Бесколлекторный двигатель-маховик с фотоэлектронной коммутацией.

Одним из перспективных методов обеспечения бесконтактной коммутации является применение фотоэлектронного коммутатора, который представляет собой цилиндрический экран, связанный с ротором, выполненным из постоянного магнита. Внутри экрана помещен неподвижный источник света. Оптическое устройство во вращающемся экране формирует луч света, который попадает на неподвижные фоточувств ительные элементы, установленные вокруг экрана. При вращении ротора фоточувствительные элементы последовательно возбуждаются, вырабатывая управляющие сигналы, которые поступают на электронную схему коммутации. Последняя работает таким образом, чтобы генерируемый в статоре электродвигателя ток протекал в направлении, необходимом для создания вращающего момента.

Рис. II.50. Принципиальная схема бесколлекторного двигателя-маховика постоянного тока с датчиками Холла: 1, 2 — датчики; 3 — обмотки двигателя; 4 — ротор

Рис. II.51. Поперечное сечение двигателя-маховика с датчиками Холла: 1 — основание двигателя; 2 — корпус; 3 — датчик Холла; 4 — ротор двигателя; 5 — статор двигателя; 6 — инерционный маховик; 7 — установочная поверхность; 8 — электронные приборы; 9 — разъем; 10 — крышка

В качестве фоточувствительного элемента используются фотодиоды или фотосопротивления.

При выборе типа фоточувствительных устройств учитывают необходимость обеспечения высокого быстродействия, малых размеров, хорошей чувствительности к свету, минимальной чувствительности к изменению температуры. Отрицательным фактором при использовании

фоточувствительных устройств являются ограничения, накладываемые на электродвигатель по диапазону рабочих температур, времени работы и потреблению электрической энергии.

Примером двигателя-маховика с фотоэлектронным коммутатором является двигатель-маховик, описанный в работе [23]. Система съема сигнала о положении ротора здесь состоит из источника света, экрана с оптикой и фоточувствительного устройства. Максимальное время нарастания сигнала выбранного фоточувствительного устройства составляет 1,5 мкс. Такое высокое быстродействие коммутирующего устройства практически не ограничивает выбор необходимой рабочей угловой скорости двигателя-маховика.

Двигатель-маховик имеет следующие данные [23]:

Рассматриваемый двигатель-маховик имеет семь пар полюсов, поэтому фотоэлектронный коммутатор совершает полный цикл электрического переключения за V7 оборота маховика или семь полных циклов — за один оборот. Это переключение обеспечивается фотодатчиками, которые расположены равномерно по окружности на специальном кольце, и каждый датчик освещается отдельным источником света. Симметричный световой экран, имеющий семь прорезей шириной приблизительно 17°, вращается между источниками света и фотодатчиками, освещая каждый из них 7 раз за один оборот маховика. Датчики устанавливаются на возможно большем диаметре, чтобы обеспечить коммутацию на большой скорости.

Для обеспечения реверсирования электродвигателя используются два комплекта фото датчиков. Против каждого источника света установлено два фотодатчика таким образом, что каждый из них имеет достаточную освещенность. Направление вращения определяется тем, какой из комплектов фотодатчиков осуществляет коммутацию тока.

Для достижения независимости вращающего момента двигателя-маховика от угловой скорости вращения в коммутаторе применяется ограничение тока при малых угловых скоростях за счет внутренних свойств переключающей цепи. Блок-схема двигателя-маховика и коммутатора показана на рис. II.52.

Коммутатор состоит из двух групп переключателей: 1, 5, 6 и 2, 3, 4,

Переключатели 2, 3, 4 выполняют только задачу переключения тока в обмотках статора во всем рабочем диапазоне скоростей. Переключатели 1,5,6 выполняют двойную задачу — переключения тока и токового ограничения. В диапазоне частот вращения электродвигателя от 0 до 250 об/мин они работают в ненасыщенном режиме и переходят в ключевой режим только при достижении частоты вращения 250 об/миц.

Ограничение тока, осуществляемое в коммутаторе, не требует установки дополнительных сериесных сопротивлений.

Переключатель 5 (1 или 6) (рис. II.52) работает следующим образом. При нулевом управляющем входном сигнале ток протекает через диоды и резистор величина которого выбирается достаточно малой. При этом результирующее напряжение на базе транзистора недостаточно, чтобы открыть транзистор хотя некоторый ток и может протекать через резистор

При увеличении управляющего напряжения база транзистора становится более положительной, и открывает транзистор который формирует ток статора.

Рис. II.52. Функциональная схема двигателя-маховика с фотоэлектронным коммутатором

Напряжение на базе транзистора не может превысить величину прямого падения напряжения на диодах и падения напряжения от тока на резисторе Следовательно, напряжение эмиттера транзистора не может превысить напряжения базы транзистора минус суммарное падение напряжения переходов база-эмиттер транзисторов Ток будет ограничен величиной При частотах вращения 250 об/мин и больших сумма падений напряжений в коммутаторе и в обмотках электродвигателя, а также генерируемой э. д. с. уравновешивает напряжение питания электродвигателя и ограничивает ток. При уменьшении частоты вращения ниже 250 об/мин противо-э. д. с. уменьшается, а ток стремится увеличиться; однако это приводит к увеличению напряжения эмиттера транзистора и оказывает влияние на напряжение перехода база-эмиттер, закрывая транзистор , следовательно, ограничивая ток

На рис. II.53 показана механическая характеристика двигателя-маховика, а на — зависимость тока статора в функции управляющего напряжения.