§ 30.3. 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.

рис. 30.4. Бесконтактный двигатель постоянного тока:

— блок-схема, — магнитная система

В качестве датчиков положения ротора применяют чувствительные различные 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 двигатель. Такие свойства присущи ряду чувствительных элемен­тов (датчиков): индуктивных, трансфор­маторных, магнитодиодов и т. п. Наибо­лее целесообразно использовать датчики ЭДС Хота (рис. 30.5), представляющие собой тонкую полупроводниковую пла­стину с нанесенными на ней контактны-

ми площадками, к которым припаяны выводы /—2, подключен­ные к источнику напряжения , и выводы 3—4, с которых сни­мают выходной сигнал . Если в цепи 1—2 проходит ток , 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 . Значение ЭДС зависит от тока и магнитной индукции В, а полярность — от направления тока в цепи 1—2 и направления вектора магнитной индукции В.

Рис. 30.5. Датчик ЭДС Холла

Рассмотрим работу бесконтактного двигателя постоянного то­ка, для управления которым применяют датчики Холла и комму­татор, выполненный на транзисторах VТ1—VТ4 (рис. 30.6). Четыре обмотки (фазы) двигателя распо­ложены на явно выраженных полюсах шихтованного сердечника якоря (см. рис. 30.4, б). Датчики Холла ДХ1 и ДХ2 уста­новлены в пазах полюсных наконечников двух смежных полюсов. Силовые транзисторы VТ1—VТ4 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 .

Рис. 30.6. Принципиальная схема БДПТ

Каждая обмотка (фаза) выполнена из двух катушек, расположенных на противолежащих полюсах сердечника статора и соединенных последова­тельно (рис. 30.7). Если по какой-либо из обмоток (фаз) статора про­ходит ток от начала Н1—Н4 к концу К1—К4, то полюсы сердечника статора приобретают полярность соответственно S и N.

Рис. 30.7. Расположение обмоток фаз на полюсах статора БДПТ

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 VТ2 переходит в открытое состояние. В обмотке (фаза) статора появляется ток , протекающий от Н2 к К2. При этом полюсы статора 2 и 4 приоб­ретают полярность S и N (рис. 30.8, ). 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 VТ3. В фазной катушке возникает ток и полюсы 3 и / приобретают полярность S и N. При этом магнит­ный поток статора Ф создается совместным действием МДС обмо­ток фаз и . Вектор этого потока повернут относительно оси 2—4 на угол 45⁰ (рис. 30.8, б). 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 VТ2 закрывается, транзистор VТЗ останется открытым и магнитный поток Ф, создаваемый МДС обмотки фазы , поворачивается от­носительно оси полюсов 2—4 еще на 45⁰ (рис. 30.8, в). После того как ось вращающегося ротора пересечет ось полюсов статора 2—4, датчики ДХ1 и ДХ2 окажутся в зоне полюса ротора S, что приведет к включению транзисторов VТЗ и VТ4. 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.

Рис. 30.8. Магнитное поле статора в четырехполюсном БДПТ

На рис. 30.9 показано устройство рассмотренного БДПТ. Дат­чики Холла 3 размещены в специальных пазах полюсных нако­нечников 1 сердечника статора.

Рис. 30.9. Устройство БДПТ

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.

Таблица 30.1

Изменение направления вращения (реверс) двигателя осуще­ствляется изменением полярности напряжения 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.

К достоинствам БДПТ относятся также высокая надежность и долговечность, что объясняется отсутствием у них щеточно-коллекторного 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.