Вентильные двигатели

Основные преимущества ДПТ – хорошие регулировочные свойства, большой пусковой момент сопровождаются пониженной надежностью, чувствительность к воздействию окружающей среды – все это связанно с конструкцией щеточно-коллекторного узла, выполняющего функции коммутирования секций якорной обмотки. С развитием электроники появилась возможность заменить механический коммутатор бесконтактным. Двигатели получили название вентильных или бесконтактных двигателей постоянного тока.

Вентильные двигатели, как правило, состоят из трех конструктивных узлов:

1. бесконтактного двигателя с m - фазной обмоткой на статоре (аналог обмотки якоря) и ротором в виде постоянного магнита или электромагнита (в двигателях до 30 кВт – постоянные магниты; мощностью более 30 кВт электромагнитное возбуждение);

2. датчика положения ротора, изготовленного в одном корпусе с двигателем и вырабатывающим сигналы управления, определяющие момент времени и последовательность коммутации обмоток двигателя;

3. бесконтактного коммутатора, который по сигналам датчика положения (ДП) коммутирует обмотки управления.

В обычном ДПТ число коммутируемых секций якорной обмотки равно числу пластин коллектора, поэтому переход на бесконтактный коммутатор предполагает применение значительного числа (несколько десятков транзисторов или тиристоров, что значительно усложняет и удорожает конструкцию двигателя. Компромиссным решением является, как правило, введение трехсекционной обмотки (иногда 4-х секционной).

Рис. 8. Принцип действия вентильного двигателя: обмотки статора соединенные звездой; ротор – постоянный магнит

На статоре ДПР расположены аналогично обмотки двигателя и чувствительные элементы, которые вырабатывают сигнал на включение соответствующего транзистора коммутатора. Число чувствительных элементов равно числу обмоток статора. Ротор ДПР имеет вид сегмента, который является сигнальным элементом положения ротора двигателя.

Если сигнальный элемент находится напротив (возле) чувствительного элемента, то последний вырабатывает сигнал для открытия транзистора. Транзисторы работают в ключевом режиме.

Вращение двигателя. Создается так: в данном положении (см. рис.7) – чувствительный элемент А вырабатывает сигнал, транзистор А открывает и ток протекает по фазе А.

Создается магнитный поток, взаимодействуя с магнитным потоком ротора, возникает вращающий момент и ротор двигателя поворачивается (например, по часовой стрелке).

При повороте на 30⁰ уже будут включены две фазы А и В. Еще повернувшись на 30⁰ будет включена фаза В и т.д. Чем быстрее вращается ротор двигателя, тем чаще происходит коммутация обмоток статора. Таким образом, работа вентильного двигателя напоминает работу синхронного двигателя, но имеет ряд особенностей.

Особенности работы и характеристик

Особенности работы и характеристик вызваны небольшим числом статорных обмоток. Магнитный поток статора поворачивается скачкообразно, поэтому момент при движении ротора меняется по величине.

где С – конструктивный коэффициент; Ф – магнитный поток ротора; F – МДС статорных обмоток; - угол между МДС и Ф ротора.

Если считать, что ротор с большой инерцией, т.е. движется равномерно, то М = f (a) можно рассматривать как М = f (t). Реакция якоря также не постоянна по величине, так как меняется угол (отклоняется от 90⁰). Угол меняется в определенных пределах также переключением обмоток статора (поворот угла МДС) зависит от положения ротора (поток Ф). Пульсации токов – максимальны, так как обмотки включаются дискретно и различно число их, то суммарный ток пульсирует.

Влияние индуктивности обмоток статора

В вентильном двигателе индуктивность обмотки статора значительна, поэтому при большой частоте коммутации ток в отдельной обмотке не успевает достигнуть установившегося значения.

где I_уст – ток при L=0; Т – постоянная времени L/R; t – промежуток между коммутациями обмотки (продолжительность включения).

Датчики положения ротора (ДПР)

В качестве чувствительных элементов находят применение датчики Холла, магнитодиоды, электромагнитные, фотодиоды.

Рис. 9. Электромагнитный ДПР: 1 – первичные питающие обмотки (должно быть 6 штук для реверсивного); 2 – диск ферромагнитный; 3 – выходные обмотки, управляют транзисторами коммутатора

Обмотки выходные расположены противоположно, которые управляют одной фазой (а – а’). Если привод не реверсивный, то всего 3 питающих и 3 выходных обмотки.

Там где диск перемыкает магнитопровод, индуцируется ЭДС в 3.