10. ДВИГАТЕЛЬ-МАХОВИК С БЕСКОЛЛЕКТОРНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Наиболее перспективным двигателем для применения в качестве привода маховиков является бесколлекторный электродвигатель постоянного тока с электронной коммутацией. Он обладает существенными преимуществами перед обычными коллекторными электродвигателями постоянного тока. Наряду с такими достоинствами коллекторного двигателя, как хорошая линейность регулировочной характеристики, высокий к. п. д., низкая пульсация момента, небольшие размеры и масса, бесколлекторный двигатель не требует установки щеток и связанной с этим герметизации щеточно-коллекторного узла. Такой двигатель не создает акустического шума, возникающего при механической коммутации, и не является источником радиотехнических помех.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока имеет также существенные преимущества и перед электродвигателями переменного тока, использующимися в качестве привода маховиков. Он легче, потребляет меньшую по сравнению с электродвигателем переменного тока мощность, имеет сравнимую или лучшую надежность, обеспечивает более точное управление угловым положением аппарата [20]. Кроме того, для такого электродвигателя отношение полезного момента к его массе больше, чем для электродвигателей переменного тока. Бесколлекторный двигатель постоянного тока может работать в широком диапазоне скоростей. Срок службы бесколлекторного электродвигателя постоянного тока определяется главным образом подшипниками, поэтому можно практически реализовать электродвигатель с достаточно большим сроком службы — до нескольких лет и более.

Важным преимуществом бесколлекторных электродвигателей постоянного тока также является возможность пространственного разъединения силового узла и электронного блока коммутации электродвигателя. Это обстоятельство упрощает схему охлаждения электродвигателя, так как часть общих потерь энергии в нем приходится на коммутирующие цепи. Больше того, коммутирующий узел может действовать в среде с нормальной температурой даже тогда, когда электродвигатель должен работать при высокой температуре окружающей среды.

Недостатки применяемых в настоящее время бесколлекторных электродвигателей постоянного тока: ограниченная возможность работы в широком диапазоне температур окружающей среды (что лимитируется характеристиками полупроводниковых элементов) и их высокая стоимость.

Бесколлекторный двигатель-маховик (рис. 11.47) представляет собой машину с постоянными магнитами на роторе 3 и обмоткой расположенной на статоре 2 [13]. Для бесконтактного переключения обмотки статора используется электронный коммутатор ЭК, который выполняет роль коллектора. Электронный коммутатор управляется от датчика положения, выполняющего функции щеток коллекторного электродвигателя постоянного тока. Датчик положения обычно выполняется бесконтактным. Чувствительные элементы датчика положения 4, генерирующие выходные сигналы, размещаются на статоре, а с валом электродвигателя связывается якорь 5 датчика положения, форма которого определяет порядок чередования и длительность сигналов чувствительных элементов датчика.

Рис. II.47. Принципиальная схема бесколлекторного электродвигателя постоянного тока

Особенность бесколлекторного электродвигателя постоянного тока состоит в том, что частота переключения секций обмотки статора регулируется автоматически самой машиной, благодаря наличию позиционной обратной связи ротора по отношению к статору, характерной для коллекторной машины. Это позволяет рассматривать бесколлекторный электродвигатель постоянного тока как аналог коллекторного двигателя с независимым возбуждением.

Основные характеристики бесколлекторного электродвигателя постоянного тока, количество переключающих элементов коммутатора, а также число чувствительных элементов датчика положения ротора определяются типом используемой обмотки статора электродвигателя и способом подключения ее к источнику питания.

Чтобы обеспечить хорошие пусковые характеристики и плавную работу двигателя-маховика, обмотка статора бесколлекторного приводного электродвигателя должна быть многофазной. Чем больше число фаз, тем лучше пусковые свойства и равномернее работа машины. Однако увеличение числа фаз обмотки статора двигателя усложняет схему коммутатора и увеличивает необходимое число элементов датчика положения. Поэтому для машин небольшой мощности наиболее рациональными являются двухфазные или трехфазные обмотки. Каждая секция обмотки статора может работать все время (двухполу-периодное преобразование) или часть времени (однополупериодное преобразование). При двухполупериодном преобразовании лучше используется обмотка статора, однако схема коммутатора значительно усложняется (число элементов увеличивается в 2 раза).

Для электродвигателей небольшой мощности рациональным является однополупериодное преобразование. Двухфазная обмотка при этом выполняется четырехсекционной с одновременной работой двух взаимно перпендикулярных секций, при этом все время работает

одна половина обмотки. При трехфазной обмотке с тремя секциями и однополупериодном преобразовании секции работают поочередно и обмотка используется на одну треть [13]. Схемы различных типов обмотки статора и способы подключения к источнику питания показаны на рис. II.48.

Обмотка статора бесконтактного электродвигателя маховиков может выполняться либо замкнутой, либо разомкнутой.

Рис. II.48. Схемы различных типов обмоток статора и способы подключения их к источнику питания: а — замкнутая; б — разомкнутая; в — разомкнутая с последовательным подключением секций к источнику питания; г — разомкнутая с параллельным подключением секций к источнику питания

Применение замкнутых обмоток улучшает использование материала, но требует двухполупериодного преобразования питающего напряжения, что усложняет коммутирующее устройство. Поэтому для электродвигателей небольшой мощности обычно применяются разомкнутая обмотка и однополупериодное преобразование напряжения.

На рис. II.49 изображены функциональная и структурная схемы электродвигателя с однополупериодным преобразованием. Фазы обмотки электродвигателя питаются постоянным током от источника питания через управляемый датчиком положения ДП электронный коммутатор

Управление электронным коммутатором ЭК осуществляется сигналами вырабатываемыми датчиком положения ДП в зависимости

от угла поворота вала двигателя ЭДв. Последовательное переключение транзисторов коммутатора синхронно с вращением ротора Р создает вращающееся магнитное поле. Вращение этого поля скачкообразное. При протекании тока по одной из фаз магнитное поле, создаваемое током этой фазы, неподвижно в пространстве. При включении следующей фазы направление магнитного поля займет в пространстве положение, отличное от предыдущего на — электрических градусов, где — число фаз. Ротор электродвигателя будет следовать за вращающимся полем статора. Аналогично работает бесколлекторный электродвигатель с трехфазной двухполупериодной схемой, только поворот магнитного поля при переключении фаз в каждом случае происходит на град

Рис. II.49. Схемы бесколлекторного электродвигателя постоянного тока с трехфазной обмоткой и однополуперйодным преобразователем: a — функциональная схема; б — структурная схема

Характеристики и уравнения, описывающие электромеханические процессы бесколлекторного двигателя-маховика постоянного тока, можно считать идентичными характеристикам и уравнениям обычной коллекторной машины постоянного тока с возбуждением от постоянного магнита [20].