БЕСКОНТАКТНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
CONTACT-FREE DC 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 вентильный электродвигатель по авторскому свидетельству №738060, М.кл.2 Н02К 29/02, за 1980 г., содержащий ротор, статор, обмотки статора (якоря) через коммутатор подключаются к источнику постоянного тока, который состоит из n пар секций, причем секции в каждой паре сдвинуты относительно друг друга на 180°, а пары - относительно друг друга на 90°, и дополнительный источник ЭДС, имеющий n элементов (обмоток). Обмотки дополнительного источника по отдельности включены последовательно с парами секций так, что амплитуда ЭДС дополнительных обмоток находится в противофазе с амплитудой ЭДС секций. В качестве дополнительного источника ЭДС используется синхронный генератор, соединенный с валом вентильного электродвигателя. Вентильный электродвигатель снабжен измерителем среднего значения скорости вращения, регулятором величины ЭДС, вводимыми в пары секций обмотки статора.
Описанный вентильный электродвигатель имеет невысокую надежность из-за сложности его структуры, необходимости в синхронном генераторе и дополнительных преобразовательных устройствах.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является двигатель постоянного тока, приведенный на фиг.2, по заявке ФРГ №2403432, Н02К 29/02 за 1975 г., принятый в качестве прототипа.
Указанный двигатель содержит ротор, четырехсекционную обмотку статора, блок коммутации, управляемый двумя датчиками Холла. Сигналы с датчиков Холла усиливаются, и формируются сигналы углового положения ротора двигателя. Датчики Холла через избирательную схему управляют коммутацией текущего по секциям статорной обмотки тока. Избирательная схема выполнена на двух инверторах и четырех логических элементах 2И, выходы которых непосредственно соединены с соответствующими базами (входами) транзисторных усилителей. Эмиттеры транзисторов усилителей подключены к «-» полюсу источника, а коллекторы транзисторов усилителей соединены с соответствующими выводами секций статорной обмотки, вторые выводы которых объединены и подключены к «+» полюсу источника питания.
В описанном двигателе предусмотрена функция ручного переключения (изменения) направления вращения за счет изменения одновременно полярности вспомогательного постоянного напряжения на входе каждого из двух логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, включенных соответствующим образом в структуре двигателя между выходами формирователей сигналов углового положения ротора и входами избирательной схемы.
Недостатком описанного технического решения является снижение надежности из-за прямого подключения выходов логических элементов 2И избирательной схемы к соответствующим базам транзисторных усилителей (при перегрузках, при изменении направления вращения и т.д.).
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 двумя преобразователями Холла, включающими формирователи сигналов, четыре 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, выходы формирователей сигналов преобразователей Холла связаны со входами указанного логического преобразователя, выполненными на двух инверторах и на четырех логических элементах 2ИЛИ-НЕ или на двух инверторах и на четырех логических элементах 2И-НЕ, причем входы логических элементов 2ИЛИ-НЕ или 2И-НЕ попарно объединены друг с другом, образуя четыре входа, при этом, например, первый и второй входы указанных логических элементов связаны с соответствующими выходами инверторов логического преобразователя, третий и четвертый входы указанных логических элементов связаны с соответствующими входами инверторов логического преобразователя и выходами формирователей сигналов, а выходы логических элементов 2ИЛИ-НЕ или 2И-НЕ являются выходами логического преобразователя, выходы которого связаны со входами указанных транзисторных усилителей.
Предусмотрено, что в бесконтактном электродвигателе постоянного тока транзисторный усилитель выполнен на двух биполярных транзисторах n-p-n структуры, причем первый транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, база которого соединена с выходом соответствующего логического элемента логического преобразователя, эмиттер соединен с первым выводом резистора и базой второго транзистора, второй вывод подключен к общей шине (второму выводу) источника питания, а коллектор связан с первым выводом источника питания, эмиттер второго транзистора подключен ко второму выводу источника питания, а коллектор является выходом усилителя, к которому подключена соответствующая обмотка статора электродвигателя.
Транзисторный усилитель может быть выполнен на одном полевом транзисторе N-канальной структуры, затвор которого через инвертор подключен к соответствующему выходу логического преобразователя, выполненного на двух инверторах и на четырех логических элементах 2И-НЕ, исток подключен ко второму выводу источника питания, а сток является выходом транзисторного усилителя, к которому подключена соответствующая обмотка электродвигателя.
Работа устройства поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена функционально-структурная схема бесконтактного электродвигателя с логическим преобразователем на двух инверторах и четырех логических схемах 2ИЛИ-НЕ, на фиг.2 представлены эпюры напряжений работы бесконтактного электродвигателя, приведенного на фиг.1, на фиг.3 приведена функционально-структурная схема бесконтактного электродвигателя с логическим преобразователем на двух инверторах и четырех логических схемах 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 двумя преобразователями Холла 2, включающими формирователи сигналов 3, четыре обмотки (секции) 4 статора, первые выводы которых подключены к соответствующим выходам четырех транзисторных усилителей 5, а вторые выводы объединены и предназначены для подключения к первому полюсу источника питания. Логический преобразователь 6 входами связан с выходами формирователей сигналов 3 преобразователей Холла 2.
Формирователи сигналов 3 могут быть выполнены на операционных усилителях или на компараторах напряжения.
Логический преобразователь 6 выполнен на двух инверторах 7 и на четырех логических элементах 2ИЛИ-НЕ 8 или на двух инверторах 7 и на четырех логических элементах 2И-НЕ 8, причем входы логических элементов 2ИЛИ-НЕ 8 или 2И-НЕ 8 попарно объединены друг с другом, образуя четыре входа, при этом, например, первый и второй входы указанных логических элементов связаны с соответствующими выходами инверторов 7 логического преобразователя 6, третий и четвертый входы указанных логических элементов связаны с соответствующими входами инверторов 7 логического преобразователя 6 и выходами формирователей сигналов 3, а выходы логических элементов 2ИЛИ-НЕ 8 или 2И-НЕ являются выходами логического преобразователя 6, выходы которого связаны со входами указанных транзисторных усилителей 5.
Транзисторные усилители 5 могут быть выполнены на двух биполярных транзисторах n-p-n структуры, причем первый транзистор 9 включен по схеме эмиттерного повторителя, база которого соединена с выходом соответствующего логического элемента 8 логического преобразователя 6, эмиттер соединен с первым выводом резистора 10 и базой второго транзистора 11, второй вывод подключен к общей шине (второму выводу) источника питания, а коллектор связан с первым выводом источника питания, эмиттер второго транзистора 11 подключен ко второму выводу источника питания, а коллектор является выходом усилителя 5, к которому подключена соответствующая обмотка 4 статора электродвигателя.
Транзисторные усилители 5 могут быть выполнены на полевом транзисторе 12 N-канальной структуры, затвор которого через инвертор 13 подключен к соответствующему выходу логического преобразователя 6, выполненного на двух инверторах 7 и на четырех логических элементах 2И-НЕ, исток подключен ко второму выводу источника питания, а сток является выходом транзисторного усилителя 5, к которому подключена соответствующая обмотка 4 статора электродвигателя.
Бесконтактный электродвигатель постоянного тока работает следующим образом.
Д1
Д2
1
2
3
4
При включении питания за счет подключения формирователем сигналов 3 преобразователей Холла 2 одной из обмоток (секций) 4 статора электродвигателя к источнику питания происходит взаимодействие поля статора с магнитным потоком ротора. При этом вал электродвигателя начинает вращаться. С формирователя сигналов 3 преобразователей Холла 2 две последовательности импульсов типа меандр U, U длительностью 180 электрических градусов, сдвинутых друг относительно друга на 90 электрических градусов, поступают на входы логического преобразователя 6. Логический преобразователь 6 формирует четыре последовательности импульсов типа меандр U, U, U, U или , , ,  длительностью 90 электрических градусов, приведенных на фиг.2, 4 и сдвинутых друг относительно друга на 90 электрических градусов.
Сформированные логическим преобразователем 6 импульсы управляют транзисторными усилителями 5, подключая обмотки (секции) 4 статора к источнику питания в определенной последовательности.
Образуемое на полюсах протекающим током в обмотках 4 статора магнитное поле взаимодействует с магнитным потоком ротора, создавая на валу электродвигателя вращающий момент. При этом потоком магнита ротора 1 производится переключение преобразователей Холла 2 с формирователями сигналов 3 и, следовательно, соответствующих транзисторных усилителей 5. За счет подключения обмоток 4 статора к источнику питания в определенной последовательности магнитодвижущая сила статора меняет свое положение и поворачивается в пространстве на угол 90 электрических градусов, обеспечивая сохранение вращающего момента. При равенстве вращающего момента и сопротивления на валу электродвигателя частота его вращения становится постоянной.
В предложенном техническом решении осуществляется согласование выходов логических элементов 8 логического преобразователя 7 со входами силовых транзисторных усилителей 5.
Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает повышение надежности бесконтактного электродвигателя постоянного тока.