Бесконтактные электродвигатели постоянного тока

Опубликовано: 07.10.2017

видео Бесконтактные электродвигатели постоянного тока

Двигатель постоянного тока и эксперимент генератор постоянного тока

Для нормальной работы двигателя постоянного тока необходимо изменять направление тока в проводниках якорной обмотки при изменении его положения относительно полюсов магнитного поля статора. Это переключение в обычных двигателях постоянного тока обеспечивается с помощью коллектора, простейшая конструкция которого показана на рис. 2,в. Однако наличие этого устройства, принципиально необходимого для двигателей постоянного тока, вызывает появление у этих двигателей некоторых нежелательных свойств.



В первую очередь к ним относится необходимость постоянного надзора и ухода за коллекторно-щеточным узлом, так как при эксплуатации двигателя щетки истираются, а коллектор загрязняется и обгорает. Кроме того, неизбежное искрение щеточно-коллекторного аппарата создает радиопомехи, затрудняет применение двигателей во взрывоопасных помещениях и средах. Работа коллекторно-щеточного узла создает также дополнительный шум при работе двигателя.


Вентильные двигатели

Стремление устранить механический коллекторно-щеточный узел и заменить его каким-либо бесконтактным устройством с теми же функциями привело к появлению так называемых бесконтактных двигателей постоянного тока. Эти двигатели имеют такие же характеристики, как двигатели с обычным коллектором, но обладают более высокой надежностью и простотой в эксплуатации, не создают при своей работе радиопомех и дополнительного шума.


Первые тесты двигателей для "электричек" - на неодимовых магнитах

В настоящее время разработано несколько видов таких двигателей, отличающихся друг от друга способом возбуждения, схемами включения обмоток и типами электрических коммутирующих устройств.

Подробное описание всех типов бесконтактных двигателей постоянного тока выполнить очень трудно, поэтому остановимся лишь на пояснении основных принципов их действия, общих для всех двигателей.

Схема рис. 1 иллюстрирует принцип работы так называемого двигателя с вращающимся выпрямителем.

Рис. 1. Принцип работы бесконтактного двигателя постоянного тока с вращающимся выпрямителем.

Обмотка якоря изображена рамкой, состоящей из проводников А и Б, помещенных в поле магнита N—S.

Представим, что на якоре расположено устройство, состоящее из четырех управляемых ключей К1—К4, которые могут замыкаться или размыкаться любым необходимым нам образом. Эти ключи соединены в так называемую мостовую схему, к одной из диагоналей которой подключены проводники рамки А и Б, а к другой с помощью скользящих контактов СК подводится напряжение от внешнего источника постоянного тока.

Обратимся вначале к схеме на рис. 1,а. Пусть в указанном на этой схеме положении рамки будут замкнуты ключи К1 и КЗ и разомкнуты ключи К2 и К4. Тогда ток в проводниках А и Б будет иметь указанное на рисунке направление и рамка под действием сил F будет поворачиваться против часовой стрелки.

Рассмотрим теперь положение рамки после ее поворота на 180°, показанное на рис. 1,6. Допустим при этом, что ключи К1 и КЗ разомкнулись, а ключи К2 и К4 замкнулись. Тогда, как нетрудно заметить из рис. 1,6, ток в проводниках А к Б изменит свое направление на противоположное. Вследствие этого сохранится взаимное расположение полюсов магнитного поля и проводников с током, соответствующее показанному на рис. 1,а, а тем самым и направление момента и частоты вращения якоря двигателя. При повороте рамки еще на 180° (рис. 1,а) вновь должны замкнуться ключи К1 и КЗ и разомкнуться ключи К2 и К4 и так далее.

Таким образом, имея рассмотренную ключевую схему, в которой ключи управляются в зависимости от положения рамки (якоря) двигателя указанным способом, можно обеспечить обычную работу двигателя постоянного тока.

Однако преимущества рассмотренной схемы коммутации по сравнению с обычным коллектором (механическим коммутатором) проявятся, очевидно, лишь в том случае, если ключи К1—К4 будут бесконтактными элементами, например полупроводниковыми приборами. Поэтому в реальных бесконтактных двигателях постоянного тока в качестве ключей К1—К4 мостовой схемы, приведенной на рис. 15, используются транзисторы (для двигателей небольших мощностей) или управляемые полупроводниковые диоды-тиристоры (для двигателей средних и больших мощностей.). Открытие и закрытие транзисторов или тиристоров происходят по сигналам специального датчика положения, который укреплен на роторе и выдает управляющие импульсы на соответствующие бесконтактные ключи в зависимости от положения проводников обмотки.

Таким образом, необходимыми элементами бесконтактного двигателя являются мостовая переключающая схема с бесконтактными полупроводниковыми ключами и датчик положения, управляющий этими ключами.

Следует отметить, что в некоторых конструкциях двигателей в качестве ключей используются герметичные контакты (герконы).

Однако у такого двигателя имеется существенный недостаток: токоподвод к якорю происходит с помощью скользящего щеточного контакта. Хотя такой узел рис. 2. Бесконтактный двигатель постоянного тока с обмоткой переменного тока на статоре (щетка — контактное кольцо) и не создает столько неудобств, сколько щеточно-коллекторное устройство, его наличие все же является нежелательным.

Результатом разработок полностью бесконтактного двигателя постоянного тока является конструкция, показанная на рис. 2. Она во многом напоминает устройство синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов: ротор двигателя (в такой конструкции двигателя он часто называется индуктором) представляет собой постоянный магнит, а обмотка переменного тока (на рис. 2 показан лишь один ее виток) уложена на неподвижной части двигателя — статоре. В остальном конструкция двигателя соответствует схеме на рис. 1: питание обмотки осуществляется от одной диагонали мостовой схемы, на вторую диагональ которой подается напряжение сети постоянного тока. Ключи К1—К4, образующие мостовую схему, также управляются от датчика положения ДП, установленного на роторе двигателя. В качестве ключей используются, как правило, транзисторы или тиристоры. Датчик положения вырабатывает импульсы для управления ключами таким образом, чтобы обеспечивалось нужное направление тока в проводниках обмотки статора при изменении положения ротора (индуктора).

Остановимся теперь несколько подробнее на описании специфичных узлов бесконтактного двигателя постоянного тока: мостовой схемы и датчика положения. Назначением мостовой схемы, как уже отмечалось выше, является изменение направления тока в обмотке якоря при работе двигателя, или, другими словами, преобразование постоянного тока источника питания в переменный ток проводников обмотки якоря.

Такое устройство, преобразующее постоянный ток в переменный, называется инвертором в отличие от выпрямителя, который преобразует переменный ток в постоянный).

Рассмотрим одну из распространенных схем тиристорного инвертора — мостовую двухполупериодную однофазную схему, работа которой по существу и рассматривалась выше на примерах схем рис. 1 и 2.

Основную часть схемы инвертора (рис. 3,а) образуют четыре тиристора 77—Т4 (аналогия ключей К.1— К4 в схемах на рис. 1 и 2). Тиристоры управляются импульсами напряжения от датчика положения: при подаче импульсов тиристоры начинают пропускать ток — открываются, при снятии импульсов—закрываются (отметим, что при питании тиристоров от сети постоянного тока для их закрытия после снятия управляющего импульса должна использоваться специальная коммутационная схема, которая на рис. 2 не показана.

rss