§ 24. БЕСКОНТАКТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Как уже отмечалось, двигатели постоянного тока обладают хорошими регулировочными свойствами. Однако наличие щеточноколлекторного аппарата ограничивает возможность применения этих машин в таких тяжелых специфических условиях, как, например, взрывоопасные газовые среды (опасность взрыва при искрении коллектора), агрессивные среды, разрушающие коллектор, пониженное или повышенное давление, относительно высокая или низкая влажность, невозможность принудительного воздушного охлаждения в месте установки, высокие частоты вращения, которые коллектор не выдерживает из-за недостаточной механической прочности, отсутствие доступа к машине во время эксплуатации (длительная работа без профилактического ремонта и осмотра). Кроме того, щеточно-коллекторный аппарат служит источником радиопомех, акустического шума, пыли, засоряющей подшипниковые узлы, и т. д.
Прогресс в области полупроводниковых приборов, появление разнообразных по параметрам транзисторов, силовых диодов и особенно управляемых кремниевых вентилей создали предпосылки к разработке бесконтактных (бесколлекторных) двигателей постоянного тока. Принцип работы такого двигателя может быть рассмотрен на схеме А. А. Дубенского (рис. 79, а). Бесконтактный двигатель постоянного тока состоит из индуктора 1 в виде постоянного магнита,, создающего основной магнитный поток машины, якоря 2, полупроводникового коммутатора 3 и датчиков положения ротора 4, управляющих работой коммутирующих элементов.
Если к зажимам двигателя подвести напряжение от источника постоянного тока при положении ротора, изображенном на рисунке, то датчики положения включат транзисторы Т1 и Т2, и по секции обмотки якоря будет проходить ток в направлении, показанном стрелками.
Рис. 79. Принципиальная и структурная схемы бесконтактного двигателя постоянного тока
В результате взаимодействия тока якоря с основным магнитным потоком индуктора возникают электромагнитная сила и вращающий момент, поворачивающий индуктор по часовой стрелке. При достижении индуктором горизонтального положения вращающий момент будет равен нулю, а при дальнейшем повороте становится отрицательным. Чтобы знак вращающего момента не менялся после достижения индуктором горизонтального положения, датчики положения ротора должны закрыть триоды Т1 и Т2 и открыть триоды Т3 и Т4, тогда ток в обмотке якоря изменит направление и будет продолжаться дальнейшее вращение до следующего горизонтального положения индуктора, когда снова происходит переключение транзисторов. Таким образом, обеспечивается непрерывное вращение ротора. При использовании односекционной обмотки якоря ротор в горизонтальных положениях не развивает вращающего момента (имеет мертвые точки), поэтому число секций обмотки якоря обычно делают не менее двух.
Начиная с 1948 г. было предложено несколько вариантов бесконтактных двигателей постоянного тока как за рубежом, так и в СССР. В 1965 г. были опубликованы данные серии бесконтактных двигателей серии МБ, изготовляемых в СССР.
Бесконтактные двигатели постоянного тока содержат, как правило, три основных функциональных элемента (рис. 79, б):
m-фазный бесконтактный синхронный двигатель СД с ротором в виде постоянного магнита;
управляемый полупроводниковый коммутатор ППК, собранный на бесконтактных переключающих приборах (транзисторах, тиристорах и т. д.) и играющий роль коллектора, т. е., осуществляющий коммутацию тока в обмотке статора двигателя;
датчик положения ДП ротора (индуктора) относительно фаз обмотки статора, управляющий работой коммутатора и определяющий момент и последовательность коммутации обмотки.
Датчик положения встроен в электродвигатель, состоит из ротора и статора, жестко соединенных соответственно с ротором и статором двигателя, ДП должен подавать сигнал на полупроводниковый коммутатор в зависимости от углового положения магнитного поля индуктора относительно якоря. Контроль положения поля индуктора может осуществляться при помощи контролирующих элементов.
В датчиках положения используют элементы, чувствительные к различным видам энергии: лучевой, энергии электрического или магнитного поля. Датчик, использующий лучевую энергию, состоит из источника излучения и приемника. В качестве приемника, подающего сигнал на коммутирующие устройства, используют фоторезисторы, фотодиоды и фототриоды. Датчик, использующий энергию электрического поля, выполняют как конденсатор, емкость которого меняется в зависимости от положения индуктора. Наиболее распространены в бесконтактных двигателях датчики, использующие энергию магнитного поля: датчики Холла, индуктивные датчики э.д.с. вращения, магниточувствительные резисторы, индуктивные датчики с переменным воздушным зазором и с подмагничиванием магнитной цепи.
Датчик положения является наиболее слабым местом бесконтактного двигателя постоянного тока. Тип датчика определяется схемой полупроводникового коммутатора.
Рис. 80. Схема и принципиальное устройство бесконтактного двигателя постоянного тока с двухтактным полупроводниковым преобразователем
В бесконтактном двигателе постоянного тока сохраняется основная особенность машины постоянного тока по сравнению с машиной переменного тока: частота переключения секции обмотки якоря определяется частотой вращения ротора, т. е. регулируется самой машиной. Благодаря этому бесконтактный двигатель постоянного тока сохраняет характеристики коллекторного двигателя с независимым возбуждением.
Наиболее рациональным способом регулирования частоты вращения бесконтактного двигателя постоянного тока является импульсный (см. § 21). Сущность его состоит в том, что во время коммутации фазы (секции) обмотки статора к ней подводятся импульсы неизменного по амплитуде напряжения, и работа двигателя состоит из чередующихся периодов разгона и замедления. В результате двигатель вращается с некоторой средней частотой, зависящей от относительной продолжительности включения. Функции регулирующего и коммутирующего органов можно совместить в этом случае в одном устройстве.
В последнее время появились бесконтактные двигатели постоянного тока без датчиков положения. Принципиальная схема двигателя (рис. 80, а) представляет собой двухтактный преобразователь (инвертор) с самовозбуждением, называемый мультивибратором, собранным по схеме Роера. При подаче напряжения от источника постоянного тока на зажимах а—с схемы трансформатора появляется переменное напряжение в виде импульсов приблизительно прямоугольной формы. В обычном варианте двигатель получает питание от преобразователя через трансформатор, являющийся элементом этого преобразователя, причем выходная мощность трансформатора должна быть не меньше мощности двигателя. В данной же схеме трансформатор преобразователя и двигатель совмещены, что является преимуществом, так как в этом случае размеры и масса установки уменьшаются, а надежность без дополнительного промежуточного Звена возрастает.
По существу сам двигатель представляет собой однофазный асинхронный двигатель с расщепленными полюсами (рис. 80, б). Главная обмотка двигателя, имеющая вывод средней точки и являющаяся одновременно коллекторной 
обмоткой мультивибратора, намотана на полюсных сердечниках. На этих же сердечниках намотана и вспомогательная базовая
обмотка, играющая в мультивибраторе роль обмотки обратной связи.
Короткозамкнутый ротор двигателя в данной схеме выполняет роль выходной обмотки ωр мультивибратора. Для пуска двигателя имеется пусковая обмотка — короткозамкнутый виток ωп на полюсных сердечниках (на рис. 80, а не показан).
Делитель напряжения R1, R2 в схеме двигателя служит для запуска преобразователя при включении питающего напряжения, С — коммутирующая емкость. Схема позволяет регулировать частоту мультивибратора, а соответственно и частоту вращения двигателя при изменении напряжения питания схемы и сопротивления резистора R1.
Все элементы схемы двигателя (транзисторы, резисторы, емкости) могут быть помещены в отдельный блок или вмонтированы непосредственно в корпус двигателя. Частота вращения двигателя, собранного по данной схеме, ограничивается только механическими возможностями и практически может достигать 30 тыс. об/мин. Для этого при проектировании необходимо задаться соответствующей частотой мультивибратора. Мощность двигателя ограничивается параметрами транзисторов Т1 и Т2 и может достигать 100 Вт.
Бесконтактные двигатели постоянного тока по энергетическим показателям часто не уступают обычным коллекторным машинам. Срок их службы весьма велик и определяется в основном работоспособностью подшипников, а срок хранения практически не ограничен. Двигатели можно делать бесшумными, работать они могут в тяжелых условиях.
При использовании стандартных полупроводниковых элементов размеры бесконтактных двигателей с полупроводниковыми коммутирующими устройствами несколько больше размеров коллекторных машин, однако разработка специализированных полупроводниковых приборов позволит в дальнейшем значительно снизить эти размеры.
Бесконтактные двигатели постоянного тока изготовляют в основном как микроэлектродвигатели. Область их применения в диапазоне мощностей от нескольких ватт до нескольких сот ватт может быть весьма разнообразной: установки автоматического управления и регулирования судовых систем, гироскопические приборы, насосы, вентиляторы различного назначения и др.
