Безколекторний електродвигун

Принцип роботи трифазного вентильного двигуна

Вентильний електродвигун- це синхронний двигун, заснований на принципі частотного регулювання із самосинхронізацією, суть якого полягає в керуванні вектором магнітного полястатора в залежності від положення ротора. Вентильні двигуни (в англомовній літературі BLDC або PMSM) ще називають безколекторними двигунами постійного струму, тому що колектор такого двигуна зазвичай живиться від постійної напруги.

Опис ВД

Цей тип двигуна створено з метою покращення властивостей електродвигунів постійного струму. Високі вимоги до виконавчим механізмам(зокрема високооборотних мікроприводів точного позиціонування) зумовили застосування специфічних двигунів постійного струму: безконтактних трифазних двигунівпостійного струму (БДПТ чи BLDC). Конструктивно вони нагадують синхронні двигуни змінного струму: магнітний роторобертається в шихтованому статорі із трифазними обмотками. Але обороти є функцією від навантаження та напруги на статорі. Ця функція реалізована за допомогою перемикання статора обмоток в залежності від координат ротора. БДПТ існують у виконанні з окремими датчиками на роторі та без окремих датчиків. Як окремі датчики застосовуються датчики Холла. Якщо виконання без окремих датчиків, то фіксуючим елементом виступають обмотки статора. При обертанні магніту ротор наводить в обмотках статора ЕРС, внаслідок чого виникає струм. При вимиканні однієї обмотки вимірюється та обробляється сигнал, який був у ній наведений. Цей алгоритм вимагає процесора обробки сигналів. Для гальмування та реверсу БДПС не потрібна мостова схема реверсу живлення – достатньо подавати керуючі імпульси на обмотки статора у зворотній послідовності.

Основною відмінністю ВД від синхронного двигуна є його самосинхронізація за допомогою ДПР, внаслідок чого у ВД частота обертання поля пропорційна частоті обертання ротора.

Статор

Статор безколекторного електродвигуна

Статор має традиційну конструкцію і схожий на статор асинхронної машини. Він складається з корпусу, сердечника з електротехнічної сталі та мідної обмотки, укладеної в пази по периметру сердечника. Кількість обмоток визначає кількість фаз двигуна. Для самозапуску та обертання достатньо двох фаз - синусної та косинусної. Зазвичай ВД трифазні, рідше-чотирифазні.

За способом укладання витків в обмотки статора розрізняють двигуни, що мають зворотну електрорушійну силу трапецеїдальної (BLDC) і синусоїдальної (PMSM) форми. За способом живлення фазний електричний струм у відповідних типах двигуна також змінюється трапецеїдально або синусоїдально.

Ротор

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

Спочатку для виготовлення ротора використовувалися феритові магніти. Вони поширені та дешеві, але їм притаманний недолік у вигляді низького рівнямагнітної індукції Зараз набувають популярності магніти зі сплавів рідкісноземельних елементів, оскільки вони дозволяють отримати високий рівень магнітної індукції та зменшити розмір ротора.

Датчик положення ротора

Датчик положення ротора (ДПР) реалізує зворотний зв'язок положення ротора. Його робота може бути заснована на різних принципах - фотоелектричний, індуктивний, на ефект Холла, і т. д. Найбільшу популярність набули датчики Холла і фотоелектричні, так як вони практично безінерційні і дозволяють позбутися запізнення в каналі зворотного зв'язку по положенню ротора.

Фотоелектричний датчик, у класичному вигляді, містить три нерухомі фотоприймачі, які по черзі закриваються шторкою, що обертається синхронно з ротором. Це показано малюнку 1 (жовта крапка). Двійковий код, що отримується з ДПР, фіксує шість різних положень ротора. Сигнали датчиків перетворюються керуючим пристроєм в комбінацію керуючих напруг, які керують силовими ключами, так, що кожен такт (фазу) роботи двигуна включені два ключі і до мережі підключені послідовно дві з трьох обмоток якоря. Обмотки якоря U, V, Wрозташовані на статорі зі зсувом на 120° і їх початку і кінці з'єднані так, що при перемиканні ключів створюється градієнт магнітних полів, що обертається.

Система управління ВД

Система управління містить силові ключі, часто тиристори або транзистори силові з ізольованим затвором . З них збирається інвертор напруги чи інвертор струму. Система управління ключами зазвичай реалізується на основі використання мікроконтролера, у зв'язку з великою кількістю обчислювальних операцій з управління двигуном.

Принцип роботи ВД

Принцип роботи ВД заснований на тому, що контролер ВД комутує обмотки статора так, щоб вектор магнітного поля статора завжди був ортогональний вектор магнітного поля ротора. З допомогою широтно-импульсной модуляції (ШИМ) контролер управляє струмом, що протікає через обмотки ВД, тобто. вектором магнітного поля статора і таким чином регулюється момент, що діє на ротор ВД. Знак біля кута між векторами визначає напрямок моменту, що діє на ротор.

Комутація проводиться так, що потік збудження ротора - Ф 0підтримується постійним щодо потоку якоря. В результаті взаємодії потоку якоря та збудження створюється крутний момент M, який прагне розгорнути ротор так, щоб потоки якоря і порушення збіглися, але при повороті ротора під дією ДПР відбувається перемикання обмоток і потік якоря повертається на наступний крок.

В цьому випадку і результуючий вектор струму буде зрушений і нерухомий щодо потоку ротора, що створює момент на валу двигуна.

У режимі роботи МДС статора випереджає МДС ротора на кут 90°, який підтримується за допомогою ДПР. У гальмівному режимі статора МДС відстає від МДС ротора, кут 90° так само підтримується за допомогою ДПР.

Управління двигуном

Контролер ВД регулює момент, що діє на ротор, змінюючи величину ШІМ.

На відміну від щіткового електродвигуна постійного струму комутація в ВД здійснюється і контролюється за допомогою електроніки.

Поширені системи управління, що реалізують алгоритми широтно-імпульсного регулювання та широтно-імпульсної модуляції при керуванні ВД.

Система, що забезпечує найширший діапазон регулювання швидкості - у двигунів з векторним керуванням. За допомогою перетворювача частоти здійснюється регулювання швидкості двигуна та підтримання потокозчеплення в машині на заданому рівні.

Особливість регулювання електроприводу з векторним управлінням - контрольовані координати, виміряні в нерухомій системі координат перетворюються до системи, що обертається, з них виділяється постійне значення, пропорційне складовим векторів контрольованих параметрів, за якими здійснюється формування керуючих впливів, далі зворотний перехід.

Недоліком цих систем є складність керуючих та функціональних пристроїв для широкого діапазону регулювання швидкості.

Переваги та недоліки ВД

Останнім часом, цей тип двигунів швидко набуває популярності, проникаючи в багато галузей промисловості. Знаходить застосування у різних сферах використання: від побутових приладів до рейкового транспорту.

ВД з електронними системамиуправління часто об'єднують у собі кращі якостібезконтактних двигунів та двигунів постійного струму.

Переваги:

• Широкий діапазон зміни частоти обертання
• Безконтактність та відсутність вузлів, що потребують технічного обслуговування - безколекторна машина
• Можливість використання у вибухонебезпечному та агресивному середовищі
• Велика перевантажувальна здатність на момент
• Високі енергетичні показники (ККД понад 90%)

• Великий термін служби, висока надійністьі підвищений ресурсроботи за рахунок відсутності ковзаючих електричних контактів

Недоліки:

• Відносно складна система керування двигуном
• Висока вартість двигуна, обумовлена ​​використанням дорогих постійних магнітів у конструкції ротора
• У багатьох випадках раціональнішим виявляється застосування асинхронного двигуна з перетворювачем частоти.

Для застосувань, що комбінують максимально досяжний ККД з гранично простими і надійними блоками управління (ключовий комутатор, що не використовує ШІМ), можна виділити таку особливість: Незважаючи на те, що оберти можуть широко варіюватися керуючим блоком, прийнятний ККД можна отримати лише в відносно вузькому інтервалі кутових швидкостей. Це визначається індуктивністю обмоток. Якщо швидкість буде нижче оптимальної, подача струму, що триває, в дану фазу, після досягнення межі магнітного потоку, буде призводити лише до непотрібного нагрівання. На швидкостях вище оптимальної, магнітний потік у полюсі не досягне максимуму через обмежений індуктивність часу наростання струму. Прикладами таких двигунів є безколекторні модельні комплекти. Вони повинні бути ефективними, легкими та надійними, а для того щоб забезпечити оптимальну кутову швидкістьпри заданій навантажувальній характеристиці, виробники випускають модельні рядиз різними індуктивностями (кільком витків) обмоток. При цьому менша кількість витків відповідає більш швидкохідному двигуну.

Див. також

Посилання

• http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/app/micros/avr/AVR440.htm AVR440: Управління двофазним безколекторним електродвигуномпостійного струму без датчиків
• http://www.unilib.neva.ru/dl/059/CHAPTER5/Chapter5.html 5.4.Вентильні двигуни
• http://www.imafania.narod.ru/bldc.htm Про безколекторний двигун та використання крокового двигунаяк безколекторний

Парова машина Двигун Стірлінга Пневматичний двигун На вигляд робочого тіла Газові Газотурбінна установка Газотурбінна електростанція Газотурбінні двигуни‎ Парові Парогазова установка Конденсаційна турбіна Гідравлічні турбіни Пропелерна турбіна Гідротрансформатор За конструктивними особливостями Осьова (аксіальна) турбіна Відцентрова турбіна (радіальна,

Безколекторні двигуни" ЛікБез та проектування

Як тільки я почав займатися авіамоделізмом, мені відразу стало цікаво чому у двигуна три дроти, чому він такий маленький і водночас такий потужний і навіщо йому потрібен регулятор швидкості... Минув час, і я в усьому розібрався. І далі поставив собі завдання зробити своїми руками безколекторний двигун.

Принцип роботи електричного двигуна:
В основу роботи будь-якої електричної машини покладено явище електромагнітної індукції. Тому якщо в магнітне поле помістити рамку зі струмом, то на неї подіє сила Ампераяка створить обертальний момент. Рамка почне повертатися і зупиниться у положенні відсутності моменту, що створюється силою Ампера.

Пристрій електричного двигуна:
Будь-який електричний двигун складається з нерухомої частини. Статората рухомий частини - Ротора. Щоб почалося обертання, потрібно по черзі змінювати напрям струму. Цю функцію і виконує Колектор(Щітки).

Безколекторний двигун- це двигун ПОСТІЙНОГО СТРУМУбез колектора, у якому функції колектора виконує електроніка. (Якщо у двигуна три дроти, це не означає, що він працює від трифазного змінного струму! А працює він від "порцій" коротких імпульсів постійного струму, і не хочу вас шокувати, але ті ж двигуни, які використовуються в кулерах, теж безколекторні, хоч вони і мають всього два дроти живлення постійного струму)

Пристрій безколекторного двигуна:
Inrunner(вимовляється як "інраннер"). Двигун має розташовані по внутрішній поверхні корпусу обмотки, і магнітний ротор, що обертається всередині.


Outrunner(вимовляється як "аутраннер"). Двигун має нерухомі обмотки (всередині) навколо яких обертається корпус із поміщеним на його внутрішню стінку постійними магнітами.

Принцип роботи:
Щоб безколекторний двигун почав обертатися, напруга на обмотки двигуна треба подавати синхронно. Синхронізація може бути організована з використанням зовнішніх датчиків(оптичні або датчики холу), так і на основі протиЕРС (бездатчиковий), яка виникає в двигуні при його обертанні.

Бездатчикове управління:
Існують безколекторні двигунибез будь-яких датчиків положення. У таких двигунах визначення положення ротора виконується шляхом вимірювання ЕРС на вільній фазі. Ми пам'ятаємо, що в кожний момент часу до однієї з фаз (А) підключений "+" до іншої (В) "-" живлення, одна з фаз залишається вільною. Повертаючись, двигун наводить ЕРС (тобто внаслідок закону електромагнітної індукції в котушці утворюється індукційний струм) у вільній обмотці. У міру обертання напруга на вільній фазі (З) змінюється. Вимірюючи напругу на вільній фазі, можна визначити момент перемикання до наступного положення ротора.


Щоб виміряти цю напругу використовується метод "віртуальної точки". Суть полягає в тому, що знаючи опір всіх обмоток і початкову напругу, можна віртуально "перекласти провід" в місце з'єднання всіх обмоток:

Регулятор швидкості безколекторного двигуна:
Безколекторний двигун без електроніки – просто залізниця, т.к. за відсутності регулятора, ми можемо просто підключити напруга нею, що він просто почав нормальне обертання. Регулятор швидкості - це складна система радіокомпонентів, т.к. вона повинна:
1) Визначати початкове положення ротора для запуску електродвигуна
2) Управляти електродвигуном на низьких швидкостях
3) Розганяти електродвигун до номінальної (заданої) швидкості обертання
4) Підтримувати максимальний момент обертання

Принципова схема регулятора швидкості (вентильна):


Безколекторні двигуни були вигадані на зорі появи електрики, проте систему управління до них ніхто не міг зробити. І лише з розвитком електроніки: з появою потужних напівпровідникових транзисторів та мікроконтролерів, безколекторні двигуни стали застосовуватись у побуті (перше промислове використання у 60-х роках).

Переваги та недоліки безколекторних двигунів:

Переваги:
-Частота обертання змінюється у широкому діапазоні
-Можливість використання у вибухонебезпечному та агресивному середовищі
-Велика перевантажувальна здатність по моменту
-Високі енергетичні показники (ККД більше 90%)
-Великий термін служби, висока надійність та підвищений ресурс роботи за рахунок відсутності ковзаючих електричних контактів

Недоліки:
-Щодо складна система управління двигуном
-Висока вартість двигуна, обумовлена ​​використанням дорогих матеріалів у конструкції ротора (магніти, підшипники, вали)
Розібравшись з теорією, перейдемо до практики: спроектуємо та зробимо двигун для пілотажної моделіМХ-2.

Список матеріалів та обладнання:
1) Дріт (взятий зі старих трансформаторів)
2) Магніти (куплені в інтернеті)
3) Статор (баранчик)
4) Вал
5) Підшипники
6) Дюралюміній
7) Термоусадка
8) Доспуп до необмеженого технічного мотлоху
9) Доступ до інструментів
10) Прямі руки:)

Хід роботи:
1) Із самого початку вирішуємо:

Навіщо робимо двигун?
На що він має бути розрахований?
У чому ми обмежені?

У моєму випадку: я роблю двигун для літака, отже, нехай він буде зовнішнього обертання; розрахований він повинен на те, що він повинен видати 1400 г тяги при трибанковому акумуляторі; обмежений я у вазі та у розмірі. Однак із чого ж почати? Відповідь це питання проста: з найважчої деталі, тобто. з такої деталі, яку легко знайти, а все інше підганяти під неї. Я так і вчинив. Після багатьох невдалих спроб зробити статор з м'якої листової сталі, мені стало зрозуміло, що краще знайти її. Знайшов я її у старій відеоголовці від відеорекодора.

2) Обмотка трифазного безколекторного двигуна виконується ізольованим мідним дротом, від перерізу якого залежить значення сили струму, отже, і потужність двигуна. Незабутній що, чим товщі дріт, тим більше оборотів, але слабший момент, що крутить. Підбір перерізу:

1А – 0.05мм; 15А – 0.33мм; 40А - 0.7мм

3А – 0.11мм; 20А – 0.4мм; 50А - 0.8мм

10А – 0.25мм; 30А – 0.55мм; 60А - 0.95мм

3) Починаємо намотувати на полюси дріт. Чим більше витків (13) намотано на зуб, тим більше магнітне поле. Чим сильніше поле, тим більший момент, що крутить, і менше оборотів. Для отримання високих оборотів, необхідно мотати меншу кількість витків. Але разом з цим падає крутний момент. Для компенсації моменту, зазвичай, на мотор подають більше висока напруга.

4) Далі вибираємо спосіб з'єднання обмотки: зіркою чи трикутником. З'єднання зіркою дає більший крутний момент, але менше обертів, ніж з'єднання трикутником в 1.73 разів. (згодом було обрано з'єднання трикутника)

5) Вибираємо магніти. Кількість полюсів на роторі має бути парною (14). Форма застосовуваних магнітів зазвичай прямокутна. Розмір магнітів залежить від геометрії двигуна та характеристик мотора. Чим сильніші магніти, тим вище момент сили, що розвивається двигуном на валу. Також чим більша кількість полюсів, тим більше момент, але менше обертів. Магніти на роторі закріплюються за допомогою спеціального термоклею.

Випробування даного двигуна я проводив на створеній мною витномоторній установці, яка дозволяє виміряти тягу, потужність та оберти двигуна.

Щоб побачити відмінності з'єднань "зірка" і "трикутник", я з'єднував по різному обмотки:

У результаті вийшов двигун, що відповідає характеристикам літака, маса якого 1400 грам.

Опубликовано 11.04.2013

Загальний пристрій (Inrunner, Outrunner)

Безколекторний двигун постійного струму складається 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 при одному повному обороті магнітного поля на 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 більша кількість полюсів 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.
• Максимальна 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 струмомбуде 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.

Це різновид електродвигуна змінного струму, у якого колекторно-щітковий вузол замінений безконтактним напівпровідниковим комутатором, керованим датчиком положення ротора. Іноді можна зустріти таку абревіатуру: BLDС – це brushless DC motor. Для простоти називатиму його двигун-безколекторник або просто БК.

Безколекторні двигуни досить популярні через свою специфіку: відсутні витратні матеріалитипу щіток, відсутній вугільний/металевий пил усередині від тертя, відсутні іскри (а це величезний напрямок вибухо- та вогнебезпечних приводів/насосів). Використовуються, починаючи від вентиляторів і насосів, закінчуючи високоточними приводами.
Основне застосування в моделізмі та аматорських конструкціях: двигуни для радіокерованих моделей.

Загальний зміст цих двигунів - три фази і три обмотки (або кілька обмоток з'єднаних у три групи) управління якими здійснюється сигналом у вигляді синусоїди або наближеної синусоїди за кожною фазою, але з деяким зрушенням. На малюнку найпростіша ілюстрація роботи трифазного двигуна.

Відповідно, одним із специфічних моментів управління БК двигунами є застосування спеціального контролера-драйвера, який дозволяє регулювати імпульси струму та напруги по кожній фазі на обмотках двигуна, що дає стабільну роботуу широкому діапазоні напруг. Це звані ESC контролери.

БК мотори для р/в техніки бувають різних типорозмірів та виконання. Одні з найпотужніших це серії 22 мм, 36 мм та 40/42 мм. За конструкцією вони бувають із зовнішнім ротором та внутрішнім (Outrunner, Inrunner). Мотори із зовнішнім ротором за фактом не мають статичного корпусу (сорочки) та є полегшеними. Як правило, використовують в авіамоделях, квадракоптерах і т.п.
Двигуни із зовнішнім статором простіше зробити герметичними. Подібні застосовують для р/в моделей, які піддаються зовнішнім впливам тип бруду, пилу, вологи: баггі, монстри, краулери, водні р/в моделі).
Наприклад, двигун типу 3660 можна легко встановити в р/в модель автомобіля типу баггі або монстра і отримати масу задоволення.

Також відзначу різне компонування самого статора: двигуни 3660 мають 12 котушок, з'єднаних у три групи.
Це дозволяє отримати найвищий момент на валу. Виглядає це приблизно так.


З'єднані котушки приблизно отак


Якщо розібрати двигун і витягти ротор, можна побачити котушки статора.
Ось що всередині 3660 серії


ще фото

Аматорське застосування подібним до двигунівз високим моментом - у саморобних конструкціях, де потрібний малогабаритний потужний спритний двигун. Це можуть бути вентилятори турбінного типу, шпинделі аматорських верстатів тощо.

Так ось, з метою встановлення в аматорський верстат для свердління та гравіювання було взято набір безколекторного двигуна разом з ESC контролером
GoolRC 3660 3800KV Brushless Motor with ESC 60A Metal Gear Servo 9.0kg Set


Плюсом у наборі був сервопривід на 9 кг, що дуже зручно для саморобок.

Загальні вимогипри виборі двигуна були такі:
- Кількість оборотів/вольт не менше 2000, оскільки планувалося використання з низьковольтними джерелами (7.4...12В).
- Діаметр валу 5мм. Розглядав варіанти з валом 3.175 мм (це серія 24 діаметра БК двигунів, наприклад, 2435), але тоді довелося б докуповувати новий патрон ER11. Є варіанти ще потужніші, наприклад, двигуни 4275 або 4076, з валом 5 мм, але вони відповідно дорожчі.

Характеристики безколекторного двигуна GoolRC 3660:
Модель: GoolRC 3660
Потужність: 1200W
Робоча напруга: до 13V
Граничний струм: 92A
Обороти на вольт (RPM/Volt): 3800KV
Максимальні обороти: до 50000
Діаметр корпусу: 36 мм
Довжина корпусу: 60 мм
Довжина валу: 17mm
Діаметр валу: 5mm
Розмір настановних гвинтів: 6 шт * M3 (короткі, я використовував М3*6)
Конектори: 4mm позолочені банани male
Захист: від пилу та вологи

Характеристики ESC контролера:
Модель: GoolRC ESC 60A
Тривалий струм: 60A
Піковий струм: 320A
Застосовуваний акумуляторні батареї: 2-3S Li-Po / 4-9S Ni-Mh Ni-Cd
BEC: 5.8V/3A
Конектори (Вхід): T plug male
Конектори (вихід.): 4mm позолочені «банани» female
Розміри: 50 х 35 х 34mm (без урахування довжини кабелів)
Захист: від пилу та вологи

Характеристики сервомашини:
Робоча напруга: 6.0V-7.2V
Швидкість повороту (6.0V): 0.16sec/60° без навантаження
Швидкість повороту (7.2V): 0.14sec/60° без навантаження
Момент утримання (6.0V): 9.0kg.cm
Момент утримання (7.2V): 10.0kg.cm
Розміри: 55 х 20 х 38mm (Д*Ш*В)

Параметри комплекту:
Розмір упаковки: 10.5 х 8 х 6 см
Маса упаковки: 390 гр
Фірмова упаковка з логотипом GoolRC

Склад комплекту:
1* GoolRC 3660 3800KV Motor
1* GoolRC 60A ESC
1* GoolRC 9KG Servo
1 * Інформаційний листок


Розміри для довідки та зовнішній вигляддвигуна GoolRC 3660 із зазначенням основних моментів

Тепер кілька слів про саму посилку.
Посилка прийшла у вигляді невеликого поштового пакета з коробкою всередині


Доставлялася альтернативною поштовою службою, не поштою Росії, про що і говорить транспортна накладна


У посилці фірмова коробочка GoolRC


Усередині комплект безколекторного двигуна типорозміру 3660 (36х60 мм), ESC-контролера для нього та сервомашинки з комплектом


Тепер розглянемо весь комплект з окремих складових. Почнемо з найголовнішого – з двигуна.

БК двигун GoolRC є циліндром з алюмінію, розміри 36 на 60 мм. З одного боку виходять три товсті дроти у силіконовому обплетенні з «бананами», з іншого боку вал 5 мм. Ротор із двох сторін встановлений на підшипниках кочення. На корпусі є маркування моделі


Ще фотографія. Зовнішня сорочка нерухома, тобто. тип двигуна Inrunner.


Маркування на корпусі


З заднього торця видно підшипник


Заявлено захист від бризок та вологи
Виходять три товсті, короткі дроти для підключення фаз: u v w. Якщо будете шукати клеми для підключення – це банани 4 мм.


Проводи мають термоусадку різного кольору: жовтий, оранжевий та синій


Розміри мотора: діаметр і довжина валу збігаються із заявленими: Вал 5х17 мм




Габарити корпусу двигуна 36х60 мм




Порівняння з колекторним 775 двигуном


Порівняння з б/к шпинделем на 300Вт (і ціною близько $100). Нагадую, що у GoolRC 3660 заявлена ​​пікова потужність 1200Вт. Навіть якщо використовувати третину потужності, все одно це дешевше та більше, ніж у цього шпинделя


Порівняння з іншими модельними двигунами


Для коректної роботидвигуна буде потрібний спеціальний ESC контролер (який є в комплекті)

ESC контролер - це плата драйвера двигуна з перетворювачем сигналу та потужними ключами. на простих моделяхзамість корпусу використовується термоусадка, на потужних - корпус з радіатором та активним охолодженням.


На фото контролер GoolRC ESC 60A в порівнянні з молодшим братом ESC 20A


Зверніть увагу: присутній тумблер вимкнення-вимкнення на відрізку дроту, який можна вбудувати в корпус пристрою/іграшки


Присутня повний комплектроз'ємів: вхідні Т-конектори, 4 мм банани-гнізда, 3-піновий вхід сигналу керування


Силові банани 4 мм - гнізда, маркуються аналогічно за кольорами: жовтий, оранжевий та синій. При підключенні переплутати можна лише навмисне


Вхідні Т-конектори. Аналогічно переплутати полярність можна, якщо ви дуже сильний)))))


На корпусі є маркування з назвою та характеристиками, що дуже зручно


Охолодження активне, працює та регулюється автоматично.

Для оцінки розмірів доклав PCB ruller

У наборі також є сервомашинка GoolRC на 9 кг.


Плюс як і для будь-якої іншої сервомашини в комплекті йде набір важелів (подвійний, хрест, зірка, колесо) і фурнітура кріплення (сподобалося, що є проставки з латуні)


Макрофото валу сервомашинки


Пробуємо закріпити хрестоподібний важіль для фотографії


Насправді цікаво перевірити заявлені зарактеристики – це металевий комплект шестерень усередині. Розбираємо сервомашину. Корпус сидить на герметиці по колу, а всередині присутня рясна мастило. Шестерні і справді металеві.


Фото плати управління сервою

Для чого все це починалося: для того, щоб спробувати БК двигун як свердлилку/гравіровку. Все-таки заявлена ​​пікова потужність 1200Вт.
Я вибрав проект свердлильного верстата для підготовки друкованих плат. Там є величезна кількість проектів для виготовлення світильного настільного верстата. Як правило, всі ці проекти малогабаритні та призначені для встановлення невеликого двигунапостійного струму.


Я вибрав один з та допрацював кріплення у частині власників двигуна 3660 (рідний двигун був менший та мав інші розміри кріплень)

Наводжу креслення посадкових місцьта габаритів двигуна 3660


В оригіналі стоїть більше слабкий двигун. Ось ескіз кріплення (6 отворів для М3х6)


Скрин із програми для друку на принтері


Заодно надрукував і хомут для кріплення зверху


Мотор 3660 із встановленим цанговим патроном типу ER11




Для підключення та перевірки БК двигуна потрібно зібрати наступну схемуКабіна: джерело живлення, сервотестер або плата управління, ESC-контролер двигуна, двигун.
Я використовую найпростіший сервотестер, він також надає потрібний сигнал. Його можна використовувати для включення та регулювання оборотів двигуна


За бажання можна підключити мікроконтролер (Ардуїно тощо). Наводжу схему з інтернету із підключенням аутраннера та 30А контролера. Скетчі знайти не проблема.


З'єднуємо все, за кольорами.


Джерело показує, що холостий струм контролера невеликий (0.26А)


Тепер свердлильний верстат.
Збираємо все і кріпимо на стійку




Для перевірки збираю без корпусу, потім додрукую корпус, куди можна встановити штатний вимикач, крутилку сервотестера


Ще одне застосування подібного 3660 БК двигуна - як шпиндель верстатів для свердління та фрезерування друкованих плат






Про сам верстат огляд дороблю трохи пізніше. Цікаво перевірити гравіювання друкованих плат за допомогою GoolRC 3660

Висновок

Двигун якісний, потужний момент, що крутить, із запасом підійде під аматорські цілі.
Саме живучість підшипників при бічному зусиллі при фрезеруванні / гравіювання покаже час.
Визначено вигода застосування модельних двигунів в аматорських цілях, а також простота роботи та складання конструкцій на них порівняно зі шпинделями для ЧПУ, які дорожчі та вимагають. спеціального обладнання(джерела живлення з регулюванням оборотів, драйвери, охолодження тощо).

При замовленні користувався купоном SALE15із знижкою 5% на всі товари магазину.

Дякую за увагу!

Планую купити +59 Додати в обране Огляд сподобався +92 +156

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 двигуном постійного 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 найкращі якості двигунів 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.