібна конструкція використана в БДПС корисною потужністю від 1 до 120 Вт.

Зміна напрямку обертання (реверс) двигуна відбувається зміною полярності напруги U1 в струмовому колі давачів Холла. Зміна полярності напруги U на вході двигуна неприпустима, так як при цьому перестає працювати блок комутатора.

Коефіцієнт корисної дії БДПС в порівнянні з колекторними двигунами постійного струму вищий, що пояснюється відсутністю щітково-колекторного вузла, а значить, електричних втрат на щіточному контакті і механічних втрат в колекторі.

До переваг БДПС відносяться також висока надійність і тривалий термін використання, що пояснюється відсутністю у них щітково-колекторного вузла, тобто їх безконтактністю. Двигуни можуть працювати в умовах широкого діапазона температур навколишнього середовища, в вакуумі, в середовищах з великою вологістю і т.п., де використання колекторних двигунів неприпустиме через непрацездатність щітково-колекторного вузла.

image012

Рис.1.2.18. Пристрій БДПС з чотирифазним статором.

Недолік БДПС — підвищена вартість, обумовлена наявністю напівпровідникового блоку комутатора, чутливих елементів (давачів ЕРС Холла) і постійного магніта.

Васюра А.С. – книга “Електромашинні елементи та пристрої систем управління і автоматики”

Оставьте комментарий к статье