8. БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА И ДВИГАТЕЛЬ С ПЛОСКИМ РОТОРОМ

Бесколлекторный электродвигатель. В ряде отраслей промышленности и на транспорте могут существовать условия, когда коллекторные электродвигатели постоянного тока обычного исполнения неприменимы. К таким условиям в первую очередь следует отнести взрывоопасные газовые среды; различные агрессивные среды, быстро разрушающие коллектор; пониженное или повышенное давление; относительно низкую или высокую влажность. Сюда же можно отнести условия, в которых работают космические летательные аппараты, характеризующиеся наличием глубокого вакуума и отсутствием доступа к двигателю во время его эксплуатации. Кроме этого, из-за недостаточной механической прочности коллектора эти электродвигатели не находят широкого применения при создании высокооборотных электроприводов.

Радикальным способом расширения областей применения электродвигателей постоянного тока является создание машины постоянного тока с бесконтактными коммутаторами, в которых хорошие пусковые качества, энергетические и регулировочные характеристики коллекторных машин с постоянными магнитами сочетались бы с высокой надежностью бесколлекторных машин переменного тока.

Бесколлекторные электродвигатели постоянного тока по своим габаритным размерам и массе несколько больше коллекторных машин с постоянными магнитами и примерно соответствуют коллекторным электродвигателям с электромагнитным возбуждением.

Следует отметить, что применение бесконтактных коммутаторов приводит к более высокой стоимости электродвигателей по сравнению с коллекторными машинами. Однако возрастание стоимости вполне оправдывается значительным увеличением срока службы и повышением надежности. Например, срок службы бесколлекторных электродвигателей постоянного тока серии МБ от 3 до 10 тыс. в зависимости от исполнения, что значительно превышает сроки службы аналогичных по параметрам коллекторных электродвигателей постоянного тока.

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока, имеющий нагрузку Н, состоит из трех функциональных звеньев (рис. II. 38): собственно электродвигателя ЭДв, представляющего собой многофазную синхронную машину переменного тока;

статического полупроводникового коммутатора ПК, выполненного на бесконтактных переключающих элементах;

датчика положения ДП оси магнитного потока ротора электродвигателя относительно фаз обмотки статора, определяющего момент и последовательность коммутации фаз.

Рис. II.38. Блок-схема бесконтактного электродвигателя: ЭДв — электродвигатель; ДП — датчик положения; ПК — полупроводниковый коммутатор

Принцип действия. Принцип работы бесколлекторного электродвигателя постоянного тока рассмотрим на примере трехфазного бесколлекторного электродвигателя постоянного тока, принципиальная схема которого показана на рис. II.39 [11]. Обмотка электродвигателя 3 размещается на статоре. Система возбуждения выполняется в виде постоянного магнита, образующего ротор 2.

Основными элементами полупроводникового мостового коммутатора 4 являются транзисторы работающие в ключевом режиме. Электронный коммутатор бесколлекторного двигателя постоянного тока переключает секции обмотки двигателя по сигналам, генерируемым датчиком положения 1. Основными факторами при выборе схемы коммутатора и типа основных ее элементов являются простота, надежность, масса и габариты.

Электронный коммутатор имеет следующие преимущества по сравнению с механическим коммутатором. Во-первых, он не зависит от геометрической структуры машины и поэтому может осуществлять более сложные последовательности переключения без усложнения его конструкции. Во-первых, он реализуется неподвижными коммутирующими элементами и поэтому может прерывать более сильные индуктивные токи. Следовательно, электронный коммутатор не требует того, чтобы обмотка статора электродвигателя была выполнена замкнутой. В отличие от электродвигателей обычной конструкции, в двигателе с электронным коммутатором можно переключать каждую секцию обмотки в отдельности.

Рис. II.39. Принципиальная схема трехфазного бесконтактного электродвигателя постоянного тока

В качестве датчиков углового положения, управляющего транзисторами могут применяться: сопротивления, чувствительные к изменению магнитного потока; устройства, основанные на эффекте Холла; радиоактивные элементы; емкостные, трансформаторные (индукционные) и индуктивные датчики; фоточувствительные устройства. В настоящее время наибольшее распространение получили датчики, управляемые магнитным полем путем изменения величины рабочего зазора или степени насыщения магнитопровода, датчики э. д. с. Холла, фотоэлектрические, трансформаторные и индуктивные датчики.

Элементы датчика положения ротора относительно статора для надежного запуска электродвигателя должны формировать сигналы, не зависящие от угловой скорости вращения. Датчики положения ротора бесколлекторного электродвигателя постоянного тока должны

удовлетворять следующим требованиям: бесконтактность, высокая надежность, малые габариты и вес, стабильность выходного сигнала, высокая чувствительность к угловому положению ротора, высокая кратность сигнала на выходе по отношению к шуму, малое потребление энергии и хорошее согласование с входными цепями электронного коммутатора.

На рис. 11.39 показан датчик положения трансформаторного типа, основными элементами которого являются трансформаторы расположенные по окружности статора со сдвигом относительно друг друга на угол град. К первичным обмоткам датчика (клеммы а — а) подводится напряжение с частотой со вторичной обмотки ансфор матор а вспомогательного маломощного блокинг-генератора, выполненного на транзисторе

Рис. II.40. Векторные диаграммы электродвигателя: а — векторная диаграмма намагничивающих сил; — векторная диаграмма поля статора

Насыщение сердечников осуществляется внешним магнитным полем, создаваемым магнитом 6, расположенным на роторе датчика, одна половина которого состоит из магнита 6 с полюсным башмаком 7, другая представляет собой немагнитный полуцилиндр 5. Башмак из магнитно-мягкого материала необходим для создания определенной формы магнитного поля ротора. Величина воздушного зазора между ротором датчика и трансформаторами, расположенными на статоре, выбирается такой, чтобы сердечники, перекрытые полюсным башмаком ротора, оказались насыщенными, а сердечники, не перекрытые полюсным башмаком, — ненасыщенными. В положении ротора, указанном на рис. 11.39, трансформатор не насыщается. Индуктируемая в его вторичной обмотке

э. д. с. выпрямляется с помощью диода и открывает транзистор Фаза А электродвигателя оказывается подключенной к сети. Протекающий ток создает намагничивающую силу статора (рис. II.40, а), которая, взаимодействуя с магнитным потоком ротора Ф, обусловливает появление вращающего момента М. Под действием этого момента ротор электродвигателя вместе с ротором датчика поворачивается по часовой стрелке. Наступает момент, когда трансформатор переходит в ненасыщенное состояние, так как он выходит из зоны, перекрытой полюсным башмаком ротора датчика. Во вторичной обмотке появляется э. д. с., которая через диод открывает транзистор по фазе В начинает протекать ток, создающий намагничивающую силу Так как по фазе А ток течет по-прежнему, то поле статора будет определяться результирующей намагничивающей силой

Таким образом, поворот ротора электродвигателя на определенный угол приводит к скачкообразному перемещению поля статора. Вращающий момент приводит к дальнейшему повороту роторов двигателя и датчика, насыщению трансформатора и запиранию транзистора Фаза А отключается от сети, и намагничивающая сила статора определяется вектором т. е. поле статора скачком поворачивается в ту же сторону. Это снова приводит к повороту роторов электродвигателя и датчика положения и т. д. Таким образом, если момент развиваемый на валу, превышает момент нагрузки то происходит устойчивый запуск электродвигателя.

Механические характеристики. Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока рассматривается как синхронный электродвигатель, работающий от статического преобразователя, частота на выходе которого жестко связана со скоростью электродвигателя [3]. Особенностями его работы являются:

1. Зависимость частоты вращения ротора электродвигателя (об/мин) от напряжения сети и момента нагрузки на валу

где — частота основной гармоники тока в обмотке статора, Гц;

— число пар полюсов.

2. Постоянство угла сдвига между основными гармониками э. д. с., наведенной в обмотке статора полем ротора, и фазного напряжения

Величина 0 определяется углом сдвига в пространстве осей полюсов роторов электродвигателя и датчика, считая, что оси полюсов одноименных фаз их статоров совпадают. Угол не зависит от нагрузки на валу и напряжения сети.

Работа синхронного электродвигателя в качестве бесколлекторного электродвигателя постоянного тока в соответствии с условиями (11.103) и (11.104) исключает опасность выхода двигателя из синхронизма.

Рабочие характеристики бесколлекторного электродвигателя подобны характеристикам коллекторного электродвигателя постоянного тока, а угол эквивалентен углу сдвига щеток с геометрической нейтрали.

При работе электродвигателя от трехфазного мостового коммутатора, обеспечивающего двухполярное фазное напряжение на обмотке электродвигателя, можно написать следующее векторное уравнение напряжений:

где — напряжение, подводимое к обмотке статора;

Е - э. д. с., наводимая в обмотке статора потоком полюсов ротора;

— продольная составляющая тока статора;

— поперечная составляющая тока статора;

индуктивное сопротивление фазы, обусловленное потоком ротора; индуктивное сопротивление фазы, обусловленное потоком рассеяния; I — ток фазы статора; — активное сопротивление фазы статора.

Этому уравнению соответствует векторная диаграмма, приведенная на рис. 11.40, б.

Параметры электродвигателя и э. д. с., наводимые в обмотках, зависят от угловой скорости вращения, нагрузки на валу и напряжения сети. Принимая во внимание уравнение (11.105), выражение электромагнитной мощности электродвигателя на одну фазу можно записать в виде

где — синхронное индуктивное сопротивление фазы обмотки статора.

Из уравнения (II. 106) следует выражение для механической характеристики бесколлекторного электродвигателя постоянного тока

где — индуктивность фазы обмотки, соответствующая

— коэффициент пропорциональности;

— частота основной гармоники тока в обмотке;

Ф — магнитный поток ротора.

Уравнение (11.107) удобнее исследовать, записав его в следующей форме:

где — относительное значение электромагнитного момента;

— относительное значение частоты вращения;

— относительное значение индуктивности обмотки двигателя.

При соотношение (11.108) принимает вид

Уравнение (11.109) показывает влияние индуктивности обмотки на форму механической характеристики. На рис. II.41 построены механические характеристики электродвигателя при различных значениях индуктивности и угле Отметим основные отличия характеристик бесколлекторного электродвигателя постоянного тока от характеристик коллекторного электродвигателя, у которого можно принять Индуктивность обусловливает некоторую нелинейность механической характеристики, которая возрастает с увеличением скорости вращения. Механические характеристики, аналогичные характеристикам коллекторного электродвигателя, могут быть получены

только в случае, если обеспечена минимально возможная относительная индуктивность обмотки. Это может быть достигнуто уменьшением магнитной проводимости по путям потоков рассеяния обмотки и потока якоря, а также за счет снижения мощности электродвигателя.

Рис. II.41. Механические характеристики электродвигателя

Частота вращения электродвигателя может плавно меняться в некоторых пределах, если изменять напряжение сети. При этом механическая характеристика в двигательном режиме работы будет перемещаться вверх или вниз в соответствии с изменением напряжения оставаясь практически параллельной исходной. Допустимые пределы регулирования напряжения ограничиваются работоспособностью коммутатор а: верхний предел ограничен максимально допустимым напряжением для транзисторов, а нижний — снижением экономичности транзисторного коммутатора.

Динамика бесколлекторного электродвигателя. Уравнение динамики электродвигателя, записанное в относительной форме без учета индуктивности, имеет вид [13]:

где - относительная угловая скорость ротора;

— угол и угловая скорость поворота ротора, отсчитываемые от момента коммутации секции

— базовое значение угловой скорости идеального холостого хода;

— относительный момент нагрузки;

— функция, заданная на периоде как представляет собой последовательность усеченных по краям положительных волн косинусоид, примыкающих друг к другу и имеющих в начале и конце каждого периода значение

— межкоммутационный интервал, т. е. угол поворота ротора по отношению к статору между двумя последовательными переключениями;

— относительное время;

Т — электромеханическая постоянная времени.

Свойство периодичности функции по углу поворота позволяет произвести исследование неинтегрируемого уравнения (II.110). Разлагая в ряд Фурье и пренебрегая гармоническими составляющими второго и более высокого порядков, динамическое уравнение (11.110) при можно записать в виде

Общее приближенное решение уравнения (11.111) имеет вид

где

первое приближение, не учитывающее влияния первой гармоники;

Исходя из оценки полученного решения, можно считать, что длительность переходных процессов определяется длительностью переходного процесса порождающего решения

На основании линеаризованной механической характеристики электродвигателя может быть выведена идеализированная (без учета временного запаздывания и индуктивности обмотки) передаточная функция от напряжения возбуждения к угловой скорости вращения ротора электродвигателя а:

где — коэффициент передачи электродвигателя.

Таким образом, электродвигатель постоянного тока, в котором в качестве входной величины принята угловая скорость при отсутствии нагрузки эквивалентен по своим динамическим свойствам инерционному звену.