Бесколлекторный двигатель постоянного тока

Два типа двигателя - Inrunner, Outrunner - имеют много общего.Двигателем постоянного тока называют электрический двигатель, питание которого обеспечивает постоянный ток. При необходимости получить высокомоментный двигатель со сравнительно небольшими оборотами. Конструктивно Inrunners проще из за того, что неподвижный статор может служить корпусом. К нему могут быть смонтированы крепежные приспособления. В случае Outrunners вращается вся внешняя часть. Крепеж двигателя осуществляется за неподвижную ось либо детали статора. В случае мотор-колеса крепление осуществляется за неподвижную ось статора, провода заводятся к статору через полую оськоторых менее 0,5 мм.

Виды электродвигателей

Существуют следующие типы двигателей постоянного тока:

  • Схема двигателя трехфазного бесколлекторного типа. с возбуждением при помощи постоянных магнитов;
  • с последовательным соединением якоря и обмоток возбуждения;
  • с параллельным соединением якоря и обмоток возбуждения;
  • со смешанным соединением якоря и обмоток возбуждения;
  • вентильный двигатель (бесколлекторный двигатель постоянного тока), выполненный при помощи замкнутой системы; в таком типе двигателя используется инвертор (силовой полупроводниковый преобразователь), преобразователь координат и ДПР (датчик положения ротора).

Двигателем переменного тока называют электрический двигатель, питание которого обеспечивает переменный ток. Существуют следующие типы двигателей переменного тока:

  • Двигатель трехфазный постоянного тока - внешний вид.гистерезисный двигатель;
  • вентильный реактивный двигатель;
  • асинхронный электродвигатель с частотой вращения ротора, отличающейся от частоты вращения создаваемого напряжением магнитного поля;
  • синхронный электродвигатель с частотой вращения ротора, совпадающей с частотой вращения создаваемого напряжением магнитного поля.

Также существует УКД (универсальный коллекторный двигатель) с функцией режима работы как на переменном, так и на постоянном токе.

Ещё один тип двигателей – это шаговый электродвигатель с конечным числом положений ротора. Определённое указанное положение ротора фиксируется при помощи подачи питания на необходимые соответствующие обмотки. При снятии напряжения питания с одной обмотки и его передаче на другие происходит процесс перехода в другое положение.

Двигатель переменного тока при питании посредством промышленной сети обычно не позволяет достичь частоты вращения более трёх тысяч оборотов в минуту. По этой причине при необходимости получить более высокие частоты используется коллекторный двигатель, дополнительными преимуществами которого является лёгкость и компактность при сохранении необходимой мощности.

Двигатель работает с постоянным моментом Иногда также применяют специальный передаточный механизм под названием мультипликатор, который меняет кинематические параметры устройства до требуемых технических показателей. Коллекторные узлы иногда занимают до половины пространства всего двигателя, поэтому электродвигатели переменного тока уменьшают в размере и делают легче в весе путём использования преобразователя частоты, а иногда благодаря наличию сети с повышенной частотой до 400 Гц.

Ресурс любого асинхронного двигателя переменного тока заметно выше коллекторного. Определяется он состоянием изоляции обмоток и подшипников. Синхронный же двигатель при использовании инвертора и датчика положения ротора считается электронным аналогом классического коллекторного двигателя, поддерживающего работу посредством постоянного тока.

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока. Общие сведения и устройство прибора

Бесколлекторные двигатели постоянного тока могут работать под управлением электронных систем управления.Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока также называют трёхфазным вентильным двигателем. Он представляет собой синхронное устройство, принцип работы которого основывается на самосинхронизированном частотном регулировании, благодаря чему происходит управление вектором (отталкиваясь от положения ротора) магнитного поля статора.

Контроллеры электродвигателей такого типа зачастую питаются благодаря постоянному напряжению, отчего и получили своё название. В англоязычной технической литературе вентильный электродвигатель называют PMSM или BLDC.

Бесколлекторный электродвигатель был создан в первую очередь для оптимизации любого электродвигателя постоянного тока в целом. К исполнительному механизму такого устройства (особенно к высокооборотному микроприводу с точным позиционированием) ставились очень высокие требования.

Это, пожалуй, и обусловило использование таких специфических приборов постоянного тока, бесколлекторные трёхфазные двигатели, также называемые БДПТ. По своей конструкции они практически идентичны синхронным двигателям переменного тока, где вращение магнитного ротора происходит в обычном шихтованном статоре при наличии трёхфазных обмоток, а количество оборотов зависит напряжения и нагрузок статора. Исходя из определённых координат ротора, происходит переключение разных обмоток статора.

Outrunner при необходимости получить высокомоментный двигатель со сравнительно небольшими оборотамиБесколлекторные двигатели постоянного тока могут существовать без каких-либо отдельных датчиков, однако, иногда они присутствуют на роторе, например, датчик Холла. Если устройство работает без дополнительного датчика, то обмотки статора выполняют функцию фиксирующего элемента. Тогда ток возникает благодаря вращению магнита, когда в обмотке статора ротор наводит ЭДС.

Если одна из обмоток будет выключена, то будет измеряться и в дальнейшем обрабатываться тот сигнал, который был наведён, однако, такой принцип работы невозможен без профессора обработки сигналов. А вот для реверса или торможения такого электродвигателя мостовая схема не нужна – достаточно будет подачи в обратной последовательности управляющих импульсов на обмотки статора.

В ВД (вентильном двигателе) индуктор в виде постоянного магнита расположен на роторе, а якорная обмотка – на статоре. Исходя из положения ротора, формируется напряжение питания всех обмоток электродвигателя. При использовании в таких конструкциях коллектора, его функцию будет выполнять в вентильном двигателе полупроводниковый коммутатор.

Основное отличие синхронного и вентильного двигателей заключается в самосинхронизации последнего при помощи ДПР, что обусловливает пропорциональную частоту вращения ротора и поля.

Чаще всего бесколлекторный электродвигатель постоянного тока находит применение в следующих сферах:

  • Так выглядит обмотка трехфазного бесколлекторного двигателя морозильное или холодильное оборудование (компрессоры);
  • электропривод;
  • системы нагрева воздуха, его кондиционирования или вентиляции.

Статор

Это устройство имеет классическую конструкцию и напоминает такой же прибор асинхронной машины. В состав входит сердечник из медной обмотки (уложенной по периметру в пазы), определяющей количество фаз, и корпус. Обычно синусной и косинусной фаз достаточно для вращения и самозапуска, однако, часто вентильный двигатель создают трёхфазным и даже четырёхфазным.

Электродвигатели с обратной электродвижущей силой по типу укладки витков на обмотке статора делятся на два типа:

  • синусоидальной формы;
  • трапецеидальной формы.

В соответствующих видах двигателя электрический фазный ток меняется также по способу питания синусоидально или трапецеидально.

Ротор

В роторе применяют постоянные магнитыОбычно ротор изготавливают из постоянных магнитов с количеством пар полюсов от двух до восьми, которые, в свою очередь, чередуются от северного к южному или наоборот.

Самыми распространёнными и дешёвыми для изготовления ротора считаются ферритовые магниты, но их недостатком является низкий уровень магнитной индукции, поэтому на замену такому материалу сейчас приходят приборы, созданные из сплавов различных редкоземельных элементов, поскольку могут предоставить высокий уровень магнитной индукции, что, в свою очередь, позволяет уменьшить размер ротора.

ДПР

Датчик положения ротора обеспечивает обратную связь. По принципу работы устройство делится на такие подвиды:

  • индуктивный;
  • фотоэлектрический;
  • датчик с эффектом Холла.

Последний тип получил наибольшую популярность благодаря своим практически абсолютным безынерционным свойствам и способности избавляться по положению ротора от запаздывания в каналах обратной связи.

Система управления

Система управления состоит из силовых ключей, иногда также из тиристоров или силовых транзисторов, включающих изолированный затвор, ведущих к сбору инвертора тока либо инвертора напряжения. Процесс управления этими ключами реализуется чаще всего путём использования микроконтроллера, требующего для управления двигателем огромного количества вычислительных операций.

Принцип работы

Работа двигателя заключается в том, что контроллер коммутирует определённое количество обмоток статора таким образом, что вектор магнитных полей ротора и статора ортогональны. При помощи ШИМ (широтно-импульсной модуляции) контроллер совершает управление протекающим через двигатель током и регулирует момент, оказывающий воздействие на ротор. Направление этого действующего момента определяет отметка угла между векторами. При расчётах используются электрические градусы.

Мотор колесо  - что это такое?Коммутацию следует производить таким образом, чтобы Ф0 (поток возбуждения ротора) поддерживался относительно потока якоря постоянным. При взаимодействии такого возбуждения и потока якоря формируется вращающий момент М, стремящийся развернуть ротор и параллельно обеспечить совпадение возбуждения и потока якоря. Однако во время поворота ротора происходит переключение различных обмоток под воздействием датчика положения ротора, в результате чего поток якоря разворачивается по направлению к следующему шагу.

В такой ситуации результирующий вектор сдвигается и становится неподвижным по отношению к потоку ротора, что, в свою очередь, создаёт необходимый момент на валу электродвигателя.

Управление двигателем

Контроллер бесколлекторного электродвигателя постоянного тока совершает регулирование действующего на ротор момента, меняя величину широтно-импульсной модуляции. Коммутация при этом контролируется и осуществляется посредством электроники, в отличие от обычного щёточного двигателя постоянного тока. Также распространёнными являются системы управления, которые для рабочего процесса реализуют алгоритмы широтно-импульсной модуляции и широтно-импульсного регулирования.

Бесколлекторный двигатель  - схема устройстваДвигатели на векторном управлении обеспечивают самый широкий из всех известных диапазонов для регулирования собственной скорости. Регулирование этой скорости, как и поддержание потокосцепления на необходимом уровне, происходит благодаря преобразователю частоты.

Особенностью регулирования электропривода, основанного на векторном управлении, является наличие контролируемых координат. Они находятся в неподвижной системе и преобразуются во вращающуюся, выделяя пропорциональное контролируемым параметрам вектора постоянное значение, благодаря чему формируется управляющее воздействие, а затем обратный переход.

Несмотря на все преимущества такой системы, она сопровождается и недостатком в виде сложности управления устройством для регулирования скорости в широком диапазоне.

Преимущества и недостатки

В наше время во многих отраслях промышленности такой тип двигателя пользуется огромным спросом, ведь бесколлекторный электродвигатель постоянного тока объединил в себе едва ли не все самые лучшие качества бесконтактных и других типов двигателей.

Неоспоримыми преимуществами вентильного двигателя являются:

  • широкий диапазон в изменении частоты вращения и лёгкость в его регулировании;
  • энергетические показатели невероятно высоки – КПД составляет более 90%;
  • безопасность при использовании в агрессивной среде или во взрывоопасных местах;
  • перегрузочная способность крайне велика;
  • Статор  - принципиальная схемапри работе в режиме перегрузки электродвигателя наблюдается низкий перегрев;
  • отсутствие требующих техобслуживания узлов (в обычном вентильном двигателе);
  • бесконтактность;
  • точность позиционирования;
  • динамика и высокое быстродействие;
  • пусковой момент очень большой;
  • возможность использования в разных режимах (двигательном и генераторном);
  • высокая надёжность;
  • долгий срок службы;
  • отсутствие скользящих контактов;
  • высокий ресурс работы.

Несмотря на весомые положительные моменты, в бесколлекторном электродвигателе постоянного тока также есть несколько недостатков:

  • Бесколлекторные двигатели применяются во многих устройствах.использование в конструкции ротора дорогостоящих материалов, в частности, постоянных магнитов, приводит к высокой стоимости устройства;
  • ресурс электронных узлов ограничен;
  • коллектор изнашивается достаточно быстро, что ограничивает срок службы устройства;
  • коллекторно-щёточные узлы требуют периодического профилактического обслуживания (в бесколлекторном двигателе постоянного тока);
  • электродвигателю присуща сложная для обывателя система управления.

Исходя из вышеизложенного и неразвитости современной электроники в регионе, многие всё ещё считают целесообразным использование обычного асинхронного двигателя с наличием преобразователя частоты.

Трёхфазный бесколлекторный электродвигатель постоянного тока

Такой тип двигателя обладает превосходными характеристиками, особенно при совершении управления посредством датчиков положения. Если момент сопротивления варьируется или вовсе неизвестен, а также при необходимости достижения более высокого пускового момента используется управление с датчиком. Если же датчик не используется (как правило, в вентиляторах), управление позволяет обойтись без проводной связи.

Особенности управления трёхфазным бесколлекторным двигателем без датчика по положению:

  • Электродвигатель постоянного тока в современном исполнении.расположение ротора определяют при помощи дифференциального АЦП (аналого-цифрового преобразователя);
  • токовую перегрузку определяют также при помощи АЦП (аналого-цифрового преобразователя) либо аналогового компаратора;
  • регулировку скорости выполняют при помощи подсоединённых к нижним драйверам ШИМ-каналов;
  • рекомендуемыми микроконтроллерами считаются AT90PWM3 и ATmega64;
  • поддерживаемыми коммуникационными интерфейсами (интерфейсами связи) являются УАПП, SPI и TWI.

Особенности управления трёхфазным бесколлекторным двигателем с датчиком по положению на примере датчика Холла:

  • регулировку скорости выполняют при помощи подсоединённых к нижним драйверам ШИМ-каналов;
  • Двигатели Fulling Motor  отличаются высокой надежностью.выход каждого из датчиков Холла подключают к соответствующей линии ввода-вывода микроконтроллера, настроенной при изменениях состояния на генерацию прерываний;
  • поддерживаемыми коммуникационными интерфейсами (интерфейсами связи) являются УАПП, SPI и TWI;
  • токовую перегрузку определяют при помощи АЦП (аналого-цифрового преобразователя) либо аналогового компаратора.

Заключение

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока имеет массу преимуществ и станет достойным выбором для использования как специалистом, так и простым обывателем.