§5.9. Бесконтактные двигатели постоянного тока
Коллекторные двигатели постоянного тока обладают хорошими регулировочными свойствами и экономичны, но наличие скользящего контакта коллектор – щетки ограничивает область их применения.
В настоящее время в связи с развитием силовой полупроводниковой электроники появились и начали получать все более широкое распространение бесконтактные двигатели постоянного тока. При замене механического коммутатора – коллектора с щетками полупроводниковым коммутатором двигатель постоянного тока становится более надежным и долговечным, создает меньше радиопомех, особенно при высоких частотах вращения, когда очень быстро изнашиваются щетки и значительно увеличиваются искрение и радиопомехи.
В отличие от обычного коллекторного двигателя бесконтактный двигатель постоянного тока обладает рядом характерных особенностей.
1. Силовая обмотка якоря расположена на статоре и состоит из нескольких катушек, сдвинутых относительно друг друга в пространстве. Ротор выполняют в виде постоянного магнита.
2. Положение оси магнитного потока ротора по отношению к осям катушек силовой обмотки статора определяется бесконтактными датчиками(трансформаторными,индукционными,магнитоэлектрическими, фотоэлектрическими).
3. Бесконтактный полупроводниковый коммутатор осуществляет коммутацию катушек силовой обмотки статора по сигналам датчиков положения. При мощности двигателей до 0,5 – 1 кВт в качестве коммутирующих элементов обычно используются транзисторы, при большей мощности – тиристоры.
Эти факторы позволяют при устранении скользящего контакта коллектор–щетки сохранить основную особенность машины постоянного тока, заключающуюся в том, что частота переключения катушек обмотки якоря определяется частотой вращения ротора. Благодаря этому бесконтактный двигатель постоянного тока в основном сохраняет характеристики коллекторного двигателя с независимым возбуждением.
Рассмотрим простейшую конструкцию бесконтактного двигателя (рис. 5.32).
Рис. 5.32
В корпусе 1 расположены электромагнитные системы двигателя и датчика положения. Магнитопровод статора двигателя 2 выполнен из электротехнической стали. В его пазах расположена обмотка 3, состоящая из двух обмоток, сдвинутых в пространстве на 90°. Каждая обмотка представляет собой сосредоточенную многовитковую катушку. Ротор 4 с одной парой полюсов изготовлен из постоянного магнита. При подаче постоянного напряжения на обмотку статора по ней проходит ток, который по взаимодействии с магнитным потоком ротора создает вращающий момент.
Роль датчика положения ротора относительно обмотки статора выполняют два магнитоуправляемых диода Д1 и Д2, расположенных на дополнительном кольцевом магнитопроводе 5, и вращающийся ферромагнитный диск 6. Диск имеет немагнитную вставку 7, занимающую половину его толщины на половине окружности. Магнитный поток датчика Фд создается постоянным магнитом 8 с радиальной намагниченностью. Каждый из магнитоуправляемых диодов одну половину оборота вала находится в зоне действия магнитного потока Фд и открыт, а вторую — вне зоны действия магнитного потока Фд и закрыт.
Работа датчиков и полупроводникового коммутатора К (рис.5.33) согласована при расположении датчиков Д1 и Д2 по осям обмоток статора 1 и 2 и линии симметрии диска СС перпендикулярно оси полюсов ротора. В положении, изображенном на рис.5.33, a, сигнал, управляющий коммутатором, снимается с датчика Д1, и коммутатор подает на обмотку 1 напряжение указанной на рисунке полярности.
Рис.5.33
Когда сигнал отсутствует, коммутатор К подает на обмотку 1 напряжение противоположной полярности (рис.5.33, б). Аналогично со сдвигом на 90° подключается к коммутатору обмотка 2 по сигналам датчика Д2. При этом изменение коммутатором полярности напряжения на обмотках статора осуществляется в момент перехода оси потока ротора через ось данной обмотки статора. Тем самым обеспечивается изменение направления тока в обмотке статора при подходе оси полюса ротора противоположного знака. Следовательно, сохраняется одно направление вращающего момента эм, создаваемого силами Fэм, в пределах полного оборота ротора, т.е. выполняется роль коллектора электрической машины постоянного тока.
Рис 5.34
На рис.5.34 показана схема подключения обмоток двигателя к транзисторам TI и Т8 коммутатора и таблица, определяющая порядок переключения транзисторов по сигналам датчиков Д1 и Д2.
Известно, что электромагнитный момент, действующий на виток с током, помещенный в магнитное поле, пропорционален току витка и магнитному потоку и зависит от угла между осями витка и поля. Зависимость электромагнитного момента от угла поворота ротора для двухобмоточного двигателя, включенного по схеме рис 5.34, показана на рис 5.35.
Рис 5.35
На этом рисунке M1 и M2 – моменты взаимодействия раздельно с 1 и 2 обмотками, M1,2 — результирующий момент.
Как видно из графиков M1 и M2, при включении напряжения только на одну обмотку статора ротор двигателя не приходит во вращение, если начальное положение ротора соответствует углу Θ, при котором вращающий момент эм меньше момента сопротивления на валу. Кроме того, существенная пульсация вращающего момента в пределах оборота ротора приводит, соответственно, к нестабильности мгновенной угловой скорости ротора.
При наличии двух (и более) обмоток на статоре уменьшение момента взаимодействия ротора с одной из обмоток компенсируется увеличением момента взаимодействия с другой. Соответственно, обеспечивается достаточно большой пусковой момент при любом угловом положении ротора, снижение пульсации вращающего момента в пределах оборота и нестабильности мгновенной угловой скорости ротора.
Характеристики бесконтактных микродвигателей тем ближе к характеристикам классического двигателя постоянного тока, чем больше число обмоток на статоре. Однако пропорционально числу обмоток увеличивается необходимое число чувствительных элементов датчиков положения и число транзисторов в коммутаторе. Поэтому практически число обмоток нецелесообразно более трех–четырех.
Для повышения стабильности момента и угловой скорости в пределах оборота применяют специальные схемы модуляции тока в обмотках статора.
В настоящее время крупными сериями выпускаются только бесконтактные микродвигатели. Однако наблюдается тенденция роста выпуска бесконтактных двигателей малой мощности, которые могут составить конкуренцию высокомоментным двигателям, используемым в промышленных роботах, приводах подач обрабатывающих центров и т.д. Объясняется это, в частности, тем что сами бесконтактные двигатели имеют меньшие габариты и массу, чем коллекторные, так как у них лучше условия охлаждения – источники тепла только на статоре, и отсутствует такой источник нагрева, как узел трения коллектор–щетки. Правда, бесконтактный двигатель не может работать без полупроводникового коммутатора.
В ряде случаев двигатели постоянного тока целесообразно делать линейными.
Рис.5.36
На рис.5.36, а показана схема электромагнитной системы линейного бесконтактного двигателя. Корпус индуктора 1 выполнен из ферромагнитного материала и служит внешним магнитопроводом. В корпусе расположены постоянные магниты 2, создающие поток возбуждения Фв, индуктор является подвижной частью линейного двигателя. Якорь 3 представляет собой диэлектрическую пластину, на поверхности которой методом фотолитографии выполнена печатная схема проводников 4. Якорь является неподвижной частью двигателя. Длина якоря lя больше длины индуктора lи на длину хода индуктора. Проводники якоря объединены в катушки, оси которых сдвинуты по длине якоря. Выводы катушек подсоединены к полупроводниковому коммутатору. На рис. 5.36, б показана схема кинематического звена поступательного перемещения с линейным двигателем. Якорь 3 прикреплен к неподвижной направляющей 5, а индуктор 1 – к подвижной каретке 6. На направляющей по осям катушек якоря расположены сигнальные элементы, вызывающие срабатывание датчиков положения индуктора относительно якоря, расположенных на каретке.
Работа линейного бесконтактного двигателя мало отличается от работы рассмотренного ранее вращающегося бесконтактного двигателя. Различие состоит в том, что силы электромагнитного взаимодействия тока якоря с полем возбуждения индуктора создают тяговое электромагнитное усилие Fтяг в плоскости якоря, которое приводит к поступательному перемещению индуктора.
Решение задач по ТОЭ, ОТЦ, Высшей математике, Физике, Программированию.
| Главная | Цены | Оплата | Примеры решений | Отзывы | Ccылки | Теория | Книги | Сотрудничество | Форум |
| Теория / Электрические микромашины / Лекция 11. Бесконтактные двигатели постоянного тока |
5. БЕСКОНТАКТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Двигатели постоянного тока обычного исполнения имеют ценное качество-возможность широко и плавно регулировать скорость вращения. Вместе с тем они обладают существенным недостатком, обусловленным щеточно-коллекторным узлом. Вполне естественно, что появилась мысль создать двигатели, обладающие достоинствами двигателей постоянного тока и свободные от их недостатков. Такие двигатели называются бесконтактными двигателями постоянного тока.
Рис.5.1. Структурная схема бесконтактного двигателя постоянного тока Бесконтактные двигатели постоянного тока состоят из трех элементов (рис. 5.1): 1) бесконтактного двигателя с m-фазной обмоткой на статоре и возбужденным ротором обычно в виде постоянного магнита; 2) датчика положения ротора (ДПР), выполненного в одном корпусе с двигателем и предназначенного для выработки сигналов управления моментами времени и последовательностью коммутации токов в обмотках статора; 3) коммутатора, как правило, транзисторного, осуществляющего по сигналам ДПР коммутацию токов в обмотках статора. П р и н ц и п д е й с т в и я бесконтактного двигателя рассмотрим на примере упрощенной схемы (рис. 5.2). В ее состав входит двигатель с тремя обмотками на статоре, сдвинутыми в пространстве на 120 градусов и соединенными в звезду, ДПР с одним сигнальным элементом (СЭ) и тремя чувствительными элементами (ЧЭ) (их число равно числу обмоток статора), коммутатор, выполненный на трех транзисторах, работающих в ключевом режиме, т.е. в режиме «закрыт» или «открыт».
Рис. 5.2. Упрощенная принципиальная схема бесконтактного двигателя постоянного тока В положении, показанном на рис.5.2, сигнальный элемент через чувствительный элемент «А» открывает транзистор ТА. По обмотке А протекает ток IА. Намагничивающая сила обмотки FА взаимодействует с потоком постоянного магнита ротора. Возникает вращающий момент, и двигатель приходит во вращение (1-й такт на рис. 5.3). Вместе с ротором поворачивается и СЭ ДПР. При повороте ротора на угол чуть больший 30° СЭ будет воздействовать сразу на два ЧЭ: на «А» и на «В». Это значит, что будут открыты сразу два транзистора: ТА и ТВ. Ток будет протекать по обеим обмоткам А и В. Появится результирующая НС статора FАВ, которая повернется на 60° по сравнению с первым положением (2-й такт на рис. 5.3).
Рис. 5.3. Первых 3 такта в работе бесконтактного двигателя постоянного тока Эта НС продолжает взаимодействовать с полем постоянного магнита; двигатель продолжает развивать вращающий момент. Когда угол поворота станет чуть больше 90°, транзистор ТА закроется, ток будет проходить только по обмотке В. Поле ротора будет взаимодействовать только с НС этой обмотки, однако вращающий момент по прежнему будет воздействовать на ротор двигателя и вращать его в том же направлении (3-й такт на рис. 5.3). В конечном итоге двигатель разовьет такую скорость, при которой его момент будет уравновешиваться моментом нагрузки. Если бы бесконтактный двигатель имел обмоток, чувствительных элементов и транзисторов столько же, сколько обычный двигатель имеет коллекторных пластин, то по своим свойствам и характеристикам они ничем бы не отличались друг от друга. Однако увеличение числа элементов сильно усложняет конструкцию машины. Поэтому в реальных двигателях число обмоток, а соответственно, и число чувствительных элементов и транзисторов не превышает 3-4. Малое число обмоток обусловливает ряд особенностей работы бесконтактного двигателя постоянного тока. 1. Пульсация вращающего момента — возникает вследствие скачкообразного перемещения НС статора (см. положения 1,2,3 рис. 5.3). В соответствии с общими законами электромеханического преобразования энергии момент бесконтактного двигателя может быть определен как скалярное произведение магнитного потока ротора и НС взаимодействующих обмоток статора
где: см — постоянный коэффициент; q — угол между потоком ротора и НС статора. Так как при вращении двигателя угол q непрерывно меняется, то и момент двигателя не остается постоянным. 2. Реакция якоря периодически изменяется, становясь то поперечной, то продольно намагничивающей, то продольно размагничивающей (рис. 5.4). Объясняется это опять-таки скачкообразным перемещением НС статора (якоря). Размагничивающее действие поля статора особенно сильно при пуске двигателя, т.к. при этом противо-ЭДС равна 0, а ток — наибольший. С этим необходимо считаться при выборе постоянных магнитов, стабилизация которых происходит в режиме короткого замыкания.
Рис. 5.4. Реакция якоря в бесконтактном двигателе постоянного тока 3. Пульсация токов в обмотках статора и суммарного тока двигателя объясняется дискретным питанием обмоток (в тот момент, когда открыты два транзистора, потребляемый ток вырастает в два раза по сравнению с режимом, когда открыт только один транзистор). 4. Влияние индуктивности обмоток статора.В обычном двигателе секции якоря маловитковые, поскольку общее число витков якоря делится на большое число секций. Индуктивность таких секций сравнительно небольшая. В бесконтактном двигателе общее число витков якоря разбивается на 3-4 обмотки (секции). В результате секции получаются многовитковыми, а, следовательно, обладающими большой индуктивностью т.к. L С учетом ряда допущений уравнение напряжения для якоря можно записать в виде Решая его относительно тока, получим
где Т = L/r — электромагнитная постоянная времени. Выражение перед круглой скобкой есть ток якоря при отсутствии индуктивности. Тогда При больших скоростях, когда время коммутации невелико, ток в обмотках не успевает достигать установившегося значения. Его эффективное значение становится меньше, чем при L = 0 Вращающий момент прямо пропорционален току якоря, поэтому
Анализ выражения (5.6) показывает, что момент имеет две составляющие. Первую — не зависящую от времени. Она равна моменту при отсутствии индуктивности. Вторую — переменную. Она появляется из-за индуктивности обмоток. Эта составляющая при всех скоростях имеет отрицательное значение (U > E). Поэтому можно утверждать, что, как и ток, вращающий момент бесконтактного двигателя меньше, чем вращающий момент обычного коллекторного двигателя. Подставим значение ЭДС Е = сеnФ в формулу (5.6), получим механическую характеристику бесконтактного двигателя Выразим эту характеристику в относительных единицах, приняв за базисный момент пусковой момент (n = 0, U = Uном), а за базисную скорость — скорость холостого хода (М = 0, U = Uном ). Время t = ¥
Рис. 5.6. Механические характеристики бесконтактного двигателя постоянного тока при разных значения α и L: L2 > L1 > 0 Разделим обе части уравнения (5.7) на Мп: Обозначим a = U/Uном. С учетом n0 = U/(сеФ) получим где n = n/n0 — относительная скорость двигателя. На рис. 5.6 показаны механические характеристики бесконтактного двигателя при разных индуктивностях обмоток статора L. Видно, что с увеличением L нелинейность характеристик увеличивается. Частоту вращения бесконтактных двигателей можно регулировать в широких пределах путем изменения напряжения питания. Однако на практике чаше применяется импульсный способ, сущность которого заключается в изменении не величины постоянно подводимого напряжения, а длительности питания двигателя номинальным напряжением. § 5.1. Датчики положения ротораДатчики положения ротора определяются их чувствительными элементами, которые могут быть построены с использованием ЭДС Холла, фотоэффекта и т.д.
Рис. 5.7. Датчик положения ротора трансформаторного типа Достаточно широкое распространение получили датчики электромагнитного – трансформаторного типа. На рис. 5.7. показан один из них. Чувствительными элементами датчика являются три трансформатора (Тр1, Тр2, Тр3), сдвинутыми в пространстве на 120 эл. град. Сердечники трансформаторов выполняются из быстронасыщающихся материалов – феррита, пермалоя и тр. Первичные обмотки трансформаторов (I) питаются напряжением высокой частоты (порядка нескольких килогерц) от маломощного источника. Вторичные обмотки через диоды включаются в базы соответствующих транзисторов. Ротор датчика состоит из постоянного магнита 1, полюсного наконечника 2, выполненного из магнитомягкого материала, и немагнитного полуцилиндра 3. Элементам конструкции датчика придаются такие формы и они располагаются так, чтобы сердечники трансформаторов, перекрытые полюсным наконечником 2, были насыщенными. В этом случае ЭДС вторичных обмоток трансформаторов (II) практически равны нулю и сигналы на базы транзисторов не поступают. Управляющие сигналы поступают только от тех трансформаторов, сердечники которых не насыщены. Вопросы: 1) Нарисуйте диаграмму НС обмоток статора (подобную положениям 1,2,3 на рис. 5.3) при условии, что дуга чувствительного элемента не 180° , а 120° . 2) Чему равна величина суммарного тока, потребляемого двигателем из сети, при различных углах поворота ротора и дуге ЧЭ в 120° ?  Горючее в баке автомобиля должно соответствовать предусмотренному  Присадки для двигателя помогают «оживить» устаревший  Система работающего двигателя достаточно защищена от  Работу двигателя обеспечивают сразу несколько важнейших |
(5.2)
(5.4)
(5.6)
(5.7)
(5.8)
(5.9)
