5.4. Вентильные двигатели

Машины постоянного тока имеют более высокие технические показатели (линейность характеристики, высокий КПД, малые габариты), чем машины переменного тока. Существенный недостаток - наличие электромеханического коллектора, который снижает надежность, создает радиопомехи, взрывоопасность и т.д.

Этих недостатков лишен бесконтактный двигатель постоянного тока, называемый вентильным двигателем. В этом двигателе щеточный аппарат заменен полупроводниковым коммутатором, якорь находится на статоре, а ротор представляет собой двухполюсный (реже четырехполюсный) постоянный магнит. Для упрощения коммутатора число секции обмотки якоря выбирается малым - три, четыре.

Рис. 5-11а. Трехфазный вентильный двигатель.

Схема трехфазного вентильного двигателя с двухполюсным ротором представлена на . Существенным элементом двигателя является датчик положения - ДПР. Он может основан на разных принципах - фотоэлектрические, индуктивные, емкостные, на эффекте Холла, и т.д. В рассматриваемом двигателе применяется фотоэлектрический датчик, содержащий три неподвижных фотоприемника mlk, которые закрываются поочередно вращающейся шторкой. Двоичный код, получаемый с ДПР, фиксирует шесть различных положений ротора (шесть фаз), это соответствие кодов и фаз приведено в верхней части .

Фаза	1	2	3	4	5	6
K	1	0	0	0	1	1
L	1	1	0	0	0	1
M	1	1	1	0	0	0
U1	1	0	0	0	0	1
U2	0	1	1	0	0	0
U3	0	0	0	1	1	0
U4	0	0	1	1	0	0
U5	0	0	0	0	1	1
U6	1	1	0	0	0	0

В этой таблице единице соответствует наличие сигнала на выходе датчика, т.е. когда фотоприемник открыт, а нулю - отсутствие сигнала, когда соответствующий фотоэлемент закрыт шторкой.

Рис. 5-11б. Трехфазный вентильный двигатель.

Сигналы датчиков преобразуются управляющим устройством УУ ( ) в комбинацию управляющих напряжений U₁-U₆, которые управляют транзисторными ключами K₁-K₆ согласно нижней части , так, что в каждый такт (фазу) работы двигателя включены два ключа - верхний и нижний и к сети подключены последовательно две из трех обмоток якоря. Обмотки якоря a,b,c расположены на статоре со сдвигом на 120·град (см. ) и их начала и концы соединены так, что при переключении ключей создается вращающееся магнитное поле. Одному циклу работы коммутатора соответствует один оборот ротора. Цикл делится на шесть тактов (временных фаз), которым соответствует пространственный угол α=60·град. Коммутация производится так, что поток возбуждения Ф₀ отстает на угол α от потока якоря. На токи в обмотках и положение ротора показаны для фазы 1. В результате взаимодействия потока якоря и возбуждения создается вращающий момент M, который стремится развернуть ротор так, чтобы потоки якоря и возбуждения совпали, но при повороте ротора под действием ДПР происходит переключение обмоток и поток якоря поворачивается на следующий шаг.

Рис. 5-12б. Временная диаграмма трехфазного вентильного двигателя.

Временная диаграмма работы вентильного двигателя приведена на . Как видно из диаграммы, вентильный двигатель работает как в данном случае трехфазный синхронный двигатель, частота вращения его ротора пропорциональна частоте вращения поля. Основным отличием от синхронного является его самосинхронизация с помощью ДПР, в результате чего у этого двигателя, наоборот, частота вращения поля пропорциональна (в данном случае при двухполюсном якоре равна) частоте вращения ротора, а частота вращения ротора зависит от напряжения питания, т.е. двигатель работает как двигатель постоянного тока.

В отличие от двигателя постоянного тока, так как вентильный двигатель имеет мало секций в обмотке якоря, момент имеет пульсации, и среднее значение момента зависит от периода включения ключа β, показанного на .

В получена формула для среднего значения электромагнитного момента вентильного двигателя

где M^*и ω^*- относительные момент и частота вращения по отношению к базовым:

; ; ; ,

где m- число обмоток (секций), R- сопротивление секции.

Учитывая эти соотношения, из можно получить выражение для механической характеристики вентильного двигателя

,

где A и B- коэффициенты, зависящие от β.

;

Эти коэффициенты зависят от способа коммутации обмоток и приведены в .

Способ коммутации	β	A	B	m
Парная	Π	1.27	4	4
Поочередная(полушаги)		1.24	4.1	4
Трехфазная		1.17	4.17	3
Одинарная		1.02	8.4	4

В рассматриваемом примере применена трехфазная коммутация, другие перечисленные в способы коммутации соответствуют коммутации обмоток в шаговых двигателях, так как вентильный двигатель можно через датчик положения ротора. Механические характеристики показаны на .

Рис. 5-13а. Механические характеристики вентильного двигателя.

При рассмотрении динамики вентильного двигателя надо дополнить уравнение уравнением движения вида

Рис. 5-13б. Структурная схема вентильного двигателя.

На основании и может быть построена структурная схема ( ), по которой получена передаточная функция

,

где - коэффициент передачи двигателя, - электромеханическая постоянная времени.

Таким образом, вентильный двигатель по своим статическим и динамическим характеристикам подобен двигателю постоянного тока.