КОММУТАТОР ДЛЯ ДВУХФАЗНОГО БЕСКОЛЛЕКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК H02P6/14 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам управления двухфазными бесколлекторными двигателями.

На роторе бесколлекторного вентильного двигателя расположены постоянные магниты, создающие магнитный поток возбуждения, а обмотки якоря расположены на статоре. Питание обмоток статора осуществляется таким образом, что между ее намагничивающей силой и потоком возбуждения сохраняется смещение в 90 градусов. При вращающемся роторе такое положение может сохраняться в результате переключения обмоток статора в определенные моменты времени и с заданной последовательностью. Эта задача решается с помощью устройств управления - коммутаторов.

Известен коммутатор для вентильного двигателя, содержащий датчик положения ротора, в качестве которого может быть использован датчик Холла, подключенный к транзистору, регулирующему токи в обмотках двигателя. Для работы таких устройств требуется значительное напряжение, а использование датчика Холла усложняет конструкцию коммутатора, так как для его размещения требуется значительная площадь, высокая точность установки и напряжение питания выше определенного минимального уровня.

Наиболее близким решением, решающим ту же задачу, является коммутатор, содержащий первый и второй транзисторы, одни выводы которых предназначены для подключения соответственно к первой и второй фазным обмоткам двигателя, соединенным разноименными выводами с шиной источника питания, а другие - для подключения к общей шине источника питания, вход первого транзистора предназначен для подключения через резистор к шине питания, а вход второго предназначен для подключения через второй резистор к общей точке подключения первого резистора к первой фазной обмотке. Коммутатор также содержит датчик Холла, воздействующий на транзисторы для регулирования токов в обмотке двигателя. Недостатком такого коммутатора является также невозможность использования его при напряжении менее 1...2 В, поскольку отсутствуют интегральные схемы с датчиками Холла с таким низким уровнем напряжения питания.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является расширение ассортимента конструкций коммутаторов и расширение функциональных возможностей коммутатора.

Этот технический результат достигается тем, что в коммутаторе для двухфазного вентильного двигателя, содержащем первый и второй транзисторы, первые выходные выводы которых предназначены для подключения соответственно к первой и второй фазным обмоткам двигателя, соединенным разноименными выводами с шиной источника питания, а вторые - для подключения к общей шине источника питания, входной вывод первого транзистора подключен к выводу первого резистора, другой вывод которого предназначен для подключения к шине источника питания, а входной вывод второго транзистора подключен к выводу второго резистора, другой вывод которого подключен к первому выходному выходу первого транзистора, первый выходной вывод второго транзистора подключен к выводу первого резистора, подключенному к входному выводу первого транзистора, через дополнительно введенный конденсатор. При этом входной вывод первого транзистора может быть подключен к точке соединения конденсатора с выводом первого резистора через дополнительно введенный третий резистор. Кроме того, второй резистор может быть подключен к первому выходному выводу первого транзистора через дополнительно введенный второй конденсатор, при этом точка соединения второго резистора со вторым конденсатором подключена к выводу дополнительно введенного четвертого резистора, другой вывод которого предназначен для подключения к шине источника питания.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема коммутатора с несимметричной емкостной связью, нагруженного на двухфазный бесколлекторный двигатель; на фиг. 2 - схема коммутатора с улучшенным режимом пуска; на фиг.3 - принципиальная схема коммутатора с симметричными емкостными связями.

Коммутатор 1 (фиг. 1) состоит из первого 2 и второго 3 транзисторов, первые выходные выводы которых предназначены для подключения соответственно к первой 4 и второй 5 фазным обмоткам двигателя 6, соединенным разноименными выводами с шиной источника питания, а вторые выходные выводы подключены к общей шине. Входной вывод первого транзистора 2 подключен к выводу первого резистора 7, другой вывод которого предназначен для подключения к шине источника питания, а входной вывод второго транзистора 3 подключен к выводу второго резистора 8, другой вывод которого подключен к первому выходному выводу первого транзистора 2. Дополнительный конденсатор 9, соединяющий первый выходной вывод второго транзистора 3 с выводом первого резистора 7, связанным с входным выводом первого транзистора 2, замыкает петлю положительной обратной связи, охватывающей нагрузочный контур коммутатора и обеспечивающей режим самовозбуждения коммутатора в пусковой период в номинальном режиме работы двигателя. При большом коэффициенте взаимной связи фазных обмоток 4 и 5 двигателя 6 с целью исключения нежелательного высокочастотного режима самовозбуждения может быть использован прием шунтирования транзисторов 2 и 3 коммутатора 1 конденсаторами 10 и 11.

Введение в схему дополнительного резистора 12, соединяющего входной вывод первого транзистора 2 с общей точкой соединения дополнительного конденсатора 9 с первым резистором 7 (фиг.2), расширяет диапазон регулирования скважности и улучшает пусковой режим коммутатора.

Наиболее благоприятный режим со скважностью, равной 2, обеспечивается схемой коммутатора с симметричными емкостными связями (фиг.3), содержащей второй дополнительный резистор 13, один из выводов которого соединен с выводом резистора 8, связанным с первым выходным выводом первого транзистора 2, а другой вывод резистора 13 предназначен для подключения к шине источника питания, и второй дополнительный конденсатор 14, соединяющей первый выходной вывод первого транзистора 2 с точкой соединения резисторов 8 и 13.

Коммутатор работает следующим образом. При подаче напряжения на шину источника питания вначале происходит заряд конденсаторов 9, 10 и 11, которые обуславливают нарастание потенциалов на входах обоих транзисторов 2 и 3. Первым открывается транзистор, входной потенциал которого раньше превысит входной пороговый уровень, равный для биполярных транзисторов 0,6...0,7В. В схеме на фиг. 1 первым может открыться транзистор 2, входной потенциал которого определяется суммарным напряжением на конденсаторах 9 и 11. Снижение падения напряжения на открытом транзисторе 2 передается через резистор 8 на вход второго транзистора 3 и последний переходит в режим отсечки, а нарастающее напряжение на закрытом транзисторе 3 передается через конденсатор 9 на вход первого транзисторы и он переходит в режим насыщения. В результате в фазной обмотке 4 двигателя 6, подключенной через транзистор 2 к источнику питания, возникает ток, возбуждающий силовой магнитный поток, который взаимодействует с полем постоянных магнитов ротора двигателя 6.

Создание вращающего момента обусловлено положением ротора на момент включения транзистора 2. Наиболее неблагоприятный случай имеет место при положении ротора в "мертвой точке" или вблизи ее, когда противоположные полюса ротора и катушек обмотки 2 двигателя 6 оказываются совмещенными: они притягиваются и ротор "затормаживается" в этом положении на весь период открытого состояния транзистора 2. По мере заряда конденсатора 9 через обмотку 5 двигателя 6 и транзистор 2 входной ток транзистора 2 снижается. Последний выходит из режима насыщения, падение напряжения на выходных выводах растет и в момент достижения его входного порогового уровня второй транзистор 3 открывается. Снижение падения напряжения на втором транзисторе 3 передается через конденсатор 9 на вход первого транзистора 2, и его запирание ускоряется. Происходит лавинообразный процесс переключения транзисторов: первый транзистор 2 переходит в режим отсечки, а второй 3 - в режим насыщения. При этом силовой ток в первой обмотке 4 прерывается, и к источнику питания подключается вторая обмотка 5 двигателя 6. Ток обмотки 5 возбуждает магнитный поток противоположного направления. В результате в момент включения второго транзистора 3 совмещенными оказываются уже одноименные полюса катушек обмотки 5 и ротора двигателя 6, они отталкиваются друг от друга и возникает вращающий момент. Вращение ротора приводит к изменению результирующего магнитного патока и возникновению в обмотках 4 и 5 ЭДС самоиндукции, величина которой пропорциональна скорости вращения ротора. В обмотке 5 под действием напряжения источника питания и ЭДС самоиндукции формируется силовой ток, изменяющийся по гармоническому закону, а ЭДС самоиндукции обмотки 4, включенной согласно с обмоткой 5, формирует ток управления транзистором 3.

С момента спада ЭДС обмотки 4 до нуля, обусловленного прохождением вращающимся ротором "мертвой точки", входной ток транзистора 3 заметно уменьшается, и он выходит из режима насыщения. Как только падение напряжения на транзисторе 3 достигает порогового входного уровня, вновь открывается первый транзистор 2, в свою очередь снижение падения напряжения на первом транзисторе 2 ускоряет запирание второго транзистора 3. Происходит лавинообразное переключение транзисторов 2 и 3. Ток обмотки 5 прерывается, а ток обмотки 4 возбуждает магнитный поток противоположного направления. В результате с этого момента совмещенными оказываются вновь одноименные полюса катушек обмотки 4 и ротора двигателя 6. Под действием отталкивающих сил и инерции ротор двигателя продолжает вращаться в том же направлении, а ЭДС обмотки 5 формирует входной ток, который удерживает первый транзистор 2 в насыщенном состоянии в течение следующего полупериода гармонического колебательного процесса в силовой цепи. Последующие коммутации транзисторов 2 и 3 обусловлены изменением полярности ЭДС ненагруженной обмотки в момент прохождения вращающимся ротором двигателя "мертвой точки", когда снижение входного тока выводит проводящий транзистор из насыщенного состояния, а рост падения напряжения на нем приводит к отпиранию транзистора, находящегося в режиме отсечки, и лавинообразному процессу переключения транзисторов. Таким образом обеспечивается синхронное переключение транзисторов 2 и 3 коммутатора 1 в номинальном режиме работы двигателя.

Если в начальный период пуска ротор двигателя 6 находится в положении, когда магнитные полюса катушек обмотки с силовым током оказываются совмещенными с одноименными полюсами постоянных магнитов ротора, то уже на первом такте возникает максимальный вращающий момент и происходит "захват" коммутатором рабочей частоты. В промежуточном положении ротора вращающийся момент может оказаться незначительным и "захват" рабочей частоты на первом такте не произойдет. В этом случае ротор затормозится, остановиться в "мертвой точке", когда произойдет совмещение разноименных магнитных полюсов ротора и катушек с током. Но уже на втором пусковом такте при таком положении ротора возникает максимальный вращающийся момент и происходит "захват" рабочей частоты.

Однако в случае большой разницы постоянных времени цепей заряда и разряда конденсатора 9: зарядная цепь - источник питания, обмотка 5 и входная цепь транзистора 2; разрядная цепь - источник питания, резистор 7 и выходная цепь открытого транзистора 3, скважность работы коммутатора в пусковой период может оказаться столь высокой, что следующая коммутация транзисторов возникает раньше, чем произойдет "захват" рабочей частоты, что приводит к торможению вращающего ротора. Кроме того, в этой схеме может установиться несимметричный рабочий режим коммутатора 1 скважностью, не равной 2, который обуславливает меньший вращающий момент и скорость вращения двигателя. Таким образом могут возникнуть дополнительные трудности в выборе элементов схемы.

Резистор 12, введенный во входную цепь транзистора 2 (фиг.2), позволяет выравнить постоянные времени зарядной и разрядной цепей конденсатора 9, так как сопротивление зарядной цепи повышается, и тем самым исключить неблагоприятное влияние разброса параметров обмоток двигателя на пусковой и рабочий режимы коммутатора.

Наиболее строгий симметричный режим работы коммутатора со скважностью, равной 2, может обеспечить схема с дополнительно введенными резистором 13 и конденсатором 14 (фиг. 3). Она допускает большой разброс параметров как двигателя, так элементов схемы. В отличие от предыдущих устройств при подаче напряжения на шину источника питания вероятность отпирания первым для обоих транзисторов 2 и 3 коммутатора 1 оказывается одинаковой. На практике из-за незначительного разброса параметров один из транзисторов отпирается чуть раньше. Благодаря двум емкостным цепям положительной обратной связи, второй транзистор быстро переходит в режим отсечки, а первый - в режим насыщения. Так же, как и в первом устройстве (см. фиг. 1) на первом такте возможны либо режим "захвата" рабочей частоты, либо ротор затормаживается в "мертвой точке". В последнем случае режим "захвата" рабочей частоты происходит на втором такте. Параметры постоянной времени цепи заряда конденсаторов 12 и 14 выбираются одинаковыми так, чтобы частота коммутации транзисторов в пусковой период была на порядок ниже рабочей.

В рассмотренных устройствах не требуется контролировать положение ротора в пусковой период, коммутатор на первом такте сам устанавливает необходимое "стартовое" положение ротора. Контроль положения ротора в рабочем режиме осуществляется с помощью тех же обмоток двигателя в периоды, когда они оказываются практически обесточенными. Коммутатор автоматически поддерживает максимальную скорость вращения: чем больше скорость вращения, тем больше глубина положительной обратной связи, обусловленная конденсаторами 12 и 14.

При неожиданном торможении ротора из-за попадания во вращающуюся часть двигателя инородных тел или других причин коммутатор автоматически переходит в режим повторного запуска - режим генерации на низкой частоте. В результате с момента устранения причины торможения автоматически происходит запуск двигателя.

Рассмотренные выше схемы наиболее удобны для коммутации бесколлекторных двигателей вентиляторов, не требующих регулирования скорости вращения.

Изобретение может быть использовано двухфазным бесколлекторным двигателем. Технический результат заключается в расширении ассортимента конструкций коммутаторов и расширении их функциональных возможностей. Коммутатор содержит первый и второй транзисторы, первые и вторые выходные выводы которых предназначены для подключения к фазным обмоткам двигателя и общей шине источника питания соответственно. Входной вывод первого транзистора подключен к выводу первого резистора, другой - к шине источника питания. Входной вывод второго транзистора подключен к выводу второго резистора, другой вывод - к первому выходному выводу первого транзистора, первый выходной вывод транзистора подключен к выводу первого резистора, подключенного к входному выводу первого транзистора через конденсатор. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Коммутатор для двухфазного вентильного двигателя, содержащий первый и второй транзисторы, первые выходные выводы которых предназначены для подключения соответственно к первой и второй фазным обмоткам двигателя соединенным разноименными выводами с шиной источника питания, а вторые выходные выводы - для подключения к общей шине источника питания, входной вывод первого транзистора подключен к выводу первого резистора, другой вывод которого предназначен для подключения к шине источника питания, а входной вывод второго транзистора подключен к выводу второго резистора, другой вывод которого подключен к первому выходному выводу первого транзистора, отличающийся тем, что первый выходной вывод второго транзистора подключен к выводу первого резистора, подключенному к входному выводу первого транзистора через дополнительно введенный конденсатор. 2. Коммутатор по п. 1, отличающийся тем, что входной вывод первого транзистора подключен к точке соединения упомянутого конденсатора с выводом первого резистора через дополнительно введенный третий резистор. 3. Коммутатор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что второй резистор подключен к первому выходному выводу первого транзистора через дополнительно введенный второй конденсатор, при этом точка соединения второго резистора со вторым конденсатором подключена к выводу дополнительно введенного четвертого резистора, другой вывод которого предназначен для подключения к шине источника питания.