БЕСКОНТАКТНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
CONTACT-FREE DC MOTOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области электрических машин с бесконтактной коммутацией обмоток статора электродвигателя, 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 г., МКИ 4 Н02Р 6/02, содержащий три датчика на элементах (преобразователях) Холла, три схемы формирования сигналов элементов Холла, трехфазный генератор (логический преобразователь), выполненный на трех инверторах и трех логических схемах 2И, формирующий три последовательности импульсов, определяющих периоды протекания тока через обмотки статора бесколлекторного электродвигателя.
В описанном бесколлекторном электродвигателе формирование управляющих сигналов осуществляется трехфазным генератором, выполненным на разнотипных логических элементах, имеющим относительно сложную структуру, что снижает надежность устройства.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является бесконтактный электродвигатель постоянного тока по патенту РФ №2369003 С2, МПК Н02Р 6/14, Н02Р 6/16, Н02К 29/06, принятый в качестве прототипа.
Указанный бесконтактный электродвигатель постоянного тока, содержащий три преобразователя (элемента) 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, выполненный на трех инверторах и трех логических схемах 2 И-НЕ или 2 ИЛИ-НЕ, формирующих три последовательности сигналов длительностью 120 электрических градусов, при этом выходы формирователей преобразователей Холла связаны со входами логического преобразователя, выходы которого через соответствующие инверторы связаны со входами транзисторных усилителей.
В описанном бесконтактном электродвигателе узел логического преобразователя выполнен на логических элементах разного типа, имеет относительно сложную структуру, что снижает надежность устройства.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является упрощение и повышение надежности устройства.
Поставленная задача решается тем, что в бесконтактном электродвигателе постоянного тока, содержащем постоянный магнит ротора, потоком индукции связанный с тремя преобразователями Холла, включающими формирователи сигналов, 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, выходами связанный через соответствующие инверторы со входами транзисторных усилителей, выходы формирователей сигналов преобразователей Холла связаны со входами указанного логического преобразователя, выполненного на трех логических элементах ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, причем первый вход первого логического элемента объединен со вторым входом третьего логического элемента, второй вход первого логического элемента объединен с первым входом второго логического элемента, второй вход которого объединен с первым входом третьего логического элемента, образуя три входа логического преобразователя, и подключены к соответствующим выходам формирователей сигналов преобразователей Холла, а выходы логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ являются выходами логического преобразователя.
Предусмотрено, что в бесконтактном электродвигателе транзисторные усилители выполнены на основе биполярного транзистора n-p-n структуры, причем база биполярного транзистора является входом транзисторных усилителей, эмиттер биполярного транзистора предназначен для подключения ко второму полюсу источника питания, а коллектор является выходом транзисторных усилителей.
Предусмотрено также, что в бесконтактном электродвигателе транзисторные усилители выполнены на основе полевого транзистора N-канальной структуры, причем затвор полевого транзистора является входом транзисторных усилителей, исток полевого транзистора предназначен для подключения ко второму полюсу источника питания, а сток полевого транзистора является выходом транзисторных усилителей.
Работа устройства поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена функционально-структурная схема бесконтактного электродвигателя с логическим преобразователем на основе трех логических схем ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, на фиг.2 представлены эпюры напряжений работы бесконтактного электродвигателя, приведенного на фиг.1.
Бесконтактный электродвигатель постоянного тока содержит постоянный магнит ротора 1, потоком индукции связанный с тремя преобразователями Холла с формирователями сигналов 2, три обмотки (секции) 3 статора. Первые выводы обмоток статора 3 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 формирователей сигналов преобразователей Холла 2, а выходами через соответствующие инверторы 8 связан со входами транзисторных усилителей 4, 5, 6.
Формирователи сигналов преобразователей Холла 2 могут быть выполнены на операционных усилителях, компараторах напряжения.
В бесконтактном электродвигателе транзисторные усилители 4, 5, 6 выполнены на основе биполярного транзистора 9 n-p-n структуры, причем база биполярного транзистора является входом транзисторных усилителей, эмиттер биполярного транзистора предназначен для подключения ко второму полюсу источника питания, а коллектор является выходом транзисторных усилителей 4, 5, 6.
Транзисторные усилители 4, 5, 6 могут быть выполнены на основе полевого транзистора 9 N-канальной структуры, причем затвор полевого транзистора является входом транзисторных усилителей, исток полевого транзистора предназначен для подключения ко второму полюсу источника питания, а сток полевого транзистора является выходом транзисторных усилителей 4, 5, 6.
Бесконтактный электродвигатель постоянного тока работает следующим образом.
При включении питания за счет подключения датчиком положения ротора, выполненным на трех преобразователях (элементах) Холла, включающих формирователи сигналов 2, одной из обмоток 3 статора электродвигателя к источнику питания происходит взаимодействие поля статора с магнитным потоком ротора, при этом вал ротора электродвигателя начинает вращаться.
D1
D2
D3
С формирователей сигналов преобразователей Холла 2 три последовательности импульсов типа меандр U, U, U длительностью 180 электрических градусов и сдвинутых относительно друг друга на 120 электрических градусов поступают на входы логического преобразователя 7. Логический преобразователь 7 формирует три последовательности импульсов длительностью 120 электрических градусов, сдвинутых относительно друг друга на 60 электрических градусов, приведенные на фиг.2.
1
2
3
Указанные последовательности импульсов инвертируются инверторами 8 в три последовательности импульсов Ū, Ū, Ū длительностью 60 электрических градусов и сдвинутых относительно друг друга на 60 электрических градусов.
D1
D2
D3
1
2
3
1
2
3
Таким образом за один период следования импульсов U, U, U формируются шесть импульсов длительностью 60 электрических градусов Ū, Ū, Ū, которые поступают на входы соответствующих транзисторных усилителей 4, 5, 6. В соответствии с приведенными на фиг.2 сигналами Ū, Ū, Ū обмотки 3 статора электродвигателя подключаются к источнику питания транзисторными усилителями 4, 5, 6 в определенной последовательности по два раза за период.
Создаваемое на полюсах протекающим током в обмотках 3 статора магнитное поле взаимодействует с магнитным потоком ротора 1 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 обмоток статора 3 электродвигателя к источнику питания в определенной последовательности магнитодвижущая сила статора меняет свое положение и поворачивается в пространстве на угол 60 электрических градусов, обеспечивая сохранение вращающего момента. При равенстве вращающего момента и сопротивления на валу электродвигателя частота его вращения становится постоянной.
Учитывая, что частота коммутации обмоток статора бесконтактного электродвигателя является низкой и определяется числом полюсов ротора и частотой вращения в соответствии с формулой:
где 2p - число пар полюсов,
-1
n - частота вращения, min,
то за счет формирования шести импульсов длительностью 60 электрических градусов в каждом периоде следования сигналов с формирователей преобразователей Холла, частота коммутации обмоток статора увеличивается в два раза в сравнении с известными техническими решениями.
За счет увеличения частоты коммутации обмоток статора бесконтактного электродвигателя достигнуто уменьшение пульсации тока, а следовательно, вращающего момента электродвигателя.
Заявляемый бесконтактный электродвигатель выполнен на меньшем количестве элементов электронной базы, что повышает надежность устройства.