RU2420851C1

RU2420851C1 - Contact-free dc motor

Info

Publication number: RU2420851C1
Application number: RU2010114925/07A
Authority: RU
Inventors: Сергей Иванович Григорьев (RU); Сергей Иванович Григорьев; Елена Витальевна Комарова (RU); Елена Витальевна Комарова
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "МЭЛ"
Priority date: 2010-04-13
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2011-06-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: contact-free DC motor comprises a permanent rotor magnet, three Hall converters with signal generators, three stator windings. The logical converter with its outlets is connected via inverters to the inlets of transistor amplifiers. The outlets of the Hall converter signal generators are connected to the inlets of the logical converter on three logical elements EXCLUSIVE OR, three inlets of the logical converter are connected to according outlets of the Hall converter signal generators, and outlets of the logical elements EXCLUSIVE OR are the outlets of the logical converter. Transistor amplifiers may be arranged on the basis of a bipolar transistor of n-p-n structure or on the basis of a field transistor of N-channel structure.

EFFECT: simplified design and increased reliability of a contact-free DC motor.

3 cl, 2 dwg

Description

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.The invention relates to electrical engineering, in particular to the field of electrical machines with non-contact switching of the stator windings of an electric motor, and can be used in converter technology systems, for example, direct current electric fans.

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.Known brushless electric motor according to the application of Japan No. 62-35358 from 07/31/1987, MKI 4 Н02Р 6/02, containing three sensors on the elements (converters) of the Hall, three circuits for generating signals of Hall elements, a three-phase generator (logic converter), made on three inverters and three logic circuits 2I, forming three sequences of pulses that determine the periods of current flow through the stator windings of a brushless motor.

В описанном бесколлекторном электродвигателе формирование управляющих сигналов осуществляется трехфазным генератором, выполненным на разнотипных логических элементах, имеющим относительно сложную структуру, что снижает надежность устройства.In the described brushless electric motor, the formation of control signals is carried out by a three-phase generator made on heterogeneous logic elements having a relatively complex structure, which reduces the reliability of the device.

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.The closest in technical essence to the proposed device is a non-contact direct current electric motor according to RF patent No. 2369003 C2, IPC Н02Р 6/14, НОР 6/16, Н02К 29/06, adopted as a prototype.

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.The specified non-contact DC motor containing three Hall converters (elements), three stator windings, the first conclusions of which are connected to the corresponding outputs of transistor amplifiers, and the second conclusions are combined and designed to connect to the power supply pole, a logical converter made on three inverters and three logic circuits 2 AND-NOT or 2 OR-NOT, forming three sequences of signals with a duration of 120 electrical degrees, while the outputs of the transformers Hall connected to the inputs of the logical Converter, the outputs of which are connected through the corresponding inverters to the inputs of transistor amplifiers.

В описанном бесконтактном электродвигателе узел логического преобразователя выполнен на логических элементах разного типа, имеет относительно сложную структуру, что снижает надежность устройства.In the described non-contact electric motor, the logical converter assembly is made on various types of logic elements, has a relatively complex structure, which reduces the reliability of the device.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является упрощение и повышение надежности устройства.The problem to which the invention is directed, is to simplify and improve the reliability of the device.

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.The problem is solved in that in a contactless DC motor containing a permanent rotor magnet, an induction flow connected to three Hall converters, including signal conditioners, three stator windings, the first conclusions of which are connected to the corresponding outputs of transistor amplifiers, and the second conclusions are combined and designed to connecting to the pole of the power supply, a logical converter, outputs connected through the corresponding inverters with the inputs of transistor amplifiers, output The signal transducers of Hall transducers are connected to the inputs of the specified logical transducer made on three EXCLUSIVE OR logic elements, the first input of the first logical element being combined with the second input of the third logical element, the second input of the first logical element combined with the first input of the second logical element, the second input of which combined with the first input of the third logical element, forming three inputs of the logical Converter, and connected to the corresponding output Formers signals Hall converters, and outputs the exclusive OR logic elements are logic inverter outputs.

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.It is envisaged that in a non-contact electric motor, transistor amplifiers are made on the basis of an n-p-n bipolar transistor, the base of the bipolar transistor being the input of transistor amplifiers, the emitter of the bipolar transistor is designed to connect to the second pole of the power source, and the collector is the output of transistor amplifiers.

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.It is also envisaged that in a contactless motor, transistor amplifiers are based on an N-channel field-effect transistor, with the gate of the field-effect transistor being the input of transistor amplifiers, the source of the field-effect transistor is for connecting to the second pole of the power supply, and the drain of the field-effect transistor is the output of transistor amplifiers.

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.The operation of the device is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a functional block diagram of a non-contact electric motor with a logic converter based on three logic circuits EXCLUSIVE OR, in Fig. 2, diagrams of the operating voltage of a non-contact electric motor shown in Fig. 1 are shown.

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.A non-contacting direct current electric motor contains a permanent magnet of the rotor 1, connected to three Hall transformers with signal conditioners 2, three windings (sections) 3 of the stator by an induction flux. The first leads of the stator windings 3 are connected to the corresponding outputs of the three transistor amplifiers 4, 5, 6, and the second leads are combined and are designed to connect to the first pole of the power source.

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.Logic Converter 7 inputs connected to the outputs of the shapers of the Hall converters 2, and outputs through the corresponding inverters 8 connected to the inputs of transistor amplifiers 4, 5, 6.

Формирователи сигналов преобразователей Холла 2 могут быть выполнены на операционных усилителях, компараторах напряжения.The signal conditioners of the Hall 2 converters can be performed on operational amplifiers, voltage comparators.

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.In a non-contact electric motor, transistor amplifiers 4, 5, 6 are made on the basis of a bipolar transistor 9 npn structure, the base of the bipolar transistor being the input of transistor amplifiers, the emitter of the bipolar transistor is used to connect to the second pole of the power source, and the collector is the output of transistor amplifiers 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.Transistor amplifiers 4, 5, 6 can be made on the basis of a field-effect transistor 9 of an N-channel structure, the gate of the field-effect transistor being the input of transistor amplifiers, the source of the field-effect transistor being connected to the second pole of the power supply, and the drain of the field-effect transistor being the output of transistor amplifiers 4 , 5, 6.

Бесконтактный электродвигатель постоянного тока работает следующим образом.Contactless DC motor operates as follows.

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.When the power is turned on by connecting a rotor position sensor made on three Hall transducers (elements) including signal conditioners 2, one of the stator windings 3 of the electric motor to the power source, the stator field interacts with the magnetic flux of the rotor, and the rotor shaft of the electric motor starts to rotate.

С формирователей сигналов преобразователей Холла 2 три последовательности импульсов типа меандр U_D1, U_D2, U_D3 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.From the signal conditioners of the Hall converters 2, three sequences of pulses of the meander type U _D1 , U _D2 , U _{D3 with a} duration of 180 electrical degrees and 120 electrical degrees shifted relative to each other are fed to the inputs of the logic converter 7. Logic converter 7 generates three sequences of pulses with a duration of 120 electrical degrees shifted relative to each other by 60 electrical degrees, shown in figure 2.

Указанные последовательности импульсов инвертируются инверторами 8 в три последовательности импульсов Ū₁, Ū₂, Ū₃ длительностью 60 электрических градусов и сдвинутых относительно друг друга на 60 электрических градусов.The indicated pulse sequences are inverted by inverters 8 into three pulse sequences Ū ₁ , Ū ₂ , Ū _{3 of a} duration of 60 electrical degrees and 60 electrical degrees shifted relative to each other.

Таким образом за один период следования импульсов U_D1, U_D2, U_D3 формируются шесть импульсов длительностью 60 электрических градусов Ū₁, Ū₂, Ū₃, которые поступают на входы соответствующих транзисторных усилителей 4, 5, 6. В соответствии с приведенными на фиг.2 сигналами Ū₁, Ū₂, Ū₃ обмотки 3 статора электродвигателя подключаются к источнику питания транзисторными усилителями 4, 5, 6 в определенной последовательности по два раза за период.Thus, in one pulse repetition period U _D1 , U _D2 , U _D3 , six pulses are generated with a duration of 60 electrical degrees Ū ₁ , Ū ₂ , Ū ₃ , which are fed to the inputs of the corresponding transistor amplifiers 4, 5, 6. In accordance with the figures in FIG. .2 by signals Ū ₁ , Ū ₂ , Ū _{3 the} windings 3 of the stator of the electric motor are connected to the power source by transistor amplifiers 4, 5, 6 in a certain sequence two times per period.

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.The magnetic field created at the poles by the flowing current in the stator windings 3 interacts with the magnetic flux of the rotor 1 and creates a torque on the motor shaft. In this case, the Hall 2 transducers and, consequently, the corresponding transistor amplifiers 4, 5, 6 are switched by the rotor. By connecting the stator windings 3 of the electric motor to the power source in a certain sequence, the stator magnetomotive force changes its position and rotates in space by an angle of 60 electrical degrees ensuring conservation of torque. If the torque and resistance on the motor shaft are equal, the frequency of its rotation becomes constant.

Учитывая, что частота коммутации обмоток статора бесконтактного электродвигателя является низкой и определяется числом полюсов ротора и частотой вращения в соответствии с формулой:Given that the switching frequency of the stator windings of a non-contact electric motor is low and is determined by the number of rotor poles and speed in accordance with the formula:

где 2p - число пар полюсов,where 2p is the number of pole pairs,

n - частота вращения, min^-1,n is the rotation frequency, min ^-1 ,

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.then due to the formation of six pulses with a duration of 60 electrical degrees in each period following the signals from the formers of the Hall converters, the switching frequency of the stator windings doubles in comparison with the known technical solutions.

За счет увеличения частоты коммутации обмоток статора бесконтактного электродвигателя достигнуто уменьшение пульсации тока, а следовательно, вращающего момента электродвигателя.Due to the increase in the switching frequency of the stator windings of a non-contact electric motor, a decrease in the ripple of the current, and hence the torque of the electric motor, is achieved.

Заявляемый бесконтактный электродвигатель выполнен на меньшем количестве элементов электронной базы, что повышает надежность устройства.The inventive contactless motor is made on a smaller number of elements of the electronic base, which increases the reliability of the device.

Claims

1. Бесконтактный электродвигатель постоянного тока, содержащий 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, отличающийся тем, что 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.1. A non-contact direct current electric motor containing a permanent rotor magnet connected by three Hall converters including signal conditioners, three stator windings, the first leads of which are connected to the corresponding outputs of transistor amplifiers, and the second leads are combined and designed to connect to the power supply pole , a logical converter, outputs connected through the corresponding inverters with inputs of transistor amplifiers, characterized in that the outputs of the driver to it, the signals of the Hall converters are connected to the inputs of the indicated logical converter, executed on three logical elements EXCLUSIVE OR, the first input of the first logical element being combined with the second input of the third logical element, the second input of the first logical element combined with the first input of the second logical element, the second input of which is combined with the first input of the third logical element, forming three inputs of the logical Converter, and connected to the corresponding outputs of the shapers the signals of the Hall converters, and the outputs of the EXCLUSIVE OR logic elements are the outputs of the logical converter.

2. Бесконтактный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что 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.2. The contactless motor according to claim 1, characterized in that the transistor amplifiers are based on an NPN bipolar transistor, the base of the bipolar transistor being the input of the transistor amplifiers, the emitter of the bipolar transistor is designed to connect to the second pole of the power source, and the collector is the output of the transistor amplifiers.

3. Бесконтактный электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что 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. 3. The contactless motor according to claim 1, characterized in that the transistor amplifiers are based on an N-channel field-effect transistor, wherein the gate of the field-effect transistor is the input of transistor amplifiers, the source of the field-effect transistor is designed to connect to the second pole of the power source, and the drain of the field-effect transistor is the output of transistor amplifiers.