5.3. Датчики положения

Этот элемент двигателя служит для определения относительного положения осей магнита ротора и статорных обмоток двигателя и для управления схемой коммутатора. Датчик положения должен удовлетворять довольно сложному комплексу требований, а прежде всего должен иметь небольшие размеры и быть экономичным.

Особое внимание при проектировании датчика необходимо уделять возможно большей кратности максимального и минимального выходного сигнала, а также большой крутизне нарастания и спада сигнала, что позволяет без дополнительных усложнений схемы ком­мутатора предусмотреть работу транзисторов в наиболее надежном и экономичном режиме переключения. Важным условием является согласование датчика с входными цепями коммутатора.

Самое широкое распространение получили бесконтактные датчики, работающие на переменном токе: индуктивные и трансформа­торные. Обилие конструктивных и электрических схем этих датчи­ков и использование их в самых разнообразных приборах и устрой­ствах объясняется простотой исполнения, высокой надежностью и экономичностью.

Из датчиков, работающих на постоянном токе, используются датчики Холла и магниторезисторы. Их применение в двигате­лях с вращающимся магнитом ротора естественно, так как управляющим параметром для них является магнитный поток. Однако датчики Холла еще довольно дороги и не всегда имеют удовлет­воряющий по мощности выходной сигнал, а магниторезисторы об­ладают неудовлетворительными частотными свойствами и недо­статочной кратностью изменения сопротивления.

Рассмотрим устройство и принцип работы датчиков положения, выполненных в виде управляемых дросселей и трансформаторов насыщения. Конструкция датчика положения с дросселями насыщения для четырехполюсной машины показана на рис. 18. Обойма датчика 6 содержит L-образные магнитопроводы 1 и дроссель на­сыщения 2. Сердечник дросселя может быть любой формы, в част­ности лучше использовать ферритовые кольца с прямоугольной петлей гистерезиса серийного производства. Обмотка дросселя на­матывается на сердечник с двух краев так, чтобы он непосредственно мог касаться L-образных магнитопроводов. Применением последних позволяет расположить сердечник дросселя так, что уменьшается диаметр обоймы датчика и обеспечивается гарантированный зазор между обоймой и якорем путем расточки внутреннего цилиндра обоймы. При этом исключается передача механических усилий на сердечник и его повреждение, а следовательно, и изменение маг­нитных свойств. Дроссель заливается компаундом, что в значитель­ной степени повышает надежность конструкции.

Ротор датчика изготовляется из немагнитного материала прес­сованием или литьем, при этом ротор содержит постоянные маг­ниты 3 в виде сегментов, экранирующие пластины 4 и втулку 5. Цилиндрическая поверхность ротора обрабатывается после напрессовки его на вал двигателя одновременно со шлифовкой магнита ротора и шеек вала под подшипники. Применение в роторе ферро­магнитных пластин 4 позволяет экранировать потоки рассеяния магнитов и значительно повысить крутизну нарастания и спада выходного сигнала дросселя.

Одна из схем подключения дросселя датчика к коммутатору показана на рис. 19, а. Обмотка дросселя датчика положения и обмотка питания высокочастотного генератора соединены последовательно и включены на вход выпрямительного моста. Нагруз­кой моста является входной транзистор силового ключа коммута­тора.

Рис. 18. Датчик положения с дросселями насыщения

1 — магнитопровод;2 — дроссельнасыщения; 3 — постоянные магниты; 4 — экранирующие пластины; 5 — втулка; 6 — обойма

При насыщении сердечника дросселя потоком постоянного магнита якоря датчика резко уменьшается индуктивное сопротивление дросселя и почти все напряжение питания датчика прикладывается через выпрямительные диоды к нагрузке. Когда сердечник не на­сыщен потоком постоянного магнита, сопротивление дросселя ве­лико и к нагрузке прикладывается небольшое напряжение, которое в схеме коммутатора может быть полностью скомпенсировано.

На рис. 19, б показана схема включения трансформаторного датчика положения. Первичные обмотки трансформаторов соеди­нены последовательно и подключены к генератору питания датчика с напряжением U_пд, выходные обмотки через выпрямительные диоды соединены с транзисторами ключей коммутатора.

Рис. 19. Схемы подключения датчиков к коммутатору:

а — дроссельного; б — трансформаторного

В тех слу­чаях, когда сердечник трансформатора датчика не насыщен потоком постоянного магнита якоря, напряжение первичной обмотки транс­формируется во вторичную и поступает на соответствующий си­ловой ключ. Если же сердечник насыщен потоком магнита, то на­рушается электромагнитная связь между первичной и вторичной обмоткой и выходной сигнал будет минимальным.

Конструктивно датчик с трансформаторами аналогичен дрос­сельному датчику, за исключением якоря, в котором сигнальный сектор постоянного магнита имеет дугу , где — дуга сиг­нального сектора дроссельного датчика. Основными параметрами, определяющими качество дросселя или трансформатора, считаются кратность тока в сопротивлении нагрузки при насыщенном и нена­сыщенном сердечнике и выходная мощность.

Полупроводниковые коммутаторы

Одновременно с выполнением своей основной функции — пе­реключения силовой обмотки по сигналам датчика положения — схема коммутатора должна позволять наиболее простым способом управлять двигателем: регулировать скорость, осуществлять ре­верс, пуск и остановку, причем с возможно меньшими потерями энергии.

Независимо от типа используемой обмотки схемы отдельных ключей коммутатора могут быть одинаковы. Это обстоятельство существенно упрощает изготовление, эксплуатацию и расчет тран­зисторного коммутатора бесконтактного двигателя. Следовательно, основным в задаче построения схемы коммутатора является разра­ботка управляемого от датчика положения бесконтактного эконо­мичного ключа, способного надежно коммутировать обмотку дви­гателя.

Большая кратность сопротивления транзисторов в запертом и открытом состоянии, хорошие частотные свойства и полная управляемость обусловили их подавляющее применение в коммутаторах бесконтактных двигателей постоянного тока.

Использование тиристоров в коммутаторах рационально только при повышенных напряжениях питания (выше 100 В) и для боль­ших мощностей машин, так как падение напряжения на силовом переходе у тиристоров примерно в 4—5 раз выше, чем у транзисто­ров; кроме того, из-за специфических свойств тиристоров возникают дополнительные трудности при построении тиристорных коммутаторов, управляемых по частоте вращения двигателей.

Применение кремниевых силовых транзисторов снижает КПД, поэтому использовать их следует только для коммутаторов, рас­считанных на работу при температуре выше 50—60^о С. Полупроводниковый коммутатор в зависимости от назначения двигателя содержит различные узлы. Для управляемых двигателей основ­ными узлами коммутатора являются: силовые ключи коммутации обмотки, генератор напряжения питания датчика положения, ре­гулятор частоты вращения.