Створення та тестування безколекторного мотора. Трифазний безколекторний двигун

Напевно задавалася питанням, чим відрізняється такий двигун від інших двигунів, наприклад від тих, що стоять в свердлильних верстатах. Двигуни, встановлені в не дуже потужних верстатах, зазвичай не іскрять, і працюють вони не так шумно, як той же дриль, що володіє меншою ніж верстат потужністю.

У чому ж справа? Справа в тому що двигун із щітками - це колекторний двигун, а двигун без щіток - безколекторний. Для вирішення різних завдань підійде свій тип двигуна десь краще підійдеколекторний, а десь можна встановити лише безколекторний.

Колекторний двигун

Двигун колекторний має, як правило, всього два дроти живлення, він простий в управлінні, достатньо регулювати постійну або змінну напругу живлення і обороти змінюватимуться відповідно. Керувати колекторним двигуном можна навіть за допомогою нехитрого димера. Головна перевага колекторного двигуна - високі обороти (десятки тисяч за хвилину) при високому моменті, що крутить.

Принцип роботи колекторного двигуна дуже простий. По суті, ротор його є набір мідних рамок в магнітопроводі, які по черзі комутуються до джерела живлення на колекторно-щітковому вузлі. Статор може бути як із постійних магнітів, так і з обмоткою, що живиться від того ж джерела, що і ротор, або від окремого джерела, а іноді статор і ротор включені в єдиний послідовний ланцюг (наприклад двигуни пральних машинок-автоматів).

На кожну з секцій обмотки ротора через колекторно-щітковий вузол, почергово, в процесі обертання ротора, подається. електричний струм, в результаті ротор перемагнічується, набуваючи чітко виражених північних і південних магнітних полюсів, завдяки яким і відбувається обертання ротора всередині статора (полюси ротора виштовхуються полюсами статора, потім ротор далі перемагнічується і знову виштовхується). Оскільки ротор щоразу комутується до джерела живлення черговою секцією, обертання не зупиняється, доки на колектор подається живлення.

Основний недолік колекторного двигуна

Оберти колекторного двигуна дуже зручно регулювати, але коли вони досить високі, щітки даються взнаки. Оскільки щітки постійно щільно прилягають до колектора, на високих оборотахвони швидко зношуються, згодом так чи інакше засмічуються, і зрештою починають іскрити.

Зношування щіток, і взагалі колекторно-щіткового вузла, веде до зниження ефективності колекторного двигуна. Таким чином, сам колекторно-щітковий вузол - це і є головний недолікколекторних двигунів. Сьогодні від колекторних двигунів намагаються відмовлятися на користь безщіткових крокових.

У безколекторного двигуна немає колектора, ні щіток. Найпростіший прикладбезколекторного двигуна - асинхронний трифазний двигунз ротором типу «білизна клітина». Ще один приклад безколекторного двигуна - більш сучасний. кроковий двигун із магнітним ротором. Обмотки статора безколекторного двигуна самі перемагнічуються так, щоб ротор постійно розгортався і таким чином безперервно обертався.

Найчастіше сучасні безколекторні двигуни оснащуються датчиком положення ротора, за сигналами якого працює регулятор швидкості обертання двигуна. Сигнал з датчика положення ротора передається на процесор більше 100 разів на секунду, в результаті виходить точне позиціонування ротора і високий момент, що крутить. Бувають, звичайно, безколекторні двигуни і без датчика положення ротора, яскравий приклад - той же трифазний асинхронний мотор. Мотори без датчика положення коштують дешевше, ніж з датчиком.

Переваги безколекторних двигунів

Оскільки ресурс підшипників ротора вкрай великий, можна сказати, що в безколекторному двигуні практично відсутні деталі, що зношуються з часом, і він взагалі не вимагає обслуговування в процесі експлуатації. Тут зведено до мінімуму тертя, відсутня проблема перегріву колектора, загалом надійність та ефективність безколекторних двигунів дуже високі.

Немає іскристих щіток, датчик положення ротора допоможе зробити управління точним, - недоліків практично немає, одні переваги. Хіба що ціна якісних крокових двигуніввище ніж у колекторних (плюс драйвер), але це ніщо порівняно з регулярною заміноюпружин, щіток та колекторів у колекторних двигунів.

Опубликовано 11.04.2013

Загальний пристрій (Inrunner, Outrunner)

Безколекторний двигун постійного струмускладається з ротора з постійними магнітами та статора з обмотками. Розрізняють два типи двигунів: Inrunner, у яких магніти ротора знаходяться всередині статора з обмотками, Outrunner, у яких магніти розташовані зовні та обертаються навколо нерухомого статора з обмотками.

Схему Inrunnerзазвичай застосовують для високооборотних двигунівз невеликою кількістю полюсів. Outrunnerпри необхідності отримати високомоментний двигун із порівняно невеликими оборотами. Конструктивно Inrunners простіше через те, що нерухомий статор може бути корпусом. До нього можуть бути змонтовані кріпильні пристрої. У разі Outrunners обертається вся зовнішня частина. Кріплення двигуна здійснюється за нерухому вісь або деталі статора. У разі мотор-колеса кріплення здійснюється за нерухому вісь статора, дроти заводяться до статора через порожнисту вісь.

Магніти та полюси

Кількість полюсів на роторі парна. Форма застосовуваних магнітів зазвичай прямокутна. Циліндричні магніти застосовуються рідше. Встановлюються вони із чергуванням полюсів.

Кількість магнітів який завжди відповідає кількості полюсів. Декілька магнітів можуть формувати один полюс:

У цьому випадку 8 магнітів формують 4 полюси. Розмір магнітів залежить від геометрії двигуна та характеристик мотора. Чим сильніші магніти, тим вище момент сили, що розвивається двигуном на валу.

Магніти на роторі закріплюються за допомогою спеціального клею. Рідше трапляються конструкції з утримувачем магнітів. Матеріал ротора може бути магнітопровідним (сталевим), немагнітопровідним (алюмінієві сплави, пластики тощо), комбінованим.

Обмотки та зуби

Обмотка трифазного безколекторного двигуна виконується мідним дротом. Провід може бути одножильний або складатися з кількох ізольованих жил. Статор виконується з декількох складених разом листів магнітопровідної сталі.

Кількість зубів статора має ділитися кількість фаз. тобто. для трифазного безколекторного двигуна кількість зубів статора має ділитися на 3. Кількість зубів статора може бути як більшою і меншою кількості полюсів на роторі. Наприклад, існують мотори зі схемами: 9 зубів/12 магнітів; 51 зуб/46 магнітів.

Двигуна з 3-х зубним статором застосовують дуже рідко. Оскільки кожен момент часу працює лише дві фази (при включенні зіркою), магнітні сили впливають на ротор не рівномірно по всьому колу (див. рис.).

Сили, що впливають на ротор, намагаються його перекосити, що призводить до збільшення вібрацій. Для усунення цього ефекту статор роблять з великою кількістю зубів, а обмотку розподіляють по зубах всього кола статора якомога рівномірніше.

В цьому випадку магнітні сили, що впливають на ротор, компенсують одна одну. Дисбаланс не виникає.

Варіанти розподілу обмоток фаз по зубах статора

Варіант обмотки на 9 зубів

Варіант обмотки на 12 зубів

У наведених схемах число зубів обрано таким чином, щоб воно ділилося не тільки на 3. Наприклад, при 36 зубах доводиться 12 зубів однією фазу. 12 зубів можна розподілити так:

Найбільш переважна схема 6 груп по 2 зуби.

Існує двигун з 51 зубом на статорі! 17 зубів одну фазу. 17 – це просте число, Воно націло ділиться лише з 1 і саме себе. Як же розподілити обмотку по зубах? На жаль, але я не зміг знайти в літературі прикладів і методик, які б допомогли вирішити це завдання. Виявилося, що обмотка розподілялася так:

Розглянемо реальну схемуобмотки.

Зверніть увагу, що обмотка має різні напрямки намотування на різних зубцях. Різні напрямки намотування позначаються великими і великими літерами. Детально про проектування обмоток можна прочитати у літературі, запропонованій наприкінці статті.

Класична обмотка виконується одним дротом однієї фази. Тобто. всі обмотки на зубах однієї фази з'єднані послідовно.

Обмотки зубів можуть з'єднуватись і паралельно.

Також можуть бути комбіновані включення

Паралельне та комбіноване включення дозволяє зменшити індуктивність обмотки, що призводить до збільшення струму статора (отже й потужності) та швидкості обертання двигуна.

Обороти електричні та реальні

Якщо ротор двигуна має два полюси, то за одного повного обороту магнітного поляна статорі, ротор здійснює один повний оборот. При 4 полюсах, щоб повернути вал двигуна на один повний оборот потрібно два обороти магнітного поля на статорі. Чим більше кількістьполюсів ротора, тим більше буде потрібно електричних оборотів для обертання валу двигуна на один оборот. Наприклад, маємо 42 магніти на роторі. Щоб провернути ротор однією оборот, потрібно 42/2=21 електричний оборот. Цю властивість можна використовувати як своєрідний редуктор. Підібравши необхідна кількістьполюсів, можна отримати двигун з бажаними швидкісними характеристиками. Крім того, розуміння цього процесу буде нам необхідним у майбутньому, при виборі параметрів регулятора.

Датчики положення

Пристрій двигунів без датчиків відрізняється від двигунів з датчиками лише відсутністю останніх. Інших принципових відмінностейні. Найбільш поширені датчики положення, що працюють на основі ефекту Холла. Датчики реагують на магнітне поле, їх мають, як правило, на статорі таким чином, щоб на них впливали магніти ротора. Кут між датчиками має бути 120 градусів.

Мається на увазі "електричних" градусів. Тобто. для багатополюсного двигуна фізичне розташування датчиків може бути таким:

Іноді датчики розташовують зовні двигуна. Ось один із прикладів розташування датчиків. Насправді, це був двигун без датчиків. Таким простим способомйого оснастили датчиками холу.

На деяких двигунах датчики встановлюють на спеціальному пристрої, що дозволяє переміщати датчики у певних межах. За допомогою цього пристрою встановлюється кут випередження (timing). Однак, якщо двигун вимагає реверсу (обертання в зворотний бік) Потрібен другий комплект датчиків, налаштованих на зворотний хід. Оскільки timing не має вирішального значення при старті та низьких оборотахМожна встановити датчики в нульову точку, а кут випередження коригувати програмно, коли двигун почне обертатися.

Основні характеристики двигуна

Кожен двигун розраховується під певні вимоги та має такі основні характеристики:

• Режим роботина який розрахований двигун: тривалий чи короткочасний. Тривалийрежим роботи передбачає, що двигун може працювати годинами. Такі двигуни розраховуються таким чином, щоб тепловіддача в навколишнє середовище була вищою за тепловиділення самого двигуна. В цьому випадку він не розігріватиметься. Приклад: вентиляція, привід ескалатора чи конвеєра. Короткочасний –передбачає, що двигун включатиметься на короткий період, за який не встигне розігрітися до максимальної температури, після чого слідує довготривалий період, за час якого двигун встигає охолонути. приклад: привід ліфта, електробритви, фени.
• Опір обмотки двигуна. Опір обмотки двигуна впливає на ККД двигуна. Чим менший опір, тим вищий ККД. Вимірявши опір, можна з'ясувати наявність міжвиткового замикання в обмотці. Опір обмотки двигуна становить тисячні частки Ома. Для його вимірювання потрібний спеціальний прилад або спеціальна методика вимірювання.
• максимальне робоча напруга . Максимальна напруга, яка здатна витримати статора обмотка. Максимальна напруга пов'язана з наступним параметром.
• Максимальні обороти. Іноді вказують не максимальні обороти, а Kv -кількість обертів двигуна однією вольт без навантаження на валу. Помноживши цей показник на максимальну напругу отримаємо максимальні обороти двигуна без навантаження на валу.
• Максимальний струм. Максимально допустимий струм обмотки. Як правило, вказується і час, протягом якого двигун може витримати вказаний струм. Обмеження максимального струму пов'язане з можливим перегріванням обмотки. Тому при низьких температурах довкілля реальний часроботи з максимальним струмом буде більше, а у спеку двигун згорить раніше.
• Максимальна потужність двигуна.Безпосередньо пов'язана з попереднім параметром. Це пікова потужність, яку двигун може розвинути на невеликий проміжок часу, зазвичай – кілька секунд. При тривалій роботіна максимальної потужностінеминучий перегрів двигуна та вихід його з ладу.
• номінальна потужність. Потужність, яку двигун може розвивати протягом усього часу вмикання.
• Кут випередження фази (timing). Обмотка статора має деяку індуктивність, яка загальмовує зростання струму в обмотці. Струм досягне максимуму через деякий час. Для того, щоб компенсувати цю затримку, перемикання фаз виконують з деяким випередженням. Аналогічно запалюванню у двигуні внутрішнього згорянняде виставляється кут випередження запалення з урахуванням часу займання палива.

Також слід звернути увагу на те, що при номінальному навантаженні Ви не отримаєте максимальних обертів на валу двигуна. Kvвказується для не завантаженого двигуна. При живленні двигуна від батарей слід врахувати "просідання" напруги живлення під навантаженням, що в свою чергу також знизить максимальні обороти двигуна.

Двигуни в мультироторних апаратах бувають двох типів: колекторні та безколекторні. Їхня головна відмінність у тому, що у колекторного двигуна обмотки знаходяться на роторі (що обертається), а у безколекторного — на статорі. Не вдаючись у подробиці скажемо, що безколекторний двигун краще колекторного оскільки найбільше задовольняє вимогам, що ставляться перед ним. Тому в цій статті йтиметься саме про такий тип моторів. Докладно про різницю між безколекторними та колекторними двигунами можна прочитати у .

Незважаючи на те, що застосовуватися БК-мотори почали порівняно недавно, сама ідея їхнього пристрою з'явилася досить давно. Однак поява транзисторних ключів і потужних неодимових магнітів уможливила їхнє комерційне використання.

Пристрій БК - моторів

Конструкція безколекторного двигуна складається з ротора, на якому закріплені магніти і статора, на якому розташовуються обмотки. Саме за взаєморозташуванням цих компонентів БК-двигуни діляться на inrunner і outrunner.

У мультироторних системах частіше застосовується схема Outrunner, оскільки вона дозволяє отримувати найбільший момент обертання.

Плюси та мінуси БК - двигунів

Плюси:

• Спрощена конструкція двигуна за рахунок виключення з неї колектора.
• Вищий ККД.
• Хороше охолодження
• БК-двигуни можуть працювати у воді! Однак не варто забувати, що через воду на механічних частинахдвигун може утворитися іржа і він зламається через якийсь час. Для уникнення подібних ситуаційрекомендується обробляти двигуни за допомогою водовідштовхувального мастила.
• Найменші радіоперешкоди

Мінуси:

З мінусів можна відзначити лише неможливість застосування цих двигунів без ESC (регулятори швидкості обертання). Це дещо ускладнює конструкцію і робить БК-двигуни дорожчими за колекторні. Однак якщо складність конструкції є пріоритетним параметром, існують БК-двигуни з вбудованими регуляторами швидкості.

Як вибрати двигуни для коптеру?

При виборі безколекторних двигунів насамперед слід звернути увагу на такі характеристики:

• Максимальний струм - ця характеристика показує який максимальний струмможе витримати обмотка двигуна за невеликий проміжок часу. Якщо перевищити цей час, то неминучий вихід двигуна з ладу. Також цей параметр впливає на вибір ESC.
• Максимальна напруга — так само як і максимальний струм, що показує, яку напругу можна подати на обмотку протягом короткого проміжку часу.
• KV – кількість обертів двигуна на один вольт. Оскільки цей показник безпосередньо залежить від навантаження на вал мотора, його вказують для випадку, коли навантаження немає.
• Опір - від опору залежить ККД двигуна. Тому чим опір менший – тим краще.

Побутова та медична техніка, авіамоделювання, трубозапірні приводи газо- та нафтопроводів – це далеко не повний перелікобластей 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 високою швидкістюобертання, тому використовуються в системах охолодження, як силових установокдронів і т.д. Приводи з зовнішнім роторомвикористовуються там, де потрібне точне позиціонування та стійкість до перевантажень по моменту (робототехніка, медичне обладнання, верстати ЧПУ тощо).

Принцип роботи

На відміну від інших приводів, наприклад, асинхронної машини змінного струмуДля роботи 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.

Як бачимо, для 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.), 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 схеманамотування, а постійні магніти (як правило, 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, їхнє підключення вимагає наявності спеціального контролера, без якого вони просто не працюватимуть. З цієї причини ці двигуни що неспроможні використовуватися як генератор.

Варто також зазначити, що у деяких приводах даного типудля ефективнішого управління відстежуються положення ротора з 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 наступним характеристикам, властивим 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-ї магнітного двигуначастота обертання становитиме 60000/3=20000 prm.
• Частота генерованих імпульсів, більшість контролерів цей параметр лежить у межах від 7 до 8 кГц, більше дорогі моделідозволяють перепрограмувати параметр, збільшивши його до 16 чи 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 задає порядок комутації.

Трифазний безколекторний електродвигун постійного струму

Більшість БД виконуються у трифазному виконанні. Для керування таким приводом у контролері є перетворювач постійної напругиу 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 найбільше оптимальні параметридля розгону та гальмування. Варто також не забувати, що контролер повинен бути оснащений блоком, що дозволяє керувати його роботою. Зовнішній виглядтакого багатофункціонального пристрою можна побачити малюнку 8.

Мал. 8. Багатофункціональний контролер керування безколекторним двигуном

Переваги і недоліки

Електричний безколекторний двигун має багато переваг, а саме:

• Термін служби значно довше, ніж у звичайних колекторних аналогів.
• Високий ККД.
• Швидкий набір максимальної швидкостіобертання.
• 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.

Характеристики електродвигуна постійного струму. Як і електродвигуни постійного струму, вентильні двигунипрацюють від мережі постійного струму. ВД можна як двигун постійного струму, у якому щёточно-коллекторный вузол замінений електронікою , що підкреслюється словом «вентильний», тобто «керований силовими ключами » (вентилями). Фазні струми вентильного двигуна мають синусоїдальну форму. Як правило, як підсилювач потужності застосовується автономний інвертор напруги з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ).

Вентильний двигун слід відрізняти від безколекторного двигуна постійного струму (БДПТ), який має трапецеїдальний розподіл магнітного поля в зазорі та характеризується прямокутною формою фазної напруги. Структура БДПТ простіше ніж структура ВД (відсутня перетворювач координат, замість ШІМ використовується 120- або 180-градусна комутація, реалізація якої простіше ШІМ).

У російськомовній літературі двигун називають вентильним, якщо проти-ЕРС керованої синхронної машини синусоїдальна, а безконтактним двигуномпостійного струму, якщо протиЕРС трапецеїдальна.

В англомовній літературі такі двигуни зазвичай не розглядаються окремо від електроприводу та згадуються під абревіатурами PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) або BLDC (Brushless Direct Current Motor). Варто зазначити, що абревіатура PMSM в англомовній літературі частіше використовується для позначення самих синхронних машин з постійними магнітами і з синусоїдальною формою фазних проти-ЕРС, в той час як абревіатура BLDC аналогічна російській абревіатурі БДПТ і відноситься до двигунів з трапецеїдальної форми інша форма не обумовлена ​​спеціально).

Взагалі кажучи, вентильний двигун не є електричною машиною в традиційному розумінні, оскільки його проблематика торкається ряду питань, пов'язаних з теорією електроприводу та систем автоматичного управління: структурна організація, використання датчиків та електронних компонентів, а також програмне забезпечення.

Вентильні двигуни, що поєднують у собі надійність машин змінного струму з хорошою керованістю машин постійного струму, є альтернативою двигунам постійного струму, які характеризуються рядом вад, пов'язаних зі ЩКУ, таких як іскріння, перешкоди, знос щіток, поганий тепловідведення якоря та ін. застосовувати ВД у тих додатках, де використання ДПТ утруднене чи неможливе.

Опис та принцип роботи[ | ]

Мал. 2. Структура двофазного вентильного двигуна із синхронною машиною з постійними магнітами на роторі.ПК - перетворювач координат, РОЗУМ - підсилювач потужності,
СЕМП – синхронний електромеханічний перетворювач (синхронна машина), ДПР – датчик положення ротора.

U α = − u q ⋅ sin ⁡ θ , (\displaystyle u_(\alpha )=-u_(q)\cdot \sin (\theta ),)

U β = (\displaystyle u_(\beta )=) u q ⋅ cos ⁡ θ , (\displaystyle u_(q)\cdot \cos (\theta ),)

де - кут повороту ротора (і системи обертових координат) щодо осі α (\displaystyle \alpha)нерухомої системи координат. Для виміру миттєвого значення кута θ (\displaystyle \theta)на валу ВД встановлюється датчик ротора (ДПР).

По суті, є в цьому випадку завданням значення амплітуди фазної напруги. А ПК, здійснюючи позиційну модуляцію сигналу u q (\displaystyle u_(q)), формує гармонійні сигнали u α , u β (\displaystyle u_(\alpha ),u_(\beta )), які підсилювач потужності (РОЗУМ) перетворює на фазну напругу u A , u B (\displaystyle u_(A),u_(B)). Синхронний двигуну складі вентильного двигуна часто називають синхронним електромеханічним перетворювачем (СЕМП).

Як правило, електронна частина ВД комутує фази статора синхронної машини так, щоб вектор магнітного потоку статора був ортогональний вектор магнітного потоку ротора (т. н. векторне управління). При дотриманні ортогональності потоків статора і ротора забезпечується підтримання максимального моменту, що обертає ВД в умовах зміни частоти обертання, що запобігає випаданню ротора з синхронізму і забезпечує роботу синхронної машини з максимально можливим для неї ККД . Для визначення поточного положення потоку ротора замість датчика положення ротора можуть використовуватися струмові датчики (непрямий вимір положення).

Електронна частина сучасного ВД містить мікроконтролер та транзисторний міст, а для формування фазних струмів використовується принцип широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Мікроконтролер відстежує дотримання заданих законів управління, а також проводить діагностику системи та її програмний захист від аварійних ситуацій.

Іноді датчик положення ротора відсутня, а положення оцінюється системою управління вимірюваннями струмових датчиків за допомогою спостерігачів (т.з. «бездатчикове» управління ВД). У таких випадках за рахунок видалення дорогого і найчастіше громіздкого датчика положення зменшується ціна та масо-габаритні показники електроприводу з ВД, проте ускладнюється керування, знижується точність визначення положення та швидкості.

У додатках середньої та великої потужностідо системи можуть додатково включатися електричні фільтри для пом'якшення негативних ефектів ШІМ: перенапруг на обмотках, підшипникових струмів та зниження ККД. Втім, це притаманно всіх типів двигунів.

Гідності й недоліки[ | ]

Вентильні двигуни покликані поєднати в собі кращі якостідвигунів змінного струму та двигунів постійного струму. Це зумовлює їх переваги.

Переваги:

Вентильні двигуни характеризуються деякими недоліками, головний з яких - висока вартість. Однак, говорячи про високу вартість, слід враховувати і той факт, що вентильні двигуни зазвичай використовуються в дорогих системах з підвищеними вимогами щодо точності та надійності.

Недоліки:

Конструкція [ | ]

Конструктивно сучасні вентильні приводи складаються з електромеханічної частини (синхронної машини та датчика положення ротора) та з керуючої частини (мікроконтролер та силовий міст).

Згадуючи про конструкцію ВД, корисно мати на увазі і неконструктивний елемент системи – програму (логіку) управління.

Синхронна машина, що використовується в ВД, складається з шихтованого (зібраного з окремих електрично ізольованих листів електротехнічної сталі - для зниження вихрових струмів) статора, в якому розташована багатофазна (зазвичай двох-або трифазна) обмотка, і ротора (зазвичай на постійних магнітах).

Як датчики положення ротора в БДПТ застосовуються датчики Холла , а в ВД - трансформатори , що обертаються , і накопичувальні датчики . У т.з. «бездатчикових» системах інформація про становище визначається системою управління за миттєвими значеннями фазних струмів.

Інформація про положення ротора обробляється мікропроцесором, який, згідно з програмою управління, виробляє ШИМ-сигнали, що управляють. Низьковольтні ШІМ-сигнали мікроконтролера потім перетворюються підсилювачем потужності (зазвичай транзисторним мостом) на силові напруги, що подаються на двигун.

Сукупність датчика положення ротора та електронного вузла у ВД та БДПТ можна з певною часткою достовірності порівняти з щітково-колекторним вузлом ДПТ. Однак слід пам'ятати, що двигуни рідко застосовуються поза електроприводом. Таким чином, електронна апаратура характерна для ВД майже так само, як і для ДПТ.

Статор [ | ]

Статор має традиційну конструкцію. Він складається з корпусу, сердечника з електротехнічної сталі та мідної обмотки, покладеної в пази по периметру сердечника. Обмотка розбита на фази, які покладені в пази таким чином, що просторово зсунуті один щодо одного на кут, що визначається числом фаз. Відомо, що для рівномірного обертання валу двигуна машини змінного струму достатньо двох фаз. Зазвичай синхронні машини, що застосовуються у ВД, трифазні, проте зустрічаються також і ВД із чотирьох- та шестифазними обмотками.

Ротор [ | ]

За розташуванням ротора вентильні двигуни поділяються на внутрішньороторні (англ. inrunner) та зовнішньороторні (англ. outrunner).

Ротор виготовляється з використанням постійних магнітів і має від двох до шістнадцяти пар полюсів з чергуванням північного і південного полюсів.