Сучасні безколекторні двигуни постійного струму

Сучасні безколекторні двигуни постійного струму – це електродвигуни, які не мають щіток та колектора для комутації струму в обмотках. Натомість вони використовують спеціальну електроніку для керування струмом залежно від положення ротора, на якому закріплені постійні магніти.

Безколекторні двигуни мають ряд переваг перед колекторними, як високий ККД, низький рівень шуму, тривалий термін служби, можливість роботи при високих швидкостях і моментах.

Безколекторні двигуни застосовуються у різних галузях, таких як авіація, автомобільна промисловість, робототехніка, медицина, побутова техніка та інші.

Завдяки суттєвому прогресу в області напівпровідникової електроніки та технології створення потужних неодимових магнітів, широкого поширення набули сьогодні безколекторні двигуни постійного струму. Вони застосовуються у пральних машинах, пилососах, вентиляторах, дронах тощо. буд.

І хоча ідея щодо принципу роботи безколекторного двигуна висловлювалася ще на початку 19 століття, вона чекала свого часу до початку напівпровідникової ери, коли технології стали готові до практичної реалізації цієї цікавої та ефективної концепції, що дозволила безколекторним двигунам постійного струму крокувати так широко, як це відбувається сьогодні .

У англомовній версії двигуни цього типу називаються BLDC motor – Brushless Direct Current Motor - Безщітковий двигун постійного струму.Ротор двигуна містить постійні магніти, а робочі обмотки розташовуються на статорі, тобто пристрій двигуна BLDC повністю протилежно тому, як це має місце в класичному колекторному двигуні. Управляється BLDC двигун електронним регулятором, який називають ESC - Electronic speed controller - Електронний регулятор ходу.

Електронний регулятор ходу та високий ККД

Електронний регулятор ходу дозволяє плавно варіювати електричну потужність, що подається на безколекторний електродвигун. На відміну від ранніх, більш простих версій резистивних регуляторів ходу, які просто обмежували потужність шляхом включення в ланцюг послідовно з двигуном активного навантаження, що перетворює надмірну потужність в тепло, електронний регулятор ходу дозволяє отримати значно вищий ККД, не витрачаючи електричну енергію, що підводиться на марну .

Безколекторний двигун постійного струму можна класифікувати як самосинхронізований синхронний двигун, В якому повністю виключений вузол, що вимагає регулярного обслуговування - колектор. Функцію колектора несе на собі електроніка, завдяки чому вся конструкція виробу сильно спрощується і стає компактнішою.

Щітки замінені, по суті, на електронні ключі, втрати в яких значно менші, ніж були б при механічній комутації. Потужні неодимові магніти на роторі дозволяють досягти більшого моменту на валу. І гріється такий двигун менше, ніж його колекторний попередник.

У результаті ККД двигуна виходить найкращим, а показники потужності на кілограм ваги - вище, плюс досить широкий діапазон регулювання швидкості обертання ротора і практично повна відсутність радіоперешкод, що генеруються. Конструктивно двигуни даного типу легко адаптуються для експлуатації у воді та в агресивних середовищах.

Електронний блок управління - дуже важлива і дорога частина безколекторного двигуна постійного струму, без якої, проте, не обійтися. Від цього блоку двигун отримує живлення, параметри якого одночасно впливають і на швидкість, і на потужність, яку двигун зможе розвинути під навантаженням.

Навіть якщо швидкість обертання не потрібно регулювати, все одно електронний блок управління необхідний, адже він несе на собі не тільки функцію управління, але також має силову складову. Можна сказати, що ESC – це аналог частотного регулятора для асинхронних двигунів змінного струму, спеціально призначений для живлення та керування безколекторним двигуном постійного струму.

Управління двигуном BLDC

Щоб зрозуміти як відбувається керування BLDC двигуном, спочатку пригадаємо, як працює колекторний двигун. В його основі принцип обертання рамки зі струмом у магнітному полі.

Щоразу, коли рамка зі струмом повернулася і знайшла положення рівноваги, комутатор (щітки притиснуті до колектора) змінює напрямок струму через рамку, і рамка рухається далі. Цей процес повторюється під час руху рамки від полюса до полюса. Тільки от у колекторному двигуні таких рамок багато і магнітних полюсів кілька пар, тому колекторно-щітковий вузол містить не два контакти, а багато.

Електронний блок керування безколекторним двигуном робить те саме. Він змінює полярність магнітного поля, як тільки ротор необхідно провернути далі з положення рівноваги. Тільки керуюча напруга подається не так на ротор, але в обмотки статора, і робиться це з допомогою напівпровідникових ключів у необхідні моменти часу (фази ротора).

Очевидно, що електричний струм на обмотки статора безколекторного двигуна необхідно подавати у правильні моменти часу, тобто тоді, коли ротор знаходиться у певному відомому положенні. Для цього застосовується один із таких методів. Перший - на основі датчика положення ротора, другий - шляхом вимірювання ЕРС на одній з обмоток, яка в даний момент не отримує живлення.

Датчики бувають різними, магнітними та оптичними, найбільш популярні магнітні датчики на основі ефекту Холла. Другий спосіб (на основі вимірювання ЕРС) хоч і ефективний, однак він не дозволяє здійснювати точне управління на низьких швидкостях та при старті. А ось датчики Холла забезпечують можливість більш точного керування у всіх режимах. У трифазних двигунах BLDC таких датчиків три штуки.

Двигуни без датчиків положення ротора застосовні у тих випадках, коли старт двигуна відбувається без навантаження на валу (вентилятор, пропелер тощо). Якщо старт відбувається під навантаженням, необхідний двигун з датчиками положення ротора. У тому та в іншому варіанті є свої плюси та мінуси.

Рішення з датчиком обертається зручнішим управлінням, але при виході з ладу хоча б одного з датчиків двигун доведеться розбирати, до того ж датчики вимагають окремих проводів.У варіанті без датчика немає потреби в спеціальних проводах, але під час старту ротор розгойдуватиметься туди-сюди. Якщо це неприпустимо, необхідно ставити датчики в систему.

Ротор та статор, кількість фаз

Ротор BLDC двигуна може бути зовнішнім або внутрішнім, а статор відповідно внутрішнім або зовнішнім. Статор виготовляють з магнітопровідного матеріалу, з кількістю зубців, яке ділиться на кількість фаз. Ротор може бути виготовлений необов'язково з магнітопровідного матеріалу, але обов'язково з жорстко зафіксованими на ньому магнітами.

Чим сильніші магніти - тим вище доступний крутний момент. Кількість зубців статора не обов'язково має дорівнювати кількості магнітів на роторі. Мінімальна кількість зубців дорівнює кількості фаз керування.

Більшість сучасних безколекторних двигунів постійного струму – трифазні, просто через простоту такої конструкції та способу управління нею. Як і асинхронних двигунах змінного струму, обмотки трьох фаз з'єднуються тут на статор «трикутником» чи «зіркою».

Такі двигуни без датчиків положення ротора мають 3 проводи живлення, а двигуни з датчиками - 8 проводів: додаткові два проводи - для живлення датчиків і три - сигнальні висновки датчиків.

Обмотка статора виконується ізольованим мідним проводом так, щоб сформувати магнітні полюси необхідної кількості фаз рівномірно розподілені по колу ротора. Кількість окремо стоять полюсів на статорі для кожної фази вибирається виходячи з необхідної швидкості обертання двигуна (і моменту, що обертає).

Низькооборотні двигуни із зовнішнім ротором роблять з великою кількістю полюсів (і відповідно зубців) на кожну фазу, щоб отримати обертання з кутовою частотою значно менше частоти струму, що управляє. Але навіть у високооборотних трифазних двигунах зазвичай не застосовують кількість зубців менше ніж 9.

Андрій Повний, Філія БДТУ "Гомельський державний політехнічний коледж"

Телеграм канал для тих, хто щодня хоче дізнаватися нове та цікаве: Школа для електрика

Безколекторний двигун постійного струму: принцип роботи, будова, застосування

Головна проблема колекторних двигунів – це наявність колекторного вузла. Щітки стираються, а ламелі зношуються, від шару графітового пилу між ними відбуваються замикання, виникає щирість.

Цих проблем немає в асинхронних машинах, але працювати від постійного струму вони не можуть. Безколекторний двигун постійного струму позбавлений зазначених вище недоліків.

Про те, що це таке, як працює і де використовуються двигуни БДПТ, ми і поговоримо в цій статті.

Визначення

Безколекторним називають електродвигун постійного струму, струм в обмотках якого перемикає спеціальний пристрій-комутатор - він зветься драйвер або інвертор і ці обмотки завжди розташовані на статорі. Комутатор складається з 6 транзисторів, вони і подають струм у ту чи іншу обмотку, залежно від положення ротора.

У вітчизняній літературі такі двигуни називають "вентильними" (бо напівпровідникові ключі називають "вентилями"), і є поділ таких електромашин на два види за формою проти-ЕРС.

У зарубіжній літературі така відмінність зберігається, один з них називають аналогічно російському "BLDC" (brushless direct current drive або motor), що в дослівному перекладі звучить як "безщітковий двигун постійного струму" в їх обмотках виникає трапецеїдальна ЕРС.

Вентильні електродвигуни з синусоїдальної ЕРС називають PMSM (Permanent magnet synchronous machine), що перекладається як «синхронний електродвигун з збудженням постійними магнітами».

Пристрій та принцип дії

Колектор КДПТ служить вузлом перемикання струму в обмотках якоря. У безколекторному електродвигуні постійного струму (БДПТ) цю роль виконують не щітки з ламелями, а комутатор напівпровідникових ключах — транзисторах.

Транзистори перемикають обмотки статора, створюючи магнітне поле, що обертається, яке взаємодіє з полем магнітів ротора.

А при протіканні струму через провідник, який знаходиться в магнітному полі, на нього діє сила Ампера, за рахунок дії цієї сили і утворюється момент, що крутить, на валу електричних машин. На цьому і ґрунтується принцип роботи будь-якого електродвигуна.

Тепер розберемося в тому, як влаштований безколекторний двигун. На статорі БДПТ зазвичай розташовані 3 обмотки, за аналогією з електродвигунами змінного струму часто називають трифазними.

Частково це правильно: безколекторні двигуни працюють від джерела постійного струму (частіше від акумуляторів), але контролер включає струм обмотках по черзі. Однак при цьому не зовсім правильно говорити, що обмотками протікає змінний струм.

Кінцева форма живильної обмотки напруги формується прямокутними імпульсами управління транзисторами.

Трифазний безколекторний двигун може бути трипровідним або чотирипровідним, де четвертий провід - відведення від середньої точки (якщо обмотки з'єднані за схемою зірки).

Обмотки або, кажучи простими словами, котушки мідного дроту укладаються в зуби сердечника статора. Залежно від конструкції та призначення приводу на статорі може бути різна кількість зубців. Зустрічаються різні варіанти розподілу обмоток фаз зубцями ротора, що ілюструє наступний малюнок.

• Обмотки кожного із зубів у межах однієї фази можуть з'єднуватися послідовно або паралельно, в залежності від поставлених конструктору завдань за потужністю і моментом проектованого приводу, а самі обмотки фаз з'єднуються між собою за схемою зірки або трикутника, подібно до асинхронних або синхронних трифазних електродвигунів змінного струму.

У статорі можуть встановлюватись датчики положення ротора. Часто використовуються датчики холу, вони дають сигнал контролеру, коли впливає магнітне поле магнітів ротора. Це потрібно для того, щоб контролер «знав», в якому положенні знаходиться ротор і подавав харчування на відповідні обмотки.

Це потрібно для підвищення ефективності та стабільності роботи, а якщо коротко — щоб вичавити з двигуна всю можливу потужність. Датчик зазвичай встановлюється 3 штуки.

Але наявність датчиків ускладнює пристрій безколекторного електродвигуна, до них потрібно проводити додаткові дроти для живлення та лінії даних.

У БДПТ для збудження використовуються постійні магніти, встановлені на роторі, а статор - це якір.Нагадаємо, що в колекторних машинах навпаки (ротор - це якір), а для збудження в КД використовуються як постійні магніти, так і електромагніти (обмотки).

Магніти встановлюються з чергуванням полюсів, відповідно їх кількість визначає кількість пар полюсів. Але це не означає, що скільки магнітів, то стільки ж пар полюсів. Декілька магнітів можуть формувати один полюс.

Від числа полюсів, як у випадку з асинхронним двигуном (та іншими) залежить кількість обертів за хвилину.

Тобто від одного контролера на однакових налаштуваннях безколекторні двигуни з різним числом пар полюсів обертатимуться з різною швидкістю.

Види БДПТ

Тепер розберемося, якими бувають безколекторні двигуни на постійних магнітах. Їх класифікують за формою проти-ЕРС, конструкції, а також наявність датчиків положення ротора. Отже, два основних типи, що відрізняються формою проти-ЕРС, яка наводиться в обмотках при обертанні ротора:

• BLDC - у них трапецеїдальна проти-ЕРС;
• PMSM - проти-ЕРС синусоїдальна.

В ідеальному випадку для них потрібні різні джерела живлення (контролери), але на практиці вони взаємозамінні. Але якщо використовувати контролер з прямокутною або трапецеїдальною вихідною напругою з PMSM-двигуном, то буде чути характерні звуки, схожі на стукіт під час обертання.

А за конструкцією безколекторні двигуни постійного струму бувають:

• З внутрішнім ротором. Це звичне уявлення електродвигуна, коли статор — це корпус, а обертається вал, що у ньому. Часто їх називають англійським словом Inrunner. Такий варіант зазвичай застосовують для високооборотних електродвигунів.
• Із зовнішнім ротором.Тут обертається зовнішня частина двигуна із закріпленим на ній валом, в англомовних джерелах його називають "outrunner". Цю схему пристрою використовують, коли потрібний високий момент.

Вибирають конструкцію в залежності від того навіщо потрібен безколекторний двигун у конкретному застосуванні.

Сучасна промисловість випускає безколекторні двигуни як із датчиками положення ротора, так і без них.

Справа в тому, що існує безліч способів управління БДПТ, для деяких з них потрібні датчики положення, інші визначають положення ЕРС в обмотках, треті і зовсім просто подають харчування на потрібні фази і електродвигун самостійно синхронізується з таким харчуванням і входить в робочий режим.

Основні характеристики безколекторних двигунів постійного струму:

1. Режим роботи – тривалий чи короткочасний.
2. Максимальна робоча напруга.
3. Максимальний робочий струм.
4. Максимальна потужність
5. Максимальні обороти часто вказують не обороти, а KV - об/в, тобто кількість оборотів на 1 вольт прикладеної напруги (без навантаження на валу). Щоб отримати максимальні оберти, помножте це число на максимальну напругу.
6. Опір обмотки (що менше, тим вище ККД), зазвичай становить соті і тисячні частки Ома.
7. Кут випередження фази (timing) - час, через який струм в обмотці досягне свого максимуму, це пов'язано з її індуктивністю та законами комутації (струм в індуктивності не може змінитися миттєво).

Схема підключення

Як було сказано вище, для роботи безколекторного двигуна потрібний спеціальний контролер. На аліекспрес можна знайти як комплекти з двигуна та контролера, так і окремо.Контролер також називають ESC Motor або Electric Speed ​​Controller.

Зазвичай підключення електродвигуна до контролера не викликає труднощів і зрозуміло навіть для чайників.

1. У мережі є й ряд технічних рішень та схем як складних, так і для чайників, які ви можете побачити нижче.
2. У цьому відеоролику автор розповідає, як подружити БК моторчик із «ардуїною».

А в цьому ролику ви дізнаєтеся про різні способи підключення до різних регуляторів і як його можна зробити власними руками.

До речі, схему з відео для повторення також прикладаємо:

Де застосовуються безколекторні двигуни

Сфера застосування електродвигунів достроково широка.

Вони використовуються як для приводу дрібних механізмів: у дисководах CD, DVD-приводах, жорстких дисках, так і в потужних пристроях: акумуляторі та мережному електроінструменті (з живленням порядку 12В), радіокерованих моделях (наприклад, квадрокоптерах), верстатах ЧПУ для приводу робочого органу (зазвичай моторчики з номінальною напругою 24В чи 48В).

Широке застосування БДПТ знайшли в електротранспорті, майже всі сучасні мотор-колеса електросамокатів, велосипедів, мотоциклів та автомобілів – це безколекторні двигуни.

До речі, номінальна напруга електродвигунів для транспорту лежить у широкій межі, наприклад, мотор-колесо для велосипеда найчастіше працює від 36В або від 48В, за рідкісним винятком і більше, а в автомобілях, наприклад, на Toyota Prius близько 120В, а на Nissan Leaf - Доходить до 400, при тому що заряджається від мережі 220В (це реалізується за допомогою вбудованого перетворювача).

Насправді область застосування безколекторних електродвигунів дуже широка, відсутність колекторного вузла дозволяє його застосовувати в небезпечних місцях, а також у місцях з підвищеною вологістю, без побоювань замикань, іскріння або займання через дефекти в щітковому вузлі. Завдяки високому ККД та гарним масогабаритним показникам вони знайшли застосування і в космічній промисловості.

Переваги та недоліки

Безколекторним двигунам постійного струму, як і іншим видам електромашин, притаманні певні переваги та недоліки.

Переваги у БДПТ полягають у наступному:

• Завдяки збудженню потужними постійними магнітами (неодимовими, наприклад) перевершують за моментом і потужністю і мають менші габарити, ніж асинхронні двигуни. Чим користується більшість виробників електротранспорту - від самокатів до автомобілів.
• Немає щітково-колекторного вузла, що потребує регулярного обслуговування.
• При використанні якісного контролера на відміну від того ж КД не видають перешкоди в мережу живлення, що особливо важливо в радіокерованих пристроях і транспорті з розвиненим електронним обладнанням в бортовій мережі.
• ККД понад 80, частіше та 90%.
• Висока швидкість обертання, в окремих випадках до 100 000 об/хв.

Але є й суттєвий мінус: безколекторний двигун без контролера – просто шматок заліза із мідною обмоткою. Він ніяк не зможе працювати.Контролери коштують недешево і найчастіше їх доводиться замовляти в інтернет-магазинах чи з аліекспрес. Через це використовувати БК-мотори у моделях та пристроях домашнього виробництва не завжди можливо.

Тепер ви знаєте, що таке безколекторний двигун постійного струму, як він працює і де застосовується. Сподіваємось, наша стаття допомогла вам розібратися у всіх питаннях!

Безколекторний двигун постійного струму: принцип роботи, будова, застосування

Побутова та медична техніка, авіамоделювання, трубозапірні приводи газо- та нафтопроводів – це не повний перелік областей застосування безколекторних двигунів (БД) постійного струму. Давайте розглянемо пристрій і принцип дії цих електромеханічних приводів, щоб краще зрозуміти їх переваги та недоліки.

Загальні відомості, будова, сфера застосування

Одна з причин вияву інтересу до БД - це зросла потреба у високооборотних мікродвигуна, що мають точне позиціонування. Внутрішнє влаштування таких приводів продемонстровано на малюнку 2.

Мал. 2. Пристрій безколекторного двигуна

Як бачите, конструкція є ротор (якір) і статор, на першому є постійний магніт (або кілька магнітів, розташованих в певному порядку), а другий обладнаний котушками (В) для створення магнітного поля.

Примітно, що ці електромагнітні механізми можуть бути як із внутрішнім якорем (саме такий тип конструкції можна побачити на малюнку 2), так і зовнішнім (див. рис. 3).

Мал. 3. Конструкція із зовнішнім якорем (outrunner)

Відповідно кожна з конструкцій має певну сферу застосування.

Пристрої з внутрішнім якорем мають високу швидкість обертання, тому використовуються в системах охолодження, як силові установки дронів і т.д.

Приводи із зовнішнім ротором використовуються там, де потрібне точне позиціонування та стійкість до перевантажень по моменту (робототехніка, медичне обладнання, верстати ЧПУ тощо).

Безколекторний двигун у комп'ютерному дисководі

Принцип роботи

На відміну від інших приводів, наприклад, асинхронної машини змінного струму, для БД необхідний спеціальний контролер, який включає обмотки таким чином, щоб вектори магнітних полів якоря і статора були ортогональні один до одного. Тобто, по суті, пристрій-драйвер регулює крутний момент, що діє на якір БД. Наочно цей процес продемонстровано малюнку 4.

Фази роботи безколекторного приводу

Як бачимо, кожного переміщення якоря необхідно виконувати певну комутацію в обмотці статора двигуна безколекторного типу. Такий принцип роботи не дозволяє плавно керувати обертанням, але дає можливість швидко набрати обертів.

Відмінності колекторного та безколекторного двигуна

Привід колекторного типу відрізняється від БД як конструктивними особливостями (див. рис 5), так і принципом роботи.

Мал. 5. А – колекторний двигун, В – безколекторний

Розглянемо конструктивні відмінності. З малюнка 5 видно, що ротор (1 на рис. 5) двигуна колекторного типу, на відміну від безколекторного, має котушки, у яких проста схема намотування, а постійні магніти (зазвичай два) встановлені на статорі (2 на рис. 5). ). Крім цього, на валу встановлений колектор, до якого підключаються щітки, що подають напругу на обмотки якоря.

Коротко розповімо про принцип роботи колекторних машин.Коли на одну з котушок подається напруга, відбувається її збудження і утворюється магнітне поле. Воно вступає у взаємодію Космосу з постійними магнітами, це змушує прокручуватися якір і розміщений на ньому колектор. Через війну харчування подається іншу обмотку і цикл повторюється.

Частота обертання якоря такої конструкції безпосередньо залежить від інтенсивності магнітного поля, яке, у свою чергу, прямо пропорційне напрузі.

Тобто щоб збільшити або зменшити обороти, достатньо підвищити або знизити рівень харчування. А для реверсу потрібно переключити полярність.

Такий спосіб управління не вимагає спеціального контролера, оскільки регулятор ходу можна зробити на базі змінного резистора, а звичайний перемикач працюватиме як інвертор.

Конструктивні особливості двигунів безколекторного типу ми розглядали у попередньому розділі. Як ви пам'ятаєте, їх підключення потребує спеціального контролера, без якого вони просто не працюватимуть. З цієї причини ці двигуни що неспроможні використовуватися як генератор.

Варто також відзначити, що в деяких приводах даного типу для більш ефективного керування відстежуються положення ротора за допомогою датчиків Холла. Це значно покращує властивості безколекторних двигунів, але призводить до подорожчання і так дорогої конструкції.

Як запустити безколекторний двигун?

Щоб змусити працювати приводи даного типу, знадобиться спеціальний контролер (див. рис. 6). Без нього запуск неможливий.

Мал. 6. Контролери безколекторних двигунів для моделізму

Збирати самому такий пристрій немає сенсу, дешевше і надійніше придбати готовий. Підібрати його можна за такими характеристиками, властивими драйверам каналів:

• Максимально допустима сила струму ця характеристика наводиться для штатного режиму роботи пристрою. Досить часто виробники вказують такий параметр у назві моделі (наприклад, Phoenix-18). У деяких випадках наводиться значення пікового режиму, який контролер може підтримувати кілька секунд.
• Максимальний розмір штатної напруги для тривалої роботи.
• Опір внутрішніх ланцюгів контролера.
• Допустиме число оборотів, вказується в rpm. Понад це значення контролер не дозволить збільшити обертання (обмеження реалізовано на програмному рівні). Слід звернути увагу на те, що частота обертання завжди приводиться для двополюсних приводів. Якщо пар полюсів більше, слід розділити значення їх кількість. Наприклад, вказано число 60000 rpm, отже, для 6 магнітного двигуна частота обертання складе 60000/3=20000 prm.
• Частота генерованих імпульсів, більшість контролерів цей параметр лежить у межах від 7 до 8 кГц, більш дорогі моделі дозволяють перепрограмувати параметр, збільшивши його до 16 або 32 кГц.

Звернімо увагу, що три характеристики визначають потужність БД.

Управління безколекторним двигуном

Як зазначалося вище, управління комутацією обмоток приводу здійснюється електронікою. Щоб визначити, коли перемикатися, драйвер відстежує положення якоря за допомогою датчиків Холла.

Якщо привід не забезпечений такими детекторами, то до уваги береться зворотна ЕРС, яка виникає в непідключених котушках статора.

Контролер, який, по суті, є апаратно-програмним комплексом, відстежує ці зміни та визначає порядок комутації.

Трифазний безколекторний електродвигун постійного струму

Більшість БД виконуються у трифазному виконанні.Для управління таким приводом в контролері є перетворювач постійної напруги трифазне імпульсне (див. рис.7).

Рисунок 7. Діаграми напруг БД

Щоб пояснити, як працює такий вентильний двигун, слід разом з малюнком 7 розглядати рисунок 4 де почергово зображені всі етапи роботи приводу. Розпишемо їх:

1. На котушки "А" подається позитивний імпульс, тоді як на "В" - негативний, в результаті якір зрушить. Датчиками зафіксується його рух і подасть сигнал для наступної комутації.
2. Котушки "А" відключається, і позитивний імпульс йде на "С" ("В" залишається без зміни), далі подається сигнал на наступний набір імпульсів.
3. На "С" - позитивний, "А" - негативний.
4. Працює пара «В» та «А», на які надходять позитивний та негативний імпульси.
5. Позитивний імпульс повторно подається на "В", і негативний на "С".
6. Включаються котушки "А" (подається +) і повторюється негативний імпульс на "С". Далі цикл повторюється.

У простоті управління, що здається, є маса складнощів. Потрібно не тільки відстежувати положення якоря, щоб зробити наступну серію імпульсів, а й керувати частотою обертання, регулюючи струм у котушках.

Крім цього, слід вибрати найбільш оптимальні параметри для розгону і гальмування. Варто також не забувати, що контролер повинен бути оснащений блоком, що дозволяє керувати його роботою.

Зовнішній вигляд такого багатофункціонального пристрою можна побачити малюнку 8.

Мал. 8. Багатофункціональний контролер керування безколекторним двигуном

Переваги та недоліки

Електричний безколекторний двигун має багато переваг, а саме:

• Термін служби значно довше, ніж у звичайних колекторних аналогів.
• Високий ККД.
• Швидкий набір максимальної швидкості обертання.
• Він потужніший, ніж КД.
• Відсутність іскор при роботі дозволяє використовувати привід у пожежонебезпечних умовах.
• Не потрібне додаткове охолодження.
• Проста експлуатація.

Тепер розглянемо мінуси. Істотний недолік, який обмежує використання БД – їхня відносно висока вартість (з урахуванням ціни драйвера). До незручностей слід віднести неможливість використання БД без драйвера, навіть для короткострокового включення, наприклад, щоб перевірити працездатність. Проблемний ремонт, особливо якщо потрібно перемотування.

Безколекторний двигун постійного струму: особливості та принцип роботи

Безколекторний двигун постійного струму має на статорі трифазну обмотку і постійний магніт на роторі. Магнітне поле, що обертається, створюється обмоткою статора, при взаємодії з яким магнітний ротор приходить в рух.

Для створення магнітного поля, що обертається на обмотку статора подається система трифазних напруг, яка може мати різну форму і формується різними способами.

Формування напруги живлення (комутація обмоток) для безколекторного двигуна постійного струму проводитися спеціалізованими блоками електроніки - контролером двигуна.

Замовити безколекторний двигун у нашому каталозі

У найпростішому випадку попарно обмотки підключаються до джерела постійної напруги і в міру того як ротор повертається в напрямку вектора магнітного поля обмотки статора проводиться підключення напруги до іншої пари обмоток.

Вектор магнітного поля статора при цьому займає інше положення та обертання ротора продовжується.Для визначення потрібного моменту підключення наступних обмоток використовується датчик ротора, частіше за інших використовуються датчики Холла.

Можливі варіанти та спеціальні випадки

Безколекторні двигуни, що випускаються зараз, можуть мати різну конструкцію.

За виконанням статорної обмотки можна виділити двигуни з класичною обмоткою, намотаною на сталевий сердечник, і двигуни з порожнистою циліндричною обмоткою без сталевого сердечника.

Класична обмотка має значно більшу індуктивність, ніж порожниста циліндрична обмотка, і відповідно більшу постійну часу.

Через це з одного боку, порожниста циліндрична обмотка допускає більш динамічну зміну струму (а, отже, і моменту), з іншого боку при роботі від контролера двигуна, що використовує ШІМ-модуляцію невисокої частоти для згладжування пульсацій струму, потрібні дроселі, що фільтрують, більшого номіналу (А відповідно і більшого розміру). Крім того, класична обмотка, як правило, має помітно більший момент магнітної фіксації, а також менший ККД, ніж порожниста циліндрична обмотка.

Ще одна відмінність, за якою розділяються різні моделі двигунів – це взаємне розташування ротора та статора – існують двигуни із внутрішнім ротором та двигуни із зовнішнім ротором.

Двигуни з внутрішнім ротором, як правило, мають вищі швидкості та менший момент інерції ротора, ніж моделі із зовнішнім ротором. Завдяки цьому двигуни з внутрішнім ротором мають більш високу динаміку.

Двигуни із зовнішнім ротором часто мають дещо більший номінальний момент при тому самому зовнішньому діаметрі двигуна.

Відмінності від інших типів двигунів

Відмінності від колекторних ДПТ.Розміщення обмотки на роторі дозволило відмовитися від щіток і колектора і тим самим позбутися рухомого електричного контакту, який значно знижує надійність ДПТ з постійними магнітами.

З цієї ж причини швидкість у безколекторних двигунів, як правило, значно вища, ніж у ДПТ із постійними магнітами.

З одного боку це дозволяє збільшити питому потужність безколекторного двигуна, з іншого боку не для всіх застосувань така висока швидкість є дійсно необхідною

Синхронні двигуни з постійними магнітами на роторі дуже схожі на безколекторні ДПТ по конструкції, проте є і ряд відмінностей.

По-перше термін синхронний двигун поєднує в собі багато різних видів двигунів, частина з яких призначені для безпосередньої роботи від стандартної мережі змінного струму, інша частина (наприклад, синхронні серводвигуни) може працювати тільки від перетворювачів частоти (контролерів двигунів).

Безколекторні двигуни, хоч і мають на статорі трифазну обмотку, не допускають безпосередню роботу від напруги, і обов'язково вимагають наявності відповідного контролера.

Крім того, синхронні двигуни припускають живлення напругою синусоїдальної форми в той час як безколекторні двигуни допускають живлення змінною напругою ступінчастої форми (блочна комутація) і навіть припускають його використання в номінальних режимах роботи.

Коли потрібний безколекторний двигун?

Відповідь на це питання досить проста – у тих випадках, коли вона має перевагу перед іншими типами двигунів.Так, наприклад, практично неможливо обійтися без безколекторного двигуна у застосуваннях, де потрібні великі швидкості обертання: понад 10000 об/хв.

Виправдано застосування безколекторних двигунів також і в тих випадках, коли потрібен високий термін служби двигуна.

Високошвидкісні безколекторні двигуни в цьому випадку матимуть швидкість вищу, ніж гранично допустима швидкість редуктора, і з цієї причини не буде можливості використовувати їхню потужність повністю.

Для застосування, де потрібне максимально просте керування двигуном (без використання контролера двигуна) природним вибором буде колекторний ДПТ.

З іншого боку, в умовах підвищеної температури або підвищеної радіації проявляється слабке місце безколекторних двигунів - датчики Холла.

Якщо в подібному застосуванні все ж таки є необхідність використовувати безколекторний двигун, то неминучими стають замовлення виконання із заміною датчиків Холла на більш стійкі до зазначених факторів, що збільшує ціну двигуна та терміни постачання.

Безколекторний двигун постійного струму: особливості, переваги, влаштування приладу

Види електродвигунів

Існують такі типи двигунів постійного струму:

• із збудженням за допомогою постійних магнітів;
• з послідовним з'єднанням якоря та обмоток збудження;
• з паралельним з'єднанням якоря та обмоток збудження;
• зі змішаним з'єднанням якоря та обмоток збудження;
• вентильний двигун (безколекторний двигун постійного струму), виконаний за допомогою замкнутої системи; у такому типі двигуна використовується інвертор (силовий напівпровідниковий перетворювач), перетворювач координат та ДПР (датчик положення ротора).

Двигуном змінного струму називають електричний двигун, живлення якого забезпечує змінний струм. Існують такі типи двигунів змінного струму:

• гістерезісний двигун;
• вентильний реактивний двигун;
• асинхронний електродвигун з частотою обертання ротора, що відрізняється від частоти обертання магнітного поля, що створюється напругою;
• синхронний електродвигун з частотою обертання ротора, що збігається з частотою обертання магнітного поля, що створюється напругою.

Також існує УКД (універсальний колекторний двигун) з функцією режиму роботи як на змінному, так і постійному струмі.

Ще один тип двигунів – це кроковий електродвигун із кінцевим числом положень ротора. Певне положення ротора фіксується за допомогою подачі живлення на необхідні відповідні обмотки. При знятті напруги живлення з однієї обмотки та її передачі на інші відбувається процес переходу до іншого положення.

Двигун змінного струму при живленні за допомогою промислової мережі зазвичай не дозволяє досягти частоти обертання більше трьох тисяч обертів за хвилину. Тому при необхідності отримати більш високі частоти використовується колекторний двигун, додатковими перевагами якого є легкість і компактність при збереженні необхідної потужності.

Ресурс будь-якого асинхронного двигуна змінного струму помітно вищий за колекторний. Визначається він станом ізоляції обмоток та підшипниківСинхронний двигун при використанні інвертора і датчика положення ротора вважається електронним аналогом класичного колекторного двигуна, що підтримує роботу за допомогою постійного струму.

Безколекторний електродвигун постійного струму.

Контролери електродвигунів такого типу часто живляться завдяки постійній напрузі, тому й отримали свою назву.

Безколекторний електродвигун був створений насамперед для оптимізації лспіднього електродвигуна постійного струму Загалом. До виконавчого механізму такого пристрою (особливо до високооборотного мікроприводу з точним позиціонуванням) ставилися дуже високі вимоги.

Це, мабуть, і зумовило використання таких специфічних приладів постійного струму, трифазні безколекторні двигуни, також звані БДПТ.

За своєю конструкцією вони практично ідентичні синхронним двигунам змінного струму, де обертання магнітного ротора відбувається в звичайному шихтованому статорі за наявності трифазних обмоток, а кількість оборотів залежить напруги і навантажень статора.

Безколекторні двигуни постійного струму можуть існувати без окремих датчиків, однак, іноді вони присутні на роторі, наприклад, датчик Холла. Якщо пристрій працює без додаткового датчика, то обмотки статора виконують функцію фіксуючого елементаТоді струм виникає завдяки обертанню магніту, коли в обмотці статора ротор наводить ЕРС.

Якщо одна з обмоток буде вимкнена, то вимірюватиметься і надалі оброблятиметься той сигнал, який був наведений, однак такий принцип роботи неможливий без професора обробки сигналів. А ось для реверсу або гальмування такого електродвигуна бруківка схема не потрібна – достатньо буде подачі у зворотній послідовності керуючих імпульсів на обмотки статора.

У ВД (вентильному двигуні) індуктор як постійного магніту розташований на роторі, а якірна обмотка – на статорі. Виходячи із положення ротора, формується напруга живлення всіх обмоток електродвигуна. При використанні в таких конструкціях колектора його функцію виконуватиме у вентильному двигуні напівпровідниковий комутатор.

Основна відмінність синхронного та вентильного двигунів полягає в самосинхронізації останнього за допомогою ДПР, що обумовлює пропорційну частоту обертання ротора та поля.

Найчастіше безколекторний електродвигун постійного струму знаходить застосування у таких сферах:

• морозильне чи холодильне обладнання (компресори);
• електропривод;
• системи нагрівання повітря, його кондиціювання чи вентиляції.

Статор

Цей пристрій має класичну конструкцію і нагадує такий самий прилад асинхронної машини. До складу входить сердечник із мідної обмотки (покладеної по периметру в пази), що визначає кількість фаз, та корпус. Зазвичай синусної та косинусної фаз достатньо для обертання та самозапуску, проте часто вентильний двигун створюють трифазним і навіть чотирифазним.

Електродвигуни із зворотною електрорушійною силою за типом укладання витків на статорній обмотці діляться на два типи:

У відповідних видах двигуна електричний фазний струм змінюється також за способом живлення синусоїдально або трапецієдально.

Ротор

Найпоширенішими і найдешевшими для виготовлення ротора вважаються феритові магніти, але їх недоліком є низький рівень магнітної індукціїТому на заміну такому матеріалу зараз приходять прилади, створені зі сплавів різних рідкісноземельних елементів, оскільки можуть надати високий рівень магнітної індукції, що, у свою чергу, дозволяє зменшити розмір ротора.

ДПР

Датчик положення ротора забезпечує зворотний зв'язок. За принципом роботи пристрій поділяється на такі підвиди:

• індуктивний;
• фотоелектричний;
• датчик з ефект Холла.

Останній тип набув найбільшої популярності завдяки своїм практично абсолютним безінерційним властивостям і здатності позбавлятися за становищем ротора запізнення в каналах зворотного зв'язку.

Система управління

Система управління складається з силових ключів, іноді також тиристорів або силових транзисторів, що включають ізольований затвор, що ведуть до збору інвертора струму або інвертора напруги. Процес управління цими ключами реалізується найчастіше шляхом використання мікроконтролера, що вимагає управління двигуном величезної кількості обчислювальних операцій.

Принцип роботи

Робота двигуна полягає в тому, що контролер комутує певну кількість статора обмоток таким чином, що вектор магнітних полів ротора і статора ортогональні.

За допомогою ШІМ (широтно-імпульсної модуляції) контролер здійснює управління струмом, що протікає через двигун. і регулює момент, що впливає на ротор.

Напрямок цього моменту визначає позначка кута між векторами. При розрахунках використовують електричні градуси.

У такій ситуації результуючий вектор зсувається і стає нерухомим по відношенню до потоку ротора, що, своєю чергою, створює необхідний момент на валу електродвигуна.

Управління двигуном

Контролер безколекторного електродвигуна постійного струму здійснює регулювання моменту, що діє на ротор, змінюючи величину широтно-імпульсної модуляції.

Комутація при цьому контролюється та здійснюється за допомогою електроніки, На відміну від звичайного щіткового двигуна постійного струму.

Також поширеними є системи управління, які для робочого процесу реалізують алгоритми широтно-імпульсної модуляції та широтно-імпульсного регулювання.

Особливістю регулювання електроприводу, заснованого на векторному управлінні, є наявність контрольованих координат. перетворюються на обертову, виділяючи пропорційне контрольованим параметрам вектора постійне значення, завдяки чому формується вплив, що управляє, а потім зворотний перехід.

Незважаючи на всі переваги такої системи, вона супроводжується недоліком у вигляді складності управління пристроєм для регулювання швидкості в широкому діапазоні.

Переваги та недоліки

У наш час у багатьох галузях промисловості такий тип двигуна має величезний попит, адже безколекторний електродвигун постійного струму об'єднав у собі чи не всі найкращі якості безконтактних та інших типів двигунів.

Безперечними перевагами вентильного двигуна є:

• широкий діапазон у зміні частоти обертання та легкість у його регулюванні;
• енергетичні показники неймовірно високі – ККД становить понад 90%;
• безпека при використанні в агресивному середовищі або вибухонебезпечних місцях;
• перевантажувальна здатність дуже велика;
• при роботі в режимі навантаження електродвигуна спостерігається низький перегрів;
• відсутність вузлів, що вимагають техобслуговування (у звичайному вентильному двигуні);
• безконтактність;
• точність позиціонування;
• динаміка та висока швидкодія;
• пусковий момент дуже великий;
• можливість використання в різних режимах (руховому та генераторному);
• висока надійність;
• тривалий термін служби;
• відсутність ковзних контактів;
• Високий ресурс роботи.

Незважаючи на вагомі позитивні моменти, безколекторний електродвигун постійного струму також є кілька недоліків:

• використання в конструкції ротора дорогих матеріалів, зокрема постійних магнітів, призводить до високої вартості пристрою;
• ресурс електронних вузлів обмежений;
• колектор зношується досить швидко, що обмежує термін служби пристрою;
• колекторно-щіткові вузли потребують періодичного профілактичного обслуговування (у безколекторному двигуні постійного струму);
• електродвигуну притаманна складна для обивателя система управління.

Виходячи з вищевикладеного та нерозвиненості сучасної електроніки в регіоні, багато хто все ще вважає за доцільне використання звичайного асинхронного двигуна з наявністю перетворювача частоти.

Трифазний безколекторний електродвигун постійного струму

Такий тип двигуна має чудові характеристики, особливо при здійсненні управління за допомогою датчиків положення.

Якщо момент опору варіюється або зовсім невідомий, а також за необхідності досягнення вищого пускового моменту використовується керування з датчиком.

Якщо датчик не використовується (як правило, у вентиляторах), управління дозволяє обійтися без проводового зв'язку.

Особливості керування трифазним безколекторним двигуном без датчика за положенням:

• розташування ротора визначають з допомогою диференціального АЦП (аналого-цифрового перетворювача);
• струмове навантаження визначають також з допомогою АЦП (аналого-цифрового перетворювача) чи аналогового компаратора;
• регулювання швидкості виконують за допомогою приєднаних до нижніх драйверів ШІМ-каналів;
• рекомендованими мікроконтролерами вважаються AT90PWM3 та ATmega64;
• підтримуваними комунікаційними інтерфейсами (інтерфейсами зв'язку) є УАПП, SPI та TWI.

Особливості управління трифазним безколекторним двигуном з датчиком за положенням на прикладі датчика Холла:

• регулювання швидкості виконують за допомогою приєднаних до нижніх драйверів ШІМ-каналів;
• вихід кожного датчика Холла підключають до відповідної лінії введення-виведення мікроконтролера, налаштованої при змінах стану на генерацію переривань;
• підтримуваними комунікаційними інтерфейсами (інтерфейсами зв'язку) є УАПП, SPI та TWI;
• струмове навантаження визначають з допомогою АЦП (аналого-цифрового перетворювача) чи аналогового компаратора.

Висновок

Безколекторний електродвигун постійного струму має безліч переваг і стане гідним вибором для використання як фахівцем, так і простим обивателем.