БЕСКОНТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1997 года по МПК H02P6/00 H02P6/14 

Предполагаемое изобретение относится к области электротехники, в частности к бесконтактным двигателям постоянного тока, и может быть использовано в приводах постоянного тока как неуправляемых, так и управляемых для различных систем автоматического управления и регулирования.

Известен бесконтактный двигатель постоянного тока, содержащий двухфазную обмотку, секции которой соединены между собой по мостовой схеме, датчиками положения ротора двигателя и двухмостовую электронную схему коммутации, каждый мост которой выполнен на четырех силовых транзисторах, образующих комплементарные пары, управляемые датчиками положения ротора двигателя через промежуточные транзисторы, причем к диагоналям этих мостов подключены диагонали мостовой схемы двухфазной обмотки двигателя [1]
Недостатком известного бесконтактного двигателя является сложность электронной схемы коммутации и невысокая надежность в эксплуатации из-за наличия большого числа радиоэлектронных элементов, а также из-за того, что отказ хотя бы одного из транзисторов схемы коммутации приводит к отказу двигателя в целом.

Известен другой бесконтактный двигатель постоянного тока, являющийся улучшенной модификацией вышеописанного, где силовые транзисторы электронной схемы коммутации управляются непосредственно от датчиков положения ротора двигателя [2]
Данный двигатель является наиболее близким по технической сущности к заявляемому и содержит двухфазную обмотку, секции которой соединены по мостовой схеме, датчики положения ротора двигателя, выполненные в виде двух датчиков Холла, подключенных первым и вторым выводом через соответствующие резисторы к шинам питания и сдвинутых в пространстве относительно друг друга на 90 эл.град. и двухмостовую электронную схему коммутации, каждый мост которой выполнен в виде двух силовых p-n-p транзисторов и двух силовых n-p-n транзисторов, эмиттеры p-n-p транзисторов подключены к положительной шине питания, а эмиттеры n-p-n транзисторов к отрицательной шине питания, к которой через резисторы подключены также их базы, соединенные соответственно с третьим и четвертым выводами датчика Холла, коллекторы транзисторов разноименной проводимости попарно соединены между собой через соответствующий диод, причем точка соединения катода диода и коллектора n-p-n транзистора одной пары соединена через резистор с базой p-n-p транзистора другой пары, точки соединения анода диода с коллектором p-n-p транзистора одного моста электронной схемы коммутации подключены к первой диагонали, а другого к второй диагонали мостовой схемы двухфазной обмотки двигателя.

Однако и эта схема является довольно сложной и не обеспечивает достаточной надежности в эксплуатации, кроме того, в ней не предусмотрено ограничение пускового тока (пускового момента).

Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков, т. е. упрощение схемы, повышение надежности и обеспечение ограничения пускового тока.

Решение поставленной задачи достигается благодаря тому, что в бесконтактном двигателе постоянного тока, содержащем двухфазную обмотку, секции которой соединены по мостовой схеме, два датчика положения ротора двигателя, подключенные к шинам питания и сдвинутые пространстве относительно друг друга на 90 эл. град. и электронную схему коммутации последняя выполнена в виде двух силовых p-n-p транзисторов и двух силовых n-p-n транзисторов, подключенных эмиттерами к соответствующей шине питания, базы первых p-n-p и n-p-n транзисторов подключены к выходу соответствующего датчика положения ротора двигателя, базы вторых p-n-p и n-p-n транзисторов через соответствующие резисторы соединены с коллекторами первых p-n-p и n-p-n транзисторов, коллекторы одноименных транзисторов подключены к соответствующей диагонали мостовой схемы двухфазной обмотки, в каждое плечо которой последовательно с секцией обмотки включена цепочка из параллельно соединенных резистора и конденсатора, одним выводом RC-цепочки попарно соединены между собой, причем точки их соединение образуют две вершины моста, другим выводом подключены к разноименным выводам секций двухфазной обмотки, образующих противоположные плечи моста.

Сущность изобретения поясняется принципиальной электрической схемой заявляемого устройства. Бесконтактный двигатель постоянного тока содержит две цепочки из последовательно соединенных резистора 1(2) и датчика 3(4) положения ротора двигателя, включенные между положительной и отрицательной шинами питания, электронную схему коммутации, выполненную на двух силовых p-n-p транзисторах 5, 6 и двух силовых n-p-n транзисторах 7, 8, эмиттеры которых подключены соответственно к положительной и отрицательной шинам питания. Базы транзисторов 5 и 7 соединены соответственно с выходами датчиков 3 и 4 положения ротора двигателя, а их коллекторы соединены соответственно с базами транзисторов 6 и 8 через резисторы 9 и 10. Двухфазная обмотка двигателя выполнена в виде одинаковых секций 11, 12, 13, 14, соединенных между собой по мостовой схеме, в каждое плечо которой последовательно с секцией обмотки включена цепочка из параллельно соединенных резистора 15 (16, 17, 18) и конденсатора 19 (20, 21, 22). В одну диагональ этой схемы включены коллекторы транзисторов 5 и 6, в другую коллекторы транзисторов 7 и 8.

В качестве датчиков 3, 4 положения ротора двигателя могут быть использованы датчики Холла, магниторезисторы, пары фотодиод-светодиод и т.п. причем датчики должны быть сдвинуты в пространстве относительно друг друга на 90 эл. град.

При вращении ротора двигателя в момент прохождения им точки, где расположен первый датчик 3 положения, условно называемой нулевой, открывается транзистор 5 и остается открытым до тех пор, пока ротор не повернется на 180 эл. град. относительно этой точки. После чего транзистор 5 закроется.

В момент прохождения ротором второй точки, отстоящей от нулевой на 90 эл. град. где расположен второй датчик 4 положения, открывается транзистор 7 и остается открытым до тех пор, пока ротор не повернется на 180 эл. град. относительно данной точки.

Таким образом, зона, когда одновременно открыты оба транзистора 5 и 7 составляет 90 эл. град. При этом через секцию 11 двухфазной обмотки протекает полный ток, т.е. ток, определяемый сетевым напряжением и сопротивлением секции обмотки, от точки "г" к точке "а". Одновременно одна треть полного тока протекает через секции 12, 13, 14. Магнитные поля секций 14 и 12 взаимно уничтожаются, а магнитные поля секций 13 и 11 складываются, что обеспечивается схемой включения фаз обмотки.

После того, как датчик 3 отключит транзистор 5, а транзистор 7 будет оставаться открытым при повороте ротора еще на 90 эл. град. ток базы транзистора 6 потечет через резистор 9, секцию 11 обмотки и цепь коллектор-эмиттер транзистора 7, транзистор 6 откроется. Ранее, когда транзистор 5 был открыт, транзистор 6 не мог открыться, т.к. его база была фактически соединена с положительной шиной питания. В результате полный ток потечет через секцию 12 обмотки от точки "б" к точке "а", а одна треть тока - через секции 13, 14, 11. Здесь так же, как было описано выше, поля двух секций обмотки в данном случае 11 и 13 взаимно уничтожаются, а поле секции 14 сложится с полем секции 12 и увеличит рабочий магнитный поток двигателя на одну треть.

В дальнейшем работа схемы происходит аналогично: откроется транзистор 8, и полный ток потечет через секцию 13, а одна треть тока через секции 12, 11, 14 обмотки. Затем вновь откроется транзистор 5, и полный ток потечет через секцию 14, а одна треть тока через секции 11, 12, 13. Во всех случаях поля двух противоположно расположенных секций обмотки, по которым течет одна треть полного тока, взаимно уничтожаются, а поле секции, расположенной против секции, по которой течет полный ток, складывается с этим полем.

При вращении с частотой, близкой к холостому ходу, резисторы 15, 16, 17 и 18 шунтируются соответственно конденсаторами 19, 20, 21 и 22 и не участвуют в работе. По мере снижения частоты вращения вследствие, например, увеличения нагрузочного момента сопротивление RC-цепочки возрастает, и при останове двигателя ток в обмотке будет определяться суммой сопротивлений собственно секции и последовательно включенного резистора.

Таким образом, в данной схеме при наличии упрощенной схемы коммутации обеспечивается угол коммутации 90 эл. град. на одну треть увеличивается рабочий магнитный поток машины, а токи в секциях двухфазной обмотки, поля которых взаимно уничтожаются, незначительно увеличивают потери в меди.

Заявляемый бесконтактный двигатель постоянного тока значительно проще по своему схемному решению по сравнению с описанными выше аналогом и прототипом и обладает повышенной надежностью как за счет уменьшения числа радиоэлектронных элементов, так и за счет того, что между комплементарными парами транзисторов включены обмотки двигателя, это исключает возможность короткого замыкания источника питания. Кроме того, предложенная схема позволяет получить механическую характеристику любого вида с ограничением пускового момента и тока и создать оптимальную конструкцию исполнительного механизма без закладывания излишнего запаса прочности, т.е. снизить его вес и габариты, а также получить, в частности, эквивалент асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, что целесообразно, например применять в приводах с вентилятором. В данном случае при выходе последнего в силу каких-либо причин на упор исключается отказ двигателя, поскольку не происходит резкого возрастания тока.

Источники информации:
1. Акцептованная заявка Японии N 49-11481, кл. 56 A 42.

2. Акцептованная заявка Японии N 51-43163, кл. 55 C 2.

Использование: в управляемых и неуправляемых приводах постоянного тока для различных систем автоматического управления и регулирования. Сущность: бесконтактный двигатель постоянного тока содержит двухфазную обмотку, секции которой соединены по мостовой схеме, два датчика положения ротора двигателя, сдвинутые в пространстве друг относительно друга на 90 эл. град. и подключенные к электронной схеме коммутации. Электронная схема коммутации выполнена на четырех силовых транзисторах, включенных в соответствующую диагональ мостовой схемы двухфазной обмотки двигателя. В каждое плечо мостовой схемы обмотки включена цепочка из параллельно соединенных резистора и конденсатора. 1 ил.

Бесконтактный двигатель постоянного тока, содержащий двухфазную обмотку, секции которой соединены по мостовой схеме, два датчика положения ротора двигателя, подключенные к шинам питания и сдвинутые в пространстве относительно друг друга на 90 эл.град. и электронную схему коммутации, отличающийся тем, что электронная схема коммутации выполнена в виде двух силовых р-n-р транзисторов и двух силовых n-р-n транзисторов, подключенных эмиттерами к соответствующей шине питания, базы первых р-n-р и n-р-n транзисторов подключены к выходу соответствующего датчика положения ротора двигателя, базы вторых р-n-р и n-р-n транзисторов через соответствующие резисторы соединены с коллекторами первых р-n-р и n-р-n транзисторов, коллекторы одноименных транзисторов подключены к соответствующей диагонали мостовой схемы двухфазной обмотки, в каждое плечо которой последовательно с секцией обмотки включена цепочка из параллельно соединенных резистора и конденсатора, одним выводом RC-цепочки попарно соединены между собой, причем точки их соединения образуют две вершины моста, другим выводом подключены к разноименным выводам секций двухфазной обмотки, образующих противоположные плечи моста.