БЕСКОНТАКТНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
CONTACTLESS DC ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области электрических машин с бесконтактной коммутацией секций статорной обмотки, и может быть использовано в системах преобразовательной техники, например в электровентиляторах постоянного тока.
Известен бесколлекторный электродвигатель по заявке Японии №62-35358 от 31.07.1987, МКИ 4 Н02Р 6/02, содержащий три датчика положения на элементах (преобразователях) Холла, три схемы обработки сигналов углового положения ротора, трехфазный генератор сигналов углового положения ротора, вырабатывающий трехфазные сигналы, определяющие периоды протекания тока через секции статорной обмотки. Описанный электродвигатель обладает невысокой надежностью, обусловленной сложностью его структуры, необходимостью обработки и формирования сигналов как углового положения ротора, так и сигналов, формируемых трехфазным генератором путем умножения соответствующих сигналов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является бесконтактный электродвигатель постоянного тока по патенту РФ №2216088, МПК 7 Н02К 29/00, Н02К 29/06, принятый в качестве прототипа.
Указанный бесконтактный электродвигатель постоянного тока содержит коммутатор на транзисторных усилителях с выходами для подключения к секциям обмотки электродвигателя, датчик положения ротора, предназначенный для подключения секций обмотки электродвигателя к источнику питания, причем в него дополнительно введен логический преобразователь, выходы которого соединены с входами коммутатора, а входы подключены к выходам соответствующих трех логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первые входы которых связаны с датчиком положения ротора, а объединенные вторые входы подключены к одному из полюсов вспомогательного источника напряжения.
Предусмотрено, что логический преобразователь выполнен на основе трех инверторов и трех логических элементов 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ, при этом входы инверторов, соединенные с первыми входами логических элементов 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ, служат входами логического преобразователя, их вторые входы соединены с выходами соответствующих инверторов, а выходы указанных логических элементов 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ служат выходами логического преобразователя.
В бесконтактный электродвигатель постоянного тока может быть дополнительно введен потенциальный узел управления электродвигателем, а логический преобразователь выполнен на основе трех инверторов и трех логических элементов 3И-НЕ, 3ИЛИ-НЕ, при этом входы инверторов, соединенные с первыми входами логических элементов 3И-НЕ, 3ИЛИ-НЕ, служат входами логического преобразователя, их вторые входы соединены с выходами соответствующих инверторов, объединенные третьи входы логических элементов 3И-НЕ, 3ИЛИ-НЕ подключены к потенциальному узлу управления электродвигателем, а выходы указанных логических элементов служат выходами логического преобразователя.
В указанной структуре бесконтактного электродвигателя имеется избыточность в узле из трех логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а также отсутствует согласование выходов микросхем логического преобразователя со входами транзисторных усилителей коммутатора, что снижает его надежность.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности устройства.
Поставленная задача решается тем, что в бесконтактном электродвигателе постоянного тока, содержащем постоянный магнит ротора, потоком индукции связанный с тремя датчиками положения ротора на элементах Холла, три обмотки статора, первые выводы которых подключены к соответствующим выходам транзисторных усилителей, а вторые выводы объединены и предназначены для подключения к полюсу источника питания, логический преобразователь, отличающийся тем, что выходы датчиков положения ротора связаны со входами логического преобразователя, выходы которого через соответствующие инверторы связаны со входами транзисторных усилителей.
Предусмотрено, что в бесконтактном электродвигателе постоянного тока указанный транзисторный усилитель выполнен на основе одного биполярного и одного полевого транзисторов, при этом эмиттер биполярного транзистора и исток полевого транзистора предназначены для подключения ко второму полюсу источника питания, причем база биполярного транзистора связана с первым выводом ограничительного резистора, второй вывод которого является входом транзисторного усилителя, коллектор биполярного транзистора предназначен для подключения к первому полюсу источника питания через нагрузочный резистор, к общей точке соединения коллектора и нагрузочного резистора подключен затвор полевого транзистора, при этом сток полевого транзистора является выходом транзисторного усилителя.
В бесконтактном электродвигателе постоянного тока транзисторный усилитель выполнен на основе двух биполярных и одного полевого транзисторов, при этом эмиттеры биполярных транзисторов и исток полевого транзистора предназначены для подключения ко второму полюсу источника питания, причем база первого биполярного транзистора связана с первым выводом первого ограничительного резистора, второй вывод которого является входом транзисторного усилителя, коллекторы первого и второго биполярных транзисторов предназначены для подключения к первому полюсу источника питания через соответствующие нагрузочные резисторы, при этом база второго биполярного транзистора подключена через второй ограничительный резистор к общей точке соединения коллектора первого биполярного транзистора и нагрузочного резистора, а затвор полевого транзистора подключен к общей точке соединения коллектора второго биполярного транзистора и нагрузочного резистора, при этом сток полевого транзистора является выходом транзисторного усилителя.
Транзисторный усилитель может быть выполнен на основе одного полевого транзистора, причем исток полевого транзистора предназначен для подключения ко второму полюсу источника питания, а затвор полевого транзистора является входом транзисторного усилителя и подключен к выходу соответствующего инвертора, при этом сток полевого транзистора является выходом транзисторного усилителя.
Работа устройства поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена функционально-структурная схема бесконтактного электродвигателя с логическим преобразователем на основе трех инверторов и трех логических схем 2 ИЛИ-НЕ, на фиг.2 представлены эпюры напряжений работы бесконтактного электродвигателя, приведенного на фиг.1, на фиг.3 приведена функционально-структурная схема бесконтактного электродвигателя постоянного тока с логическим преобразователем на основе трех инверторов и трех логических схем 2И-НЕ, на фиг.4 представлены эпюры напряжений работы бесконтактного электродвигателя, приведенного на фиг.3
Бесконтактный электродвигатель постоянного тока содержит постоянный магнит ротора 1, потоком индукции связанный с тремя датчиками положения ротора 2 на элементах Холла, три обмотки (секции) 3 статора, первые выводы которых подключены к соответствующим выходам трех транзисторных усилителей 4, 5, 6, а вторые выводы объединены и предназначены для подключения к первому полюсу источника питания. Логический преобразователь 7 входами связан с выходами датчиков положения 2 ротора, а выходами через соответствующие инверторы 8, 9, 10 связан со входами транзисторных усилителей 4, 5, 6.
В бесконтактном электродвигателе транзисторные усилители 4, 5, 6 выполнены на основе одного биполярного 11 и одного полевого 12 транзисторов. Эмиттер биполярного транзистора 11 и исток полевого транзистора 12 предназначены для подключения ко второму полюсу источника питания. База биполярного транзистора 11 связана с первым выводом ограничительного резистора 13, второй вывод которого является входом транзисторного усилителя. Коллектор биполярного транзистора 11 предназначен для подключения к первому полюсу источника через нагрузочный резистор 14, а к общей точке соединения коллектора и нагрузочного резистора 14 подключен затвор полевого транзистора 12. Сток полевого транзистора 12 является выходом транзисторного усилителя.
Транзисторные усилители 4, 5, 6 могут быть выполнены на основе двух биполярных 11 и одного полевого 12 транзисторов. Эмиттеры биполярных транзисторов 11 и исток полевого 12 транзистора предназначены для подключения ко второму полюсу источника питания, причем база первого биполярного транзистора 11 связана с первым выводом первого ограничительного резистора 13, второй вывод которого является входом транзисторного усилителя, а коллекторы первого и второго биполярных транзисторов 11 предназначены для подключения к первому полюсу источника питания через соответствующие нагрузочные резисторы 14. База второго биполярного транзистора 11 подключена через второй ограничительный резистор 13 к общей точке соединения коллектора первого биполярного транзистора 11 и нагрузочного резистора 14, а затвор полевого транзистора 12 подключен к общей точке соединения коллектора второго биполярного транзистора 11 и нагрузочного резистора 14. Сток полевого транзистора 12 является выходом транзисторного усилителя.
Транзисторные усилители 4, 5, 6 могут быть выполнены соответственно на одном, двух или трех биполярных транзисторах.
Однако потери мощности в усилителях на биполярных транзисторах значительно больше потерь в усилителях с полевым выходным транзистором.
Указанные транзисторные усилители 4, 5, 6 могут содержать один полевой транзистор 12.
Бесконтактный электродвигатель постоянного тока работает следующим образом.
D1
D2
D3
1
2
3
При включении питания за счет подключения датчиком положения ротора 2 одной из секций 3 статорной обмотки электродвигателя к источнику питания происходит взаимодействие поля статора с магнитным потоком ротора, при этом вал электродвигателя начинает вращаться. С датчика положения ротора 2 три последовательности импульсов типа меандр U, U, U длительностью 180 электрических градусов и сдвинутых друг относительно друга на 120 электрических градусов поступают на входы логического преобразователя 7. Логический преобразователь 7 формирует три последовательности импульсов типа меандр U, U, U длительностью 120 электрических градусов, приведенных на фиг.2, 4, и сдвинутых друг относительно друга также на 120 электрических градусов. Сформированные логическим преобразователем 7 импульсы инвертируются инверторами 8, 9, 10. Указанные инверторы могут быть выполнены на микросхеме, на транзисторных усилителях и др.
Три последовательности инвертированных импульсов , ,  поступают на входы соответствующих транзисторных усилителей 4, 5, 6. В соответствии с приведенными на фиг.2, 4 сигналами , ,  секции 3 статорной обмотки электродвигателя подключаются к источнику питания транзисторными усилителями 4, 5, 6 в определенной последовательности.
Создаваемое на полюсах протекающим током в секциях 3 статорной обмотки магнитное поле взаимодействует с магнитным потоком ротора и создает на валу электродвигателя вращающий момент. При этом ротором производится переключение преобразователей Холла 2 и, следовательно, соответствующих транзисторных усилителей 4, 5, 6. За счет подключения секций 3 статорной обмотки к источнику питания в определенной последовательности магнитодвижущая сила статора меняет свое положение и поворачивается в пространстве на угол 120 электрических градусов, обеспечивая сохранение вращающего момента. При равенстве вращающего момента и сопротивления на валу электродвигателя частота его вращения становится постоянной.
В предложенном техническом решении из структуры бесконтактного электродвигателя, при условии сохранения работоспособности и выполняемых функций, исключен узел из трех логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а для согласования выходов логического преобразователя 7 со входами соответствующих транзисторных усилителей 4, 5, 6 введены три инвертора 8, 9, 10.
Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает повышение надежности бесконтактного электродвигателя.