Трифазний безколекторний двигун. Безколекторний електродвигун

Трохи з історії:

Головна проблема всіх двигунів – це перегрівання. Ротор обертався всередині якогось статора, і тому тепло від перегріву нікуди не йшло. Людям спала на думку геніальна ідея: обертати не ротор, а статор, який при обертанні охолоджувався б повітрям. Коли створили такий двигун, він почав широко використовуватись в авіації та суднобудуванні, і тому його прозвали Вентильним двигуном.

Незабаром було створено електричний аналог вентильного двигуна. Назвали його безколекторним мотором, тому що він не мав колекторів (щіток).

Біс колекторний двигун.

Безколекторні (brushless англ.) електродвигуни прийшли до нас порівняно недавно, в останні 10-15 років. На відміну від колекторних моторіввони живляться трифазним змінним струмом. Безколекторні двигуни ефективно працюють у ширшому діапазоні оборотів і мають більш високий ККД . Конструкція двигуна при цьому відносно простіше, в ній немає щіткового вузла, який постійно треться з ротором і створює іскри. Можна сміливо сказати, що безколекторні мотори мало зношуються. Вартість безколекторних двигунів дещо вища, ніж колекторних. Це викликано тим, що всі безколекторні мотори мають підшипники і, як правило, виготовлені якісніше.

Випробування показали:
Тяга з гвинтом 8х6 = 754 грами,
Частота обертання = 11550 об/хв,
Споживана потужність = 9 ват(без гвинта) , 101 ват(з гвинтом),

Потужність та ККД

Потужність можна обчислити таким чином:
1) Потужність у механіці обчислюється за такою формулою: N = F * v, де F – сила, а v – швидкість. Але оскільки гвинт перебуває у статичному стані, то руху немає, крім обертального. Якщо цей двигун встановити на авіамодель, то можна було б заміряти швидкість (вона дорівнює 12 м/с) і порахувати корисну потужність:
N поліз = 7.54 * 12 = 90.48 ват
2) ККД електричного двигуна знаходиться за такою формулою: ККД = N корисної / N витраченої * 100%, де N витрат = 101 ват
ККД = 90.48/101 * 100% = 90%
У середньому ККД безколекторних двигунів реально і коливається близько 90% (найбільший ККД досягнутий цим видом двигунів дорівнює 99.68% )

Характеристики двигуна:

Напруга: 11.1 вольт
Обороти: 11550 об/хв
Максимальна сила струму: 15А
Потужність: 200 ват
Тяга: 754 грам (гвинт 8х6)

Висновок:

Ціна будь-якої речі залежить від масштабів її виробництва. Виробники безколекторних моторівмножаться, як гриби після дощу. Тому хочеться вірити, що незабаром ціна на контролери та безколекторні. двигуни впадеЯк упала вона на апаратуру радіоуправління... Можливості мікроелектроніки з кожним днем ​​все розширюються, розміри і вага контролерів поступово зменшуються. Можна припустити, що незабаром контролери почнуть вбудовувати прямо в двигуни! Може, ми доживемо до цього дня...

Двигуном постійного струмуназивають електричний двигунхарчування якого забезпечує постійний струм. При необхідності одержати 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 яких менше 0,5 мм.

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

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. З цієї причини при необхідності отримати більше високі частотивикористовується колекторний двигун, додатковими перевагами якого є легкість та компактність при збереженні необхідної потужності.

Іноді також застосовують спеціальний передавальний механізм під назвою мультиплікатор, який змінює кінематичні параметри пристрою до потрібних технічних показників. Колекторні вузли іноді займають до половини простору всього двигуна, тому електродвигуни змінного струму зменшують у розмірі і роблять легше у вазі через використання перетворювача частоти, а іноді завдяки наявності мережі з підвищеною частотою до 400 Гц.

Ресурс будь-якого асинхронного двигуназмінного струму помітно вище за колекторний. Визначається він станом ізоляції обмоток та підшипників. Синхронний 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. Загальні відомості та пристрій приладу

Безколекторний електродвигунпостійного струму також називають трифазним вентильним двигуном. Він є синхронним пристроєм, принцип роботи якого ґрунтується на самосинхронізованому частотному регулюванні, завдяки чому відбувається управління вектором (відштовхуючись від положення ротора) магнітного полястатора.

Контролери електродвигунів такого типу часто живляться завдяки постійній напрузі, через що і отримали свою назву. В англомовній технічній літературі вентильний електродвигун називають PMSM чи BLDC.

Безколекторний електродвигун був створений насамперед для оптимізації л спіднього електродвигуна постійного струмув цілому. До виконавчому механізмутакого пристрою (особливо до високооборотного мікроприводу з точним позиціонуванням) встановлювалися дуже високі вимоги.

Це, мабуть, і зумовило використання таких специфічних приладів постійного струму. трифазні двигунитакож звані БДПТ. За своєю конструкцією вони практично ідентичні синхронним двигунам змінного струму, де обертання магнітного роторавідбувається у звичайному шихтованому статорі за наявності трифазних обмоток, а кількість обертів залежить напруги та навантажень статора. З певних координат ротора, відбувається перемикання різних обмоток 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 елемента. Тоді струм виникає завдяки обертанню магніту, коли в обмотці статора наводить ротор 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 обмотокелектродвигуна. 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:

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 двигунстворюють трифазним і навіть чотирифазним.

Електродвигуни зі зворотною електрорушійною силоюза типом укладання витків на обмотці статора поділяються на два типи:

• синусоїдальної форми;
• трапецеїдальної форми.

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

Ротор

Зазвичай ротор виготовляють із постійних магнітів з кількістю пар полюсів від двох до восьми, які, своєю чергою, чергуються від північного до південного або навпаки.

Найпоширенішими і найдешевшими для виготовлення ротора вважаються феритові магніти, але їх недоліком є низький рівеньмагнітної індукціїТому на заміну такого матеріалу зараз приходять прилади, створені зі сплавів різних рідкісноземельних елементів, оскільки можуть надати високий рівеньмагнітної індукції, що, своєю чергою, дозволяє зменшити розмір ротора.

ДПР

Датчик положення ротора забезпечує Зворотній 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 властивостямі 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. Під час розрахунків використовуються електричні градуси.

Комутацію слід проводити таким чином, щоб Ф0 (потік збудження ротора) підтримувався відносно постійним потоку якоря. При взаємодії такого збудження і потоку якоря формується момент, що обертає М, що прагне розгорнути ротор і паралельно забезпечити збіг збудження і потоку якоря. Однак під час повороту ротора відбувається перемикання різних обмотокпід впливом датчика положення ротора, в результаті чого потік якоря розгортається до наступного кроку.

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.

Двигуни на векторному управлінні забезпечують найширший з усіх відомих діапазонів для регулювання власної швидкості. Регулювання цієї швидкості, як і підтримка потокозчеплення на необхідному рівнівідбувається завдяки перетворювачу частоти.

Особливістю регулювання електроприводу, заснованого на векторному управлінні є наявність контрольованих координат. Вони знаходяться в нерухомій системі та 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 і 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 самі кращі якостібезконтактних та інших типів двигунів.

Безперечними перевагами вентильного двигуна є:

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

Виходячи з вищевикладеного та нерозвиненості сучасної електронікиу регіоні, багато хто все ще вважає доцільним використанняасинхронного 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 моментувикористовується 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:

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

Висновок

Безколекторний електродвигун постійного струму має багато переваг і стане гідним виборомдля використання як спеціалістом, так і простим обивателем.

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 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.

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 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 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.

Двигуни використовуються у багатьох галузях техніки. Для того щоб відбувалося обертання ротора двигуна необхідна наявність магнітного поля, що обертається. У звичайних двигунах постійного струму це обертання здійснюється механічним способомза допомогою щіток, що ковзають колектором. При цьому виникає іскріння, а, крім того, через тертя та знос щіток для таких двигунів необхідне постійне технічне обслуговування.

Завдяки розвитку техніки стало можливим генерувати обертове магнітне поле електронним способомщо було втілено в безколекторних двигунах постійного струму (БДПТ).

Пристрій та принцип дії

Основними елементами БДПТ є:

• ротор, на якому укріплені постійні магніти;
• статор, На якому встановлені обмотки;
• електронний контролер.

За конструкцією такий двигун може бути двох типів:

з внутрішнім розташуванням ротора (inrunner)

із зовнішнім розташуванням ротора (outrunner)

У першому випадку ротор обертається всередині статора, а в другому – ротор обертається довкола статора.

Двигун типу inrunnerвикористовується у тому випадку, коли необхідно отримати великі обертиобертання. Цей двигун має простішу стандартну конструкцію, яка дозволяє використовувати нерухомий статор для кріплення двигуна.

Двигун типу outrunnerпідходить для отримання великого моментупри низьких оборотах. У цьому випадку кріплення двигуна провадиться з використанням нерухомої осі.

Двигун типу inrunner— великі оберти, низький момент, що крутить. Двигун типу outrunner— маленькі оберти, високий момент, що крутить.

Число полюсів у БДПТ може бути різним. За кількістю полюсів можна судити про деякі характеристики двигуна. Наприклад, двигун з ротором, що має 2 полюси, має більше оборотів і малий момент. Двигуни із збільшеною кількістю полюсів мають більший момент, але менше оборотів. Зміною числа полюсів ротора можна змінювати кількість обертів двигуна. Таким чином, змінюючи конструкцію двигуна, виробник може підібрати необхідні параметридвигуна по моменту та числу оборотів.

Управління БДПТ

Регулятор обертів, зовнішній вигляд

Для керування безколекторним двигуном використовується спеціальний контролер - регулятор швидкості обертання валу двигунапостійного струму. Його завданням є генерація та подача у потрібний момент на потрібну обмотку необхідної напруги. У контролері для приладів з живленням від мережі 220 В найчастіше використовується інверторна схема, в якій відбувається перетворення струму з частотою 50 Гц спочатку постійний струм, а потім сигнали з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ). Для подачі напруги живлення на обмотки статора використовуються потужні електронні ключі на біполярних транзисторах або інших силових елементах.

Регулювання потужності та числа оборотів двигуна здійснюється зміною шпаруватості імпульсів, а, отже, і чинним значенням напруги, що подається на обмотки статора двигуна.

Принципова схема регулятора обертів. К1-К6 - ключі D1-D3 - датчики положення ротора (датчики Холла)

Важливим питанням є своєчасне підключення електронних ключів до кожної обмотки. Для забезпечення цього контролер повинен визначати положення ротора та його швидкість. Для отримання такої інформації можуть бути використані оптичні або магнітні датчики (наприклад, датчики Холла), і навіть зворотні магнітні поля.

Більш поширене використання датчиків Холла, які реагують на наявність магнітного поля. Датчики розміщуються на статорі таким чином, щоб на них діяло магнітне поле ротора. У деяких випадках датчики встановлюють у пристроях, що дозволяють змінювати положення датчиків і, відповідно, регулювати кут випередження (timing).

Регулятори обертів ротора дуже чутливі до сили струму, що проходить через нього. Якщо ви підберете акумуляторну батарейкуз більшою силою струму, що видається, то регулятор згорить! Правильно підбирайте поєднання характеристик!

Гідності й недоліки

Порівняно з звичайними двигунамиБДПТ мають такі переваги:

• великий ккд;
• висока швидкодія;
• можливість зміни частоти обертання;
• відсутність іскристих щіток;
• малі шуми, Як у звуковому, так і високочастотному діапазонах;
• надійність;
• здатність протистояти навантаженням по моменту;
• відмінне співвідношення габаритів та потужності.

Безколекторний двигун відрізняється великим ккд. Він може сягати 93-95%.

Висока надійність механічної частини БД пояснюється тим, що в ньому використовуються шарикопідшипники та відсутні щітки. Розмагнічування постійних магнітів відбувається досить повільно, особливо якщо вони виконані з використанням рідкісноземельних елементів. При використанні в контролері захисту струму термін служби цього вузла досить високий. Фактично термін служби БДПТ може визначатися терміном служби шарикопідшипників.

Недоліками БДПТ є складність системи управління та висока вартість.

Застосування

Області застосування БДТП такі:

• створення моделей;
• медицина;
• автомобілебудування;
• нафтогазова промисловість;
• побутові прилади;
• військова техніка.

Використання БД для авіамоделейдає значну перевагу за потужністю та габаритами. Порівняння звичайного колекторного двигуна типу Speed-400 та БДТП того ж класу Astro Flight 020 показує, що двигун першого типу має ккд 40-60%. ККД другогодвигуна у тих самих умовах може досягати 95%. Таким чином, використання БД дозволяє збільшити майже вдвічі потужність силової частини моделі або час її польоту.

Завдяки малому шуму та відсутності нагрівання під час роботи БДПТ широко використовуються в медицині, особливо в стоматології.

У автомобілях такі двигуни використовуються в підйомники скла, електросклоочисники, омивачі фар та електрорегулятори підйому крісел.

Відсутність колектора та іскріння щітокдозволяє використовувати БД як елементи запірних пристроїв у нафтогазовій промисловості.

Як приклад використання БД в побутової технікиможна відмітити пральну машинуіз прямим приводом барабана компанії LG. Ця компанія використовує БДТП типу Outrunner. На роторі двигуна є 12 магнітів, а на статорі – 36 котушок індуктивності, які намотані дротом діаметром 1 мм на сердечники з магнітопровідної сталі. Котушки з'єднані послідовно по 12 штук у фазі. Опір кожної фази дорівнює 12 Ом. Як датчик положення ротора використовується датчик Холла. Ротор двигуна кріпиться до бака пральної машини.

Повсюдно цей двигун використовується в жорстких дисках для комп'ютерів, що робить їх компактними, в CD і DVD приводах і системах охолодження мікро-електронотехнічних пристроїв і не тільки.

Поряд з БД малої та середньої потужності в промисловості з важкими умовами роботи, судновій та військовій промисловостях все більше використовуються великі БДПТ.

БД великої потужностірозроблено для американських ВМС. Наприклад, компанія Powertec розробила БДТП потужністю 220 кВт зі швидкістю 2000 об/хв. Момент двигуна сягає 1080 Нм.

Крім зазначених областей, БД застосовуються у проектах верстатів, пресів, ліній для обробки пластмас, а також у вітроенергетиці та використанні енергії приливних хвиль.

Характеристики

Основні характеристики двигуна:

• номінальна потужність;
• максимальна потужність;
• максимальний струм;
• максимальне робоча напруга ;
• максимальні обороти(або коефіцієнт Kv);
• опір обмоток;
• кут випередження;
• режим роботи;
• габаритно-масові характеристикидвигуна.

Основним показником двигуна є його номінальна потужність, тобто потужність, що виробляється двигуном протягом тривалого часу його роботи.

максимальна потужність- Це потужність, яку може віддати двигун протягом короткочасного відрізка часу, не руйнуючись. Наприклад, для вищезгаданого безколекторного двигуна Astro Flight 020 вона дорівнює 250 Вт.

Максимальний струм. Для Astro Flight 020 він дорівнює 25 А.

Максимальна робоча напруга– напруга, яка може витримати обмотки двигуна. Для Astro Flight 020 заданий діапазон робочої напруги від 6 до 12 Ст.

Максимальна кількість обертів двигуна. Іноді в паспорті вказується коефіцієнт Kv – кількість обертів двигуна однією вольт. Для Astro Flight 020 Kv = 2567 об/В. В цьому випадку максимальна кількістьоборотів можна визначити множенням цього коефіцієнта на максимальну робочу напругу.

Зазвичай опір обмотокдля двигунів складає десяті або тисячні частки Ома. Для Astro Flight 020 R = 0,07 Ом. Цей опір впливає на ККД БДПТ.

Кут випередженняє випередження перемикання напруг на обмотках. Воно пов'язані з індуктивним характером опору обмоток.

Режим роботи може бути тривалим чи короткочасним. При довготривалому режимі двигун може працювати тривалий час. При цьому тепло, що виділяється ним, повністю розсіюється і він не перегрівається. У такому режимі працюють двигуни, наприклад, у вентиляторах, конвеєрах чи ескалаторах. Короткочасний режим використовується для таких пристроїв, як ліфт, електробритва. У цих випадках двигун працює короткий час, а потім довгий часостигає.

У паспорті на двигун наводяться його розміри та маса. Крім того, наприклад, для двигунів, призначених для авіамоделей, наводяться посадкові розміри та діаметр валу. Зокрема, для двигуна Astro Flight 020 наведено такі характеристики:

• довжина дорівнює 1,75”;
• діаметр дорівнює 0,98”;
• діаметр валу дорівнює 1/8”;
• вага дорівнює 2,5 унції.

Висновки:

1. У моделюванні, у різних технічні вироби, в промисловості та в оборонній техніці використовуються БДПТ, в яких магнітне поле, що обертається, формується електронною схемою.
2. За своєю конструкцією БДПТ можуть бути з внутрішнім (inrunner) та зовнішнім (outrunner) розташуванням ротора.
3. Порівняно з іншими двигунами БДПТ мають ряд переваг, основними з яких є відсутність щіток та іскріння, великий ккд та висока надійність.

Опубликовано 19.03.2013

Цією статтею я починаю цикл публікацій про безколекторні двигуни постійного струму. Доступною мовою опишу загальні відомості, пристрій, алгоритми керування безколекторним двигуном Будуть розглянуті різні типидвигунів, наведено приклади підбору параметрів регуляторів. Опишу пристрій та алгоритм роботи регулятора, методику вибору силових ключів та основних параметрів регулятора. Логічним завершенням публікацій буде схема регулятора.

Безколекторні двигуни набули широкого поширення завдяки розвитку електроніки і, у тому числі, завдяки появі недорогих силових транзисторних ключів. Також важливу роль відіграла поява потужних неодимових магнітів.

Однак не варто вважати безколекторний двигун новинкою. Ідея безколекторного двигуна з'явилася на зорі електрики. Але через неготовність технологій чекала свого часу до 1962 року, коли з'явився перший комерційний безколекторний двигун постійного струму. Тобто. вже понад півстоліття існують різні серійні реалізації цього електроприводу!

Трохи термінології

Безколекторні двигуни постійного струму називають також вентильними, в зарубіжній літературі BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) або PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor).

Конструктивно безколекторний двигун складається з ротора з постійними магнітами та статора з обмотками. Звертаю Вашу увагу на те, що в колекторному двигуні навпаки обмотки знаходяться на роторі. Тому, далі у тексті ротор – магніти, статор – обмотки.

Для керування двигуном застосовується електронний регулятор. У зарубіжній літературі Speed ​​Controller чи ESC (Electronic speed control).

Що таке безколекторний двигун?

Зазвичай люди, зіштовхуючись із чимось новим, шукають аналогії. Іноді доводиться чути фрази "ну це як синхронник", або ще гірше "він схожий на кроковик". Оскільки більшість безколекторних двигунів трифазні, це ще більше плутає, що призводить до неправильної думки про те, що регулятор "годує" двигун змінним 3x фазним струмом. Усе сказане вище відповідає дійсності лише частково. Справа в тому, що синхронними можна назвати всі двигуни, крім асинхронних. Усі двигуни постійного струму є синхронними із самосинхронізацією, але їх принцип дії відрізняється від синхронних двигунівзмінного струму, у яких відсутня самосинхронізація. Як кроковий безколекторний двигун також, напевно, зможе працювати. Але тут така справа: цегла вона теж може літати... правда, недалеко, бо для цього не призначено. В якості крокового двигунабільше підійде вентильний реактивний двигун.

Спробуємо розібратися, що є безколекторним двигуном постійного струму (Brushles Direct Current Motor). У цій фразі вже криється відповідь – це двигун постійного струму без колектора. Функції колектора виконує електроніка.

Переваги і недоліки

З конструкції двигуна видаляється досить складний важкий і вогнетривкий вузол – колектор, що вимагає обслуговування. Конструкція двигуна значно спрощується. Двигун виходить легшим і компактнішим. Значно зменшуються втрати на комутацію, оскільки контакти колектора та щітки замінюються. електронними ключами. У результаті отримуємо електродвигун з найкращими показникамиККД та показником потужності на кілограм власної ваги, з найбільшим діапазоном зміни швидкості обертання. Насправді безколекторні двигуни гріються менше, ніж їхні колекторні брати. Переносять велике навантаженняна момент. Застосування потужних неодимових магнітів зробили безколекторні двигуни ще компактнішими. Конструкція безколекторного двигуна дозволяє експлуатувати його у воді та агресивних середовищах (зрозуміло, тільки двигун, регулятор мочити буде дуже дорого). Безколекторні двигуни практично не створюють радіоперешкод.

Єдиним недоліком вважають складний дорогий електронний блоккерування (регулятор або ESC). Однак, якщо ви хочете керувати оборотами двигуна, без електроніки не обійтися. Якщо вам не треба керувати обертами безколекторного двигуна, без електронного блоку управління все одно не обійтись. Безколекторний двигун без електроніки просто залізниця. Немає можливості подати на нього напругу і досягти нормального обертання як у інших двигунів.

Що відбувається у регуляторі безколекторного двигуна?

Для того щоб зрозуміти, що відбувається в електроніці регулятора, що управляє безколекторним двигуном, повернемося трохи назад і спочатку розберемося, як працює колекторний двигун. Зі шкільного курсу фізики пам'ятаємо, як магнітне поле діє на рамку зі струмом. Рамка зі струмом обертається у магнітному полі. У цьому вона обертається постійно, а повертається до певного становища. Для того, щоб відбувалося безперервне обертання, потрібно перемикати напрямок струму в рамці в залежності від положення рамки. У нашому випадку рамка зі струмом – це обмотка двигуна, а перемиканням займається колектор – пристрій зі щітками та контактами. Пристрій найпростішого двигуна дивись на малюнку.

Те саме робить і електроніка, що керує безколекторним двигуном - в потрібні моментипідключає постійну напругу на необхідні обмотки статора.

Датчики положення, двигуни без датчиків

Зі сказаного вище важливо усвідомити, що подавати напругу на обмотки двигуна потрібно в залежності від положення ротора. Тому електроніка має вміти визначати положення ротора двигуна. . Для цього застосовуються датчики положення. Вони можуть бути різного типу, оптичні, магнітні і т.д. Нині дуже поширені дискретні датчики з урахуванням ефекту Холла (наприклад SS41). У трифазному безколекторному двигуні використовується 3 датчики. Завдяки таким датчикам електронний блок управління завжди знає, в якому положенні знаходиться ротор і які обмотки подавати напругу в кожний момент часу. Пізніше буде розглянуто алгоритм керування трифазним безколекторним двигуном.

Існують безколекторні двигуни, які не мають датчиків. У таких двигунах положення ротора визначається шляхом вимірювання напруги на незадіяній в Наразічасу обмотування. Ці методи також будуть розглянуті пізніше. Слід звернути увагу на суттєвий момент: цей спосіб є актуальним тільки при обертанні двигуна. Коли двигун не обертається або обертається повільно, такий метод не працює.

У яких випадках застосовують безколекорні двигуни з датчиками, а в яких – без датчиків? У чому їхня відмінність?

Двигуни з датчиками положення кращі з технічної точки зору. Алгоритм керування такими двигунами значно простіше. Однак є і свої мінуси: потрібно забезпечити живлення датчиків та прокладання проводів від датчиків у двигуні до електроніки, що управляє; у разі виходу з ладу одного з датчиків двигун припиняє роботу, а заміна датчиків, як правило, вимагає розбирання двигуна.

У тих випадках, коли конструктивно неможливо розмістити датчики в корпусі двигуна використовують двигуни без датчиків. Конструктивно такі двигуни практично не відрізняються від двигунів із датчиками. А ось електронний блок має вміти керувати двигуном без датчиків. При цьому блок управління повинен відповідати характеристикам конкретної моделідвигуна.

Якщо двигун повинен стартувати із суттєвим навантаженням на валу двигуна (електротранспорт, підйомні механізми тощо) – застосовують двигуни з датчиками.
Якщо двигун стартує без навантаження на валу (вентиляція, повітряний гвинт, застосовується відцентрова муфта зчеплення тощо), можна застосовувати двигуни без датчиків. Запам'ятайте, що двигун без датчиків положення повинен стартувати без навантаження на валу. Якщо ця умова не дотримується, слід використовувати двигун із датчиками. Крім того, в момент старту двигуна без датчиків можливі обертальні коливання осі двигуна різні сторони. Якщо це критично для Вашої системи, використовуйте двигун із датчиками.

Три фази

Трифазні безколекторні двигуни придбали найбільшого поширення. Але можуть бути і одне, двох, трьох і більше фазними. Чим більше фаз, тим паче плавне обертання магнітного поля, а й складніше система управління двигуном. 3-х фазна система найбільш оптимальна за співвідношенням ефективність/складність, тому й набула такого широкого поширення. Далі розглядатиметься лише трифазна схема, як найпоширеніша. Фактично фази – це обмотки двигуна. Тому якщо сказати "трьохобмотковий", думаю, це теж буде правильно. Три обмотки з'єднуються за схемою "зірка" або "трикутник". Трифазний безколекторний двигун має три дроти – висновки обмоток, див. рисунок.

Двигуни з датчиками мають додаткових 5 проводів (2-живлення датчиків положення, та 3 сигнали від датчиків).

У трифазній системі у кожний момент часу напруга подається на дві з трьох обмоток. Таким чином, є 6 варіантів подачі постійної напруги на обмотки двигуна, як показано нижче.