Индивидуальное задание кт в пэк. Индвидуально задание. Молчанов_7425493a65f0b7929c5f44648841519c.. Бесконтактный двигатель постоянного тока
 Скачать 3.98 Mb.
|
1 2 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ФГБОУ ВО «ВГТУ», ВГТУ) Факультет энергетики и систем управления Кафедра электромеханических систем и электроснабжения Индивидуальное задание Дисциплина «Компьютерные технологии в проектировании электротехнических комплексов» Тема «Бесконтактный двигатель постоянного тока» Разработал(а) студент(ка) А.Д. Молчанов Подпись, дата Инициалы, фамилия Проверил(а) А.В. Тикунов Подпись, дата Инициалы, фамилия Воронеж 2020 СОДЕРЖАНИЕ Введение 3 Устройство и принцип действия бесконтактного двигатель постоянного тока Назначение бесконтактного двигатель постоянного тока 3 Патентный поиск объектов с помощью ФИПС Бесконтактный двигатель постоянного тока Бесконтактный двигатель постоянного тока Заключение Список литературы ВВЕДНЕИЕ 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. 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. 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. Устройство и принцип действия бесконтактного двигателя постоянного тока В бесконтактном двигателе применяют машину обращенной конструкции, в которой якорь с обмотками неподвижен, а полюсы вращаются. В этом случае щеточно-коллекторный узел можно заменить статическим полупроводниковым коммутатором, который управляется датчиком положения. В коллекторном двигателе датчиком положения (определяющим момент коммутации секции якоря) является сама коллекторная пластина, подходящая под соответствующую щетку в момент прохождения секцией нейтральной зоны (зоны коммутации).Статический коммутатор, получая сигналы управления с датчика положения ротора обеспечивает при вращении ротора такое же изменение токов в обмотке якоря, как и щетки с коллектором. Бесконтактные двигатели постоянного тока состоят из трех элементов: бесконтактного двигателя с m-фазной обмоткой статора и ротором в виде постоянного магнита; датчика положения ротора для выработки сигналов управления полупроводниковыми ключами; бесконтактного коммутатора, осуществляющего по сигналам датчика положения коммутацию токов в обмотках статора двигателя.  Рисунок 1- Модель двигателя На рисунке 1 представлена модель двигателя. В качестве датчика 1 положения ротора 2 двигателя 3 использованы оптические датчики (фототранзисторы). Три фототранзистора РТ1, РТ2 и РТ3, расположенные с интервалом 1200 на периферии платы, последовательно освещаются с помощью вращающегося затвора, установленного на валу двигателя. При расположении южного полюса магнита напротив неподвижного полюса Р2 статора освещен фототранзистор РT 1, который открывает транзистор VT1 коммутатора 4. На неподвижном полюсе Р1 статора создается южный полюс за счет протекания тока по обмотке W1, который притягивает северный полюс ротора, заставляя ротор поворачиваться против часовой стрелки. При повороте ротора его северный полюс оказывается напротив неподвижного полюса Р1. Затвор, установленный на валу ротора, затемняет фототранзистор РТ1 и освещает фототранзистор РТ2, последний включает транзистор VT2. Протекающий по обмотке W2 ток создает южный полюс на неподвижном полюсе Р2, тогда северный полюс ротора повернется по стрелке и расположится напротив неподвижного полюса Р2. В этот момент затвор затемняет фототранзистор РТ2 и освещает РТ3, что обесточивает обмотку W2 и включает обмотку W3. При этом неподвижный полюс Р2 размагничивается, а неподвижный полюс Р3 намагничивается и становится южным полюсом. Следовательно, северный полюс ротора продолжит свое вращение от Р2 к Р3. Ротор будет непрерывно вращаться, если переключения транзисторов повторяются в той же последовательности. Для реверсирования бесконтактного двигателя необходимы схемотехнические решения заключающиеся в изменении последовательности переключения транзисторов. Более совершенной схемой управления бесконтактным двигателем является мостовая схема, в которой на каждую фазу обмотки статора приходится по два транзистора и благодаря этому одновременно работают две фазы статора. Эта схема требует большего числа транзисторов и датчиков положения. Регулирование частоты вращения двигателя в широких пределах возможно изменением питающего напряжения, что при транзисторном коммутаторе реализуется также просто. При увеличении числа ключей в коммутаторе до количества коллекторных пластин двигателя постоянного тока свойства бесконтактного двигателя такие же, как и коллекторного двигателя. При этом исключается из схемы ненадежный щеточно- коллекторный узел. В бесконтактных двигателях большой мощности вместо постоянного магнита на роторе применяют обмотку возбуждения. В качестве датчиков положения кроме рассмотренных фототранзисторов применяют электромагнитные датчики и элементы Холла. При увеличении числа ключей в коммутаторе до количества коллекторных пластин двигателя постоянного тока свойства бесконтактного двигателя такие же, как и коллекторного двигателя. При этом исключается из схемы ненадежный щеточно- коллекторный узел. Обмотка двигателя может иметь различную конструкцию. Обмотка классической конструкции наматывается на стальной сердечник. Другой вариант конструкции обмотки – это обмотка без стального сердечника. Проводники этой обмотки равномерно распределяются вдоль окружности статора. Характеристики обмотки получаются различными, что отражается и на характеристиках двигателя. Кроме того, обмотки могут быть выполнены на различное число фаз и с различным количеством пар полюсов. Бесколлекторные двигатели также могут иметь конструкции, различающиеся по взаимному расположению ротора и статора. Наиболее распространена конструкция, когда ротор охватывается статором снаружи – двигатели с внутренним ротором. Но также возможна, и встречается на практике конструкция в которой ротор расположен снаружи статора – двигатели с внешним ротором. Третий вариант – статор расположен параллельно ротору и оба располагаются перпендикулярно оси вращения двигателя. Такие двигатели называют двигателями аксиальной конструкции. В качестве датчиков положения кроме рассмотренных фототранзисторов применяют электромагнитные датчики и элементы Холла с логическим выходом, устанавливаемые на каждую фазу двигателя. Выходные сигналы этих датчиков позволяют определить положение ротора с точностью до 60° — достаточной реализации самых простых способов управления обмотками. Для реализации способов управления двигателем, предполагающих формирование на обмотках двигателя системы синусоидальных напряжений при помощи ШИМ необходим более точный датчик, например, энкодер. Можно управлять бесколлекторным двигателем, и не используя датчика положения ротора – бездатчиковая коммутация. В этом случае информация о положении ротора восстанавливается на основании показаний других датчиков, например, датчиков фазных токов двигателя или датчиков напряжения. Назначение бесконтактного двигателя постоянного тока Сфера применения таких электродвигателей досрочно широка. Они используются как для привода мелких механизмов: в дисководах CD, DVD-приводах, жёстких дисках, так и в мощных устройствах: аккумуляторе и сетевом электроинструменте (с питанием порядка 12В), радиоуправляемых моделях (например, квадрокоптерах), станках ЧПУ для привода рабочего органа (обычно моторчики с номинальным напряжением 24В или 48В). Широкое применение БДПТ нашли в электротранспорте, почти все современные мотор-колеса электросамокатов, велосипедов, мотоциклов и автомобилей — это бесколлекторные двигатели. К слову, номинальное напряжение электродвигателей для транспорта лежит в широком пределе, например, мотор- колесо для велосипеда зачастую работает от 36В или от 48В, за редким исключением и больше, а в автомобилях, например, на Toyota Prius порядка 120В, а на Nissan Leaf – доходит до 400, при том что заряжается от сети 220В (это реализуется с помощью встроенного преобразователя). На самом деле область применения бесконтактных электродвигателей очень обширна, отсутствие коллекторного узла позволяет его применять опасных местах, а также в местах с повышенной влажностью, без опасений замыканий, искрения или возгорания из-за дефектов в щеточном узле. Благодаря высокому КПД и хорошим массогабаритным показателям они нашли применение и в космической промышленности. Патентный поиск объектов при помощи ФИПС Бесконтактный двигатель постоянного тока В известных конструкциях бесконтактных двигателей постоянного тока как с возбуждением от постоянных магнитов, так и с явнополюсным ротором из магнитомягкого материала, не имеющих таких положений ротора, при которых момент двигателя равен нулю, минимальное число силовых полупроводниковых переключающих элементов коммутатора равно трем. Бесконтактные двигатели постоянного тока с коммутаторами, в которых используются только два или один силовой переключающий элемент, имеют такие положения ротора, при которых момент двигателя равен нулю, что требует для их запуска применения специальных устройств. Согласно данному изобретению предложен бесконтактный двигатель постоянного тока с явнополюсным ротором из магнитомягкого материала, трехсекционной обмоткой и коммутатором, управляемым от датчика положения ротора, причем коммутатор содержит только два полупроводниковых силовых переключающих элемента, подключенных параллельно каждой паре последовательно соединенных секций обмотки двигателя. Двигатель не имеет положений ротора, при которых развиваемый лм момент равен нулю. Такое выполнение бесконтактного двигателя позволяет повысить его надежность и упрощает схему коммутатора. На фиг. 1 представлена схема описываемого двигателя с двухполюсным ротором; на фиг. 2, а, б, в и г показаны ориентация вектора магнитодвижущей силы обмотки и зоны создания положительного момента при вращении ротора. Три секции 1, 2, 3 обмотки с диаметральным шагом намотки, расположенные в пазах статора со сдвигом 60°, соединены последовательно согласно. Параллельно каждой паре секции подключены два транзистора 4 и 5, управляемые от чувствительных элементов 6, 7 датчика (положения ротора. На силовой транзистор поступает сигнал на отпирание, когда чувствительный элемент перекрывается сигнальным сектором якоря 8 датчика положения. Угловое расположение чувствительных элементов, угловой размер сигнального сектора якоря и взаимное расположение полюсов ротора и якоря датчика показаны на фиг. 1 для случая двухполюсного ротора двигателя (на чертеже не показаны элементы схемы запирания транзисторов и генератор питания датчика положения, которые могут быть аналогичны известным схемам). Работа схемы осуществляется следующим образом. В положении ротора, при котором сигнал с чувствительных элементов датчика положения не поступает, оба транзистора заперты. Ток от источника питания протекает по всем секциям обмотки двигателя, и обмотка создает м.д.с., вектор которой ориентирован так, как показано на фиг. 2, а. Для этого же случая на чертеже обозначена угловая зона 9, в которой может находиться ось полюсов ротора, при условии, что двигатель создает положительный момент (по часовой стрелке). Теоретически угловой размер этой зоны составляет 90°. В положении ротора, при котором открыт только один транзистор 4, ток протекает по секции 1, так как секции 2, 3 шунтируются транзистором 4. Предполагается, что внутреннее сопротивление открытого транзистора много меньше сопротивления двух последовательно включенных секций 2, 3. Ориентация вектора м.д.с. секции 1 и зона 10 нахождения оси полюсов ротора при создании двигателем положительного момента показаны на фиг. 2, б. В положении ротора, при котором отперт транзистор 5, а транзистор 4 заперт, ток протекает по секции 3. Вектор м.д.с. и зона 11 создания положительного момента показаны на фиг. 2, в. Из чертежа на фиг.2, г на котором наложены зоны положительного момента 9, 10, 11, видно, что соседние зоны перекрываются на 30° угла поворота ротора (перекрытия обозначены буквами А, Б, В). Для исключения создания нулевого момента в зоне перекрытия Б, когда могут быть включены оба транзистора, необходимо делать угловой размер сигнального сектора равным 60°. При этом условии двигатель создает положительный момент в любом положении ротора. Формула изобретения Бесконтактный двигатель постоянного тока с явнополюсным ротором из магнитомягкого материала, трехсекционной обмотки с последовательно соединенными секциями и полупроводниковым коммутатором, управляемым от датчика положения ротора, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и упрощения схемы, силовые полупроводниковые элементы коммутатора подключены параллельно каждой паре последовательно соединенных секций обмотки двигателя. 1 2 |