Меню

Высокооборотистый двигатель постоянного тока

masterok

Мастерок.жж.рф

Хочу все знать

Как работает двигатель постоянного тока ? masterok August 4th, 2013

Дорогие мои читатели, начинаем разбирать темы августовского стола заказов (боже мой, как быстро летит время!). Сегодняшняя тема может быть мало кого заинтересует, зато если кого заинтересует, так это будет очень в пользу им. Слушаем trudnopisaka: Напишите пожалуйста понятно о устройстве электродвигателей постоянного тока. Можно на примере одного из типов. Ведь с одной стороны принцип работы очень простой, а с другой, если разобрать один из электродвигателей, то там много деталей, назначение которых не очевидно. А на сайтах в начале поисковой выдачи есть только название этих деталей, в лучшем случае. Планирую с детьми собрать простой электродвигатель, чтобы это помогло им в понимании техники и они не боялись ее осваивать.

Первый этап развития электродвигателя (1821-1832) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую.

В 1821 году М. Фарадей, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, показал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита или вращение магнита вокруг проводника. Опыт Фарадея подтвердил принципиальную возможность построения электрического двигателя.

Для второго этапа развития электродвигателей (1833-1860) характерны конструкции с вращательным движением якоря.

Томас Дэвенпорт — американский кузнец, изобретатель, в 1833 году сконструировал первый роторный электродвигатель постоянного тока, создал приводимую им в движение модель поезда. В 1837 году он получил патент на электромагнитную машину.

В 1834 году Б. С. Якоби создал первый в мире электрический двигатель постоянного тока, в котором реализовал принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. 13 сентября 1838 г. лодка с 12 пассажирами поплыла по Неве против течения со скоростью около 3 км/ч. Лодка была снабжена колесами с лопастями. Колеса приводились во вращение электрическим двигателем, который получал ток от батареи из 320 гальванических элементов. Так впервые электрический двигатель появился на судне.

Испытания различных конструкций электродвигателей привели Б. С. Якоби и других исследователей к следующим выводам:

  • расширение применения электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электрической энергии, т. е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические элементы;
  • электродвигатели должны иметь по возможности малые габариты, большую мощность ибольший коэффициент полезного действия;
  • этап в развитии электродвигателей связан с разработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом.

Третий этап развития электродвигателей характеризуется открытием и промышленным использованием принципа самовозбуждения, в связи с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Питание электродвигателей стало производиться от более дешёвого источника электрической энергии — электромагнитного генератора постоянного тока.

В 1886 году электродвигатель постоянного тока приобрёл основные черты современной конструкции. В дальнейшем он всё более и более совершенствовался.

В настоящее время трудно представить себе жизнь человечества без электродвигателя. Он используется в поездах, троллейбусах, трамваях. На заводах и фабриках стоят мощные электрические станки. Электромясорубки, кухонные комбайны, кофемолки, пылесосы — всё это используется в быту и оснащено электродвигателями.

Подавляющее большинство электрических машин работает по принципу магнитного отталкивания и притяжения. Если между северным и южным полюсами магнита поместить проволоку и пропустить по ней ток, то её вытолкнет наружу. Как это возможно? Дело в том, что проходя по проводнику, ток формирует вокруг себя круговое магнитное поле по всей длине провода. Направление этого поля определяют по правилу буравчика (винта).

При взаимодействии кругового поля проводника и однородного поля магнита, между полюсами магнитное поле с одной стороны ослабевает, а с другой усиливается. То есть среда становится упругой и результирующая сила выталкивает провод из поля магнита под углом 90 градусов в направлении, определяемом по правилу левой руки (правило правой руки используется для генераторов, а правило левой руки подходит только для двигателей). Эта сила называется «амперовой» и её величина определяется по закону Ампера F=BхIхL, где В – значение магнитной индукции поля; I – ток, циркулирующий в проводнике; L – длина провода.

Это явление использовали как основной принцип работы первых электродвигателей, этот же принцип используют и поныне. В двигателях постоянного тока малой мощности для создания постоянного магнитного поля применяются постоянные магниты. В электромоторах средней и большой мощности однородное магнитное поле создают с помощью обмотки возбуждения или индуктора.

Рассмотрим принцип создания механического движения с помощью электричества более подробно. На динамической иллюстрации показан простейший электромотор. В однородном магнитном поле вертикально располагаем проволочную рамку и пропускаем по ней ток. Что происходит? Рамка проворачивается и по инерции двигается какое-то время до достижения горизонтального положения. Это нейтральное положение – мёртвая точка — место, где воздействие поля на проводник с током равно нулю. Чтобы движение продолжилось, нужно добавить ещё хотя бы одну рамку и обеспечить переключение направление тока в рамке в нужный момент. На обучающем видео внизу страницы хорошо виден этот процесс.

Современный двигатель постоянного тока вместо одной рамки имеет якорь с множеством проводников, уложенных в пазы, а вместо постоянного подковообразного магнита имеет статор с обмоткой возбуждения с двумя и более полясами. На рисунке показан двухполюсный электромотор в разрезе. Принцип его работы следующий. Если по проводам верхней части якоря пропустить ток движущийся «от нас» (отмечено крестиком), а в нижней части — «на нас» (отмечено точкой), то согласно правилу левой руки верхние проводники будут выталкиваться из магнитного поля статора влево, а проводники нижней половины якоря по тому же принципу будут выталкиваться вправо. Поскольку медный провод уложен в пазах якоря, то, вся сила воздействия будет передаваться и на него, и он будет проворачиваться. Дальше видно, что когда проводник с направлением тока «от нас» провернётся вниз и станет против южного полюса создаваемого статором, то он будет выдавливаться в левую сторону, и произойдёт торможение. Чтобы этого не случилось нужно поменять направление тока в проводе на противоположное, как только будет пересечена нейтральная линия. Это делается с помощью коллектора – специального переключателя, коммутирующего обмотку якоря с общей схемой электродвигателя.

Таким образом, обмотка якоря передаёт вращающий момент на вал электромотора, а тот в свою очередь приводит в движение рабочие механизмы любого оборудования, такого как, например, станок для сетки рабицы. Хотя в этом случае используется асинхронный двигатель переменного тока, основной принцип его работы идентичен принципу действия двигателя постоянного тока – это выталкивание проводника с током из магнитного поля. Только у асинхронного электромотора вращающееся магнитное поле, а у электродвигателя постоянного тока – поле статичное.

Конструктивно все электрические двигатели постоянного тока состоят из индуктора и якоря, разделенных воздушным зазором.

Индуктор (статор) электродвигателя постоянного тока служит для создания неподвижного магнитного поля машины и состоит из станины, главных и добавочных полюсов. Станина служит для крепления основных и добавочных полюсов и является элементом магнитной цепи машины. На главных полюсах расположены обмотки возбуждения, предназначенные для создания магнитного поля машины, на добавочных полюсах — специальная обмотка, служащая для улучшения условий коммутации.

Якорь электродвигателя постоянного тока состоит из магнитной системы, собранной из отдельных листов, рабочей обмотки, уложенной в пазы, и коллектора служащего для подвода к рабочей обмотке постоянноготока.

Коллектор представляет собой цилиндр, насаженный на вал двигателя и избранный из изолированных друг от друга медных пластин. На коллекторе имеются выступы-петушки, к которым припаяны концы секций обмотки якоря. Съем тока с коллектора осуществляется с помощью щеток, обеспечивающих скользящий контакт с коллектором. Щетки закреплены в щеткодержателях, которые удерживают их в определенном положении и обеспечивают необходимое нажатие щетки на поверхность коллектора. Щетки и щеткодержатели закреплены на траверсе, связанной с корпусомэлектродвигателя.

Коллекторный движок он очень хорош. Он чертовски легко и гибко регулируется. Можно повышать обороты, понижать, механическая характеристика жесткая, момент он держит на ура. Зависимость прямая. Ну сказка, а не мотор. Если бы не одна ложка дегтя во всей этой вкусняшке — коллектор.

Это сложный, дорогой и очень ненадежный узел. Он искрит, создает помехи, забивается проводящей пылью от щеток. А при большой нагрузке может полыхнуть, образовав круговой огонь и тогда все, капец движку. Закоротит все дугой наглухо.

Но что такое коллектор вообще? Нафига он нужен? Выше я говорил, что коллектор это механический инвертор. Его задача переключать напряжение якоря туда сюда, подставляя обмотку под поток.

Коллектор в электрических машинах выполняет роль выпрямителя переменного тока в постоянный (в генераторах) и роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря (в двигателях).

Когда магнитное поле пересекается только двумя проводниками, образующими рамку, коллектор будет представлять собой одно кольцо, разрезанное на две части, изолированные одна от другой. В общем случае каждое полукольцо носит название коллекторной пластины.

Начало и конец рамки присоединяются каждый к своей коллекторной пластине. Щетки располагаются таким образом, чтобы одна из них была всегда соединена с проводником, который будет двигаться у северного полюса, а другая — с проводником, который будет двигаться у южного полюса.

Рис. 2. Упрощенное изображения коллектора

Рис. 3. Выпрямление переменного тока с помощью коллектора

Сообщим рамке вращательное движение в направлении по часовой стрелке. В момент, когда вращающаяся рамка займет положение, изображенное на рис. 3, А, в ее проводниках будет индуктироваться наибольший по величине ток, так как проводники пересекают магнитные силовые линии, двигаясь перпендикулярно к ним.

Индуктированный ток из проводника В, соединенного с коллекторной пластиной 2, поступит на щетку 4 и, пройдя внешнюю цепь, через щетку 3 возвратится в проводник А. При этом правая щетка будет положительной, а левая отрицательной.

Дальнейший поворот рамки (положение В) приведет снова к индуктированию тока в обоих проводниках; однако направление тока в проводниках будет противоположно тому, которое они имели в положении А. Так как вместе с проводниками повернутся и коллекторные пластины, то щетка 4 снова будет отдавать электрический ток во внешнюю цепь, а по щетке 3 ток будет возвращаться в рамку.

Отсюда следует, что, несмотря на изменение направления тока в самих вращающихся проводниках, благодаря переключению, произведенному коллектором, направление тока во внешней цепи не изменилось.

В следующий момент (положение Г), когда рамка вторично займет положение на нейтральной линии, в проводниках и, следовательно, во внешней цепи тока опять не будет.

Читайте также:  Тип тока для светодиодных ламп

В последующие моменты времени рассмотренный цикл движений будет повторяться в том же порядке. Таким образом, направление индуктированного направление тока во внешней цепи благодаря коллектору все время будет оставаться одним и тем же, а вместе с этим сохранится и полярность щеток.

Щёточный узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе и переключения тока в обмотках ротора. Щётка — неподвижный контакт (обычно графитовый или медно-графитовый). Щётки с большой частотой размыкают и замыкают пластины-контакты коллектора ротора. Как следствие, при работе ДПТ происходят переходные процессы, в обмотках ротора. Эти процессы приводят к искрению на коллекторе, что значительно снижает надёжность ДПТ. Для уменьшения искрения применяются различные способы, основным из которых является установка добавочных полюсов. При больших токах, в роторе ДПТ возникают мощные переходные процессы, в результате чего, искрение может постоянно охватывать все пластины коллектора, независимо от положения щёток. Данное явление называется кольцевым искрением коллектора или «круговой огонь». Кольцевое искрение опасно тем, что одновременно выгорают все пластины коллектора и срок его службы значительно сокращается. Визуально кольцевое искрение проявляется в виде светящегося кольца около коллектора. Эффект кольцевого искрения коллектора не допустим. При проектировании приводов устанавливаются соответствующие ограничения на максимальные моменты (а следовательно и токи в роторе), развиваемые двигателем.Конструкция двигателя может иметь один или несколько щеточно-коллекторных узлов.

А на дворе то уже 21 век и дешевые и мощные полупроводники сейчас на каждом шагу. Так зачем нам нужен механический инвертор если мы можем сделать его электронным? Правильно, незачем! Так что берем и заменяем коллектор силовыми ключами, а еще добавляем датчики положения ротора, чтобы знать в какой момент переключать обмотки.

А для пущего удобства выворачиваем двигатель наизнанку — гораздо проще вращать магнит или простенькую обмотку возбуждения, чем якорь со всей этой тряхомудией на борту. В качестве ротора тут выступает либо мощный постоянный магнит, либо обмотка питаемая с контактных колец. Что хоть и смахивает на коллектор, но не в пример надежней его.

И получаем что? Правильно! Бесщеточный двигатель постоянного тока aka BLDC. Все те же няшные и удобные характеристики ДПТ, но без этого мерзкого коллектора. И не надо путать BLDC с синхронными двигателями. Это совсем разные машины и разным принципом действия и управления, хотя конструктивно они ОЧЕНЬ схожи и тот же синхронник вполне может работать как BLDC, добавить ему только датчиков да систему управления. Но это уже совсем другая история. ВОТ ТУТ можно прочитать про него подробнее.

Продолжая тему двигателя постоянного тока нужно отметить, что принцип действия электродвигателя основывается на инвертировании постоянного тока в якорной цепи, чтобы не было торможения, и вращение ротора поддерживалось в постоянном ритме. Если изменить направление тока в возбуждающей обмотке статора, то, согласно правилу левой руки, изменится направление вращения ротора. То же самое произойдёт, если мы поменяем местами щёточные контакты, подводящие питание от источника к якорной обмотке. А вот если поменять «+» «-» и там и там, то направление вращения вала не изменится. Поэтому, в принципе, для питания такого мотора можно использовать и переменный ток, т.к. ток в индукторе и якоре будет меняться одновременно. На практике такие устройства используются редко.

Думаю многие из вас кто баловался с движками могли заметить, что у них есть ярко выраженный пусковой ток, когда мотор на старте может рвануть стрелку амперметра, например, до ампера, а после разгона ток падает до каких-нибудь 200мА.

Почему это происходит? Это работает противоэдс. Когда двигатель стоит, то ток который через него может пройти зависит только лишь от двух параметров — напряжения питания и сопротивления якорной обмотки. Так что предельный ток который может развить движок и на который следует рассчитывать схему узнать несложно. Достаточно замерить сопротивление обмотки двигателя и поделить на это значение напряжение питания. Просто по закону Ома. Это и будет максимальный ток, пусковой.

Но по мере разгона начинается забавная вещь, обмотка якоря движется поперек магнитного поля статора и в ней наводится ЭДС, как в генераторе, но направлена она встречно той, что вращает двигатель. И в результате, ток через якорь резко снижается, тем больше, чем выше скорость.

А если движок дополнительно еще подкручивать по ходу, то противоэдс будет выше питания и движок начнет вкачивать энергию в систему, став генератором.

Что касается электрической схемы включения двигателя, то их несколько и они показаны на рисунке. При параллельном соединении обмоток, обмотка якоря делается из большого количества витков тонкой проволоки. При таком подключении коммутируемый коллектором ток будет значительно меньше из-за большого сопротивления и пластины не будут сильно искрить и выгорать. Если делать последовательное соединение обмоток индуктора и якоря, то обмотка индуктора делается из провода большего диаметра с меньшим количеством витков, т.к. весь якорный ток устремляется через статорную обмотку. При таких манипуляциях с пропорциональным изменением значений тока и количества витков, намагничивающая сила остаётся постоянной, а качественные характеристики устройства становятся лучше.

На сегодняшний день двигатели постоянного тока мало используются на производстве. Из недостатков этого типа электрических машин можно отметить быстрый износ щёточно-коллекторного узла. Преимущества – хорошие характеристики запуска, лёгкая регулировка частоты и направления вращения, простота устройства и управления.

В настоящее время двигатели постоянного тока независимого возбуждения, управляемые тиристорными преобразователями, используются в промышленных электроприводах.’Эти при­воды обеспечивают регулирование скорости в широком диапазо­не. Регулирование скорости вниз от номинальной осуществляется изменением напряжения на якоре, а вверх — ослаблением потока возбуждения. Ограничения, по мощности и скорости обусловлены свойствами используемых двигателей, а не полупроводниковых приборов. Тиристоры могут соединяться последовательно или па­раллельно, если они имеют недостаточно высокий. класс по напря­жению или току. Ток якоря и момент ограничены перегрузочной способностью двигателя по нагреву.

Принцип работы:

Сборка двигателя постоянного тока ПО ДЕТАЛЯМ:

Источник

Бесколлекторный двигатель постоянного тока

Бесколлкторные двигатели постоянного тока (бдпт) являются разновидностью синхронных двигателей с постоянными магнитами, которые питаются от цепи постоянного тока через инвертор, управляемый контроллером с обратной связью. Контроллер подаёт на фазы двигателя напряжения и токи, необходимые для создания требуемого момента и работы с нужной скоростью. Такой контроллер заменяет щёточно-коллекторный узел, используемый в коллекторных двигателях постоянного тока. Бесколлекторные двигатели могут работать как с напряжениями на обмотках в форме чистой синусоиды, так и кусочно-ступенчатой формы (например, при блочной коммутации).

Появились бесколлекторные двигатели постоянного тока как попытка избавить коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами от их слабого места – щёточно-коллекторного узла. Этот узел, представляющий собой вращающийся электрический контакт, является слабым местом у коллекторных двигателей с точки зрения надёжности и в ряде случаев ограничивает их параметры.

Принцип работы и устройство бесколлекторного двигателя

Как и остальные двигатели, бесколлекторный двигатель состоит из двух основных частей – ротора (подвижная часть) и статора (неподвижная часть). На статоре располагается трёхфазная обмотка. Ротор несёт на себе постоянный магнит, который может иметь одну или несколько пар полюсов. Когда к обмотке статора приложена трёхфазная система напряжений, то обмотка создаёт вращающееся магнитное поле. Оно взаимодействует с постоянным магнитом на роторе и приводит его в движение. По мере того как ротор поворачивается, вектор его магнитного поля проворачивается по направлению к магнитному полю статора. Управляющая электроника отслеживает направление, которое имеет магнитное поле ротора и изменяет напряжения, приложенные к обмотке статора, таким образом чтобы магнитное поле, создаваемое обмотками статора, повернулось, опережая магнитное поле ротора. Для определения направления магнитного поля ротора используется датчик положения ротора, поскольку магнит, создающий это поле жёстко закреплён на роторе. Напряжения на обмотках бесколлекторного двигателя можно формировать различными способами: простое переключение обмоток через каждые 60° поворота ротора или формирование напряжений синусоидальной формы при помощи широтно-импульсной модуляции.

Варианты конструкции двигателя

Обмотка двигателя может иметь различную конструкцию. Обмотка классической конструкции наматывается на стальной сердечник. Другой вариант конструкции обмотки – это обмотка без стального сердечника. Проводники этой обмотки равномерно распределяются вдоль окружности статора. Характеристики обмотки получаются различными, что отражается и на характеристиках двигателя. Кроме того, обмотки могут быть выполнены на различное число фаз и с различным количеством пар полюсов.

Бесколлекторные двигатели также могут иметь конструкции, различающиеся по взаимному расположению ротора и статора. Наиболее распространена конструкция, когда ротор охватывается статором снаружи – двигатели с внутренним ротором. Но также возможна, и встречается на практике конструкция в которой ротор расположен снаружи статора – двигатели с внешним ротором. Третий вариант – статор расположен параллельно ротору и оба располагаются перпендикулярно оси вращения двигателя. Такие двигатели называют двигателями аксиальной конструкции.

Датчик положения, который измеряет угловое положение ротора двигателя — это важная часть приводной системы, построенной на бесколлекторном двигателе. Этот датчик может быть самым разным как по типу, так и по принципу действия. Традиционно используемый для этой цели тип датчиков – датчики Холла с логическим выходом, устанавливаемые на каждую фазу двигателя. Выходные сигналы этих датчиков позволяют определить положение ротора с точностью до 60° — достаточной реализации самых простых способов управления обмотками. Для реализации способов управления двигателем, предполагающих формирование на обмотках двигателя системы синусоидальных напряжений при помощи ШИМ необходим более точный датчик, например, энкодер. Инкрементные энкодеры, очень широко используемые в современном электроприводе, могут обеспечить достаточно информации о положении ротора только при использовании их вместе с датчиками Холла. Если бесколлекторный двигатель оснащён абсолютным датчиком положения – абсолютным энкодером или резольвером (СКВТ), то датчики Холла становятся не нужны, так как любой из этих датчиков обеспечивает полную информацию о положении ротора.

Можно управлять бесколлекторным двигателем, и не используя датчика положения ротора – бездатчиковая коммутация. В этом случае информация о положении ротора восстанавливается на основании показаний других датчиков, например, датчиков фазных токов двигателя или датчиков напряжения. Такой способ управления часто влечёт за собой ряд недостатков (ограниченный диапазон скоростей, высокая чувствительность к параметрам двигателя, специальная процедура старта), что ограничивает его распространение.

Преимущества и недостатки

Высокая надёжность вследствие отсутствия коллектора. Это основное отличие бесколлекторных двигателей от коллекторных. Щёточно-коллекторный узел, является подвижным электрическим контактом и сам по себе имеет невысокую надёжность и устойчивость к влиянию различных воздействий со стороны окружающей среды.

Читайте также:  Напряжение тока сети троллейбуса

Отсутствие необходимости обслуживания коллекторного узла . Является особенно актуальным для двигателей среднего и крупного габарита. Для микроэлектродвигателей, проведение ремонта экономически оправдано далеко не во всех случаях, поэтому для них этот пункт не является актуальным.

Сложная схема управления. Прямое следствие переноса функции переключения токов обмотки во внешний коммутатор. Если в простейшем случае для управления коллекторным двигателем необходимо иметь только источник питания, то для бесколлекторного двигателя такой подход не работает – контроллер нужен даже для решения самых простых задач управления движением. Однако, когда речь идёт о решении для сложных случаев (например, задачи позиционирования), то контроллер становится необходим для всех типов двигателей.

Высокая скорость вращения. В коллекторных двигателях скорость перемещения щётки по коллектору ограничена, хотя и различна для различных конструкций этих двух деталей и различных используемых материалов. Предельная скорость перемещения щёток по коллектору сильно ограничивает скорость вращения коллекторных двигателей. Бесколлекторные двигатели не имеют такого ограничения, что позволяет выполнять их для работы на скоростях до нескольких сотен тысяч оборотов в минуту – цифра недостижимая для коллекторных двигателей.

Большая удельная мощность. Возможность достичь большой удельной мощности является следствием высокой скорости вращения, доступной для бесколлекторного двигателя.

Хороший отвод тепла от обмотки. Обмотка бесколлекторных двигателей неподвижно закреплена на статоре и есть возможность обеспечить хороший тепловой контакт её с корпусом, который передаёт тепло, выделяемое в двигателе, в окружающую среду. У коллекторного двигателя обмотка установлена на роторе, и её тепловой контакт с корпусом гораздо хуже, чем у бесколлекторного двигателя.

Больше проводов для подключения. Когда двигатель расположен близко от контроллера, то это конечно не повод для огорчения. Однако если условия окружающей среды, в которых работает двигатель очень сложны, то вынесение управляющей электроники на значительное расстояние (десятки и сотни метров) от двигателя является подчас единственным доступным вариантом для разработчиков системы. В таких условиях каждая дополнительная цепь для подключения двигателя, будет требовать дополнительных жил в кабеле, увеличивая его размеры и массу.

Уменьшение электромагнитных помех, исходящих от двигателя . Щёточно-коллекторный контакт создаёт при работе достаточно сильные помехи. Частота этих помех зависит от частоты вращения двигателя, что осложняет борьбу с ними. У бесколлекторного двигателя единственным источником помех является ШИМ силовых ключей, частота которого обычно постоянна.

Присутствие сложных электронных компонентов. Электронные компоненты (датчики Холла, например) более остальных составных частей двигателя уязвимы для действия жёстких условий со стороны внешней среды, будь то высокая температура, низкая температура или ионизирующие излучения. Коллекторные двигатели не содержат электроники и у них подобная уязвимость отсутствует.

Где применяются бесколлекторные двигатели

К настоящему времени бесколлекторные двигатели получили широкое распространение, как благодаря своей высокой надёжности, высокой удельной мощности и возможности работать на высокой скорости, так и из-за быстрого развития полупроводниковой техники, сделавшей доступными мощные и компактные контроллеры для управления этими двигателями.

Бесколлекторные двигатели широко применяются в тех системах где их характеристики дают им преимущество перед двигателями других типов. Например, там, где требуется скорость вращения несколько десятков тысяч оборотов в минуту. Если от изделия требуется большой срок службы, а ремонт невозможен или ограничен из-за особенностей эксплуатации изделия, то и тогда бесколлекторный двигатель будет хорошим выбором.

Источник

Что такое бесколлекторный двигатель постоянного тока, как он устроен и работает

Определение

Бесколлекторным называют электродвигатель постоянного тока, ток в обмотках которого переключает специальное устройство-коммутатор — он носит название «драйвер» или «инвертор» и эти обмотки всегда расположены на статоре. Коммутатор состоит из 6 транзисторов, они и подают ток в ту или иную обмотку, в зависимости от положения ротора.

В отечественной литературе такие двигатели называют «вентильными» (потому что полупроводниковые ключи называют «вентилями»), и есть разделение таких электромашин на два вида по форме противо—ЭДС. В зарубежной литературе такое различие сохраняется, один из них называют аналогично русскому «BLDC» (brushless direct current drive или motor), что в дословном переводе звучит как «бесщёточный двигатель постоянного тока» в их обмотках возникает трапецеидальная ЭДС. Вентильные же электродвигатели с синусоидальной ЭДС называют PMSM (Permanent magnet synchronous machine), что переводится как «синхронный электродвигатель с возбуждением постоянными магнитами».

Устройство и принцип действия

Коллектор в КДПТ служит узлом переключения тока в обмотках якоря. В бесколлекторном электродвигателе постоянного тока (БДПТ) эту роль выполняют не щетки с ламелями, а коммутатор она полупроводниковых ключах — транзисторах. Транзисторы переключают обмотки статора, создавая вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с полем магнитов ротора. А при протекании тока через проводник, который находится в магнитном поле, на него действует сила Ампера, за счет действия этой силы и образуется крутящий момент на валу электрических машин. На этом и основан принцип работы любого электродвигателя.

Конструкция коллекторного (слева) и бесколлекторного электродвигателя (справа)

Теперь же разберемся в том, как устроен бесколлекторный двигатель. На статоре БДПТ обычно расположены 3 обмотки, по аналогии с электродвигателями переменного тока их часто называют трехфазными. Отчасти это верно: бесколлекторные двигатели работают от источника постоянного тока (чаще от аккумуляторов), но контроллер включает ток обмотках поочерёдно. Однако при этом не совсем верно говорить, что по обмоткам протекает переменный ток. Конечная форма питающего обмотки напряжения формируется прямоугольными импульсами управления транзисторами.

Трёхфазный бесколлекторный двигатель может быть трёхпроводными или четырёхпроводным, где четвертый провод — отвод от средней точки (если обмотки соединены по схеме звезды).

Типовая плата контроллера для трёхфазного БКДПТ

Обмотки или, говоря простым словами, катушки медного провода укладываются в зубы сердечника статора. В зависимости от конструкции и назначения привода на статоре может быть разное количество зубцов. Встречаются разные варианты распределения обмоток фаз по зубцам ротора, что иллюстрирует следующий рисунок.

Схема распределения обмоток по зубцам статора

Обмотки каждого из зубов в пределах одной фазы могут соединяться последовательно или параллельно, в зависимости от поставленных конструктору задач по мощности и моменту проектируемого привода, а сами же обмотки фаз соединяются между собой по схеме звезды или треугольника, подобно асинхронным или синхронным трёхфазными электродвигателям переменного тока.

Схемы соединения обмоток

В статоре могут устанавливаться датчики положения ротора. Часто используются датчики холла, они дают сигнал контроллеру, когда на них воздействует магнитное поле магнитов ротора. Это нужно для того чтобы контроллер “знал”, в каком положении находится ротор и подавал питание на соответствующие обмотки. Это нужно для повышения эффективности и стабильности работы, а если кратко, — чтобы выжать из двигателя всю возможную мощность. Датчиков обычно устанавливается 3 штуки. Но наличие датчиков усложняет устройство бесколлекторного электродвигателя, к ним нужно проводить дополнительные провода для питания и линии данных.

Датчики положения ротора в бесколлекторном двигателе

В БДПТ для возбуждения используются постоянные магниты, установленные на роторе, а статор — это якорь. Напомним, что в коллекторных машинах наоборот (ротор — это якорь), а для возбуждения в КД используются как постоянные магниты, так и электромагниты (обмотки).

Магниты устанавливаются с чередованием полюсов, и соответственно их количество определяет количество пар полюсов. Но это не значит, что сколько магнитов, то столько же и пар полюсов. Несколько магнитов могут формировать один полюс. От числа полюсов, как в случае и с асинхронным двигателем (и другими) зависит число оборотов в минуту. То есть от одного контроллера на одинаковых настройках бесколлекторные двигатели с разным числом пар полюсов будут вращаться с разной скоростью.

Чередование магнитных полюсов статора

Виды БДПТ

Теперь давайте разберемся, какими бывают бесколлекторные двигатели на постоянных магнитах. Их классифицируют по форме противо-ЭДС, конструкции, а также по наличию датчиков положения ротора. Итак, два основных типа отличающихся формой противо-ЭДС, которая наводится в обмотках при вращении ротора:

  • BLDC — в них трапецеидальная противо-ЭДС;
  • PMSM — противо-ЭДС синусоидальная.

В идеальном случае для них нужны разные источники питания (контроллеры), но на практике они взаимозаменяемы. Но если использовать контроллер с прямоугольными или трапецеидальным выходным напряжением с PMSM-двигателем, то будут слышны характерные звуки, похожие на стук во время вращения.

А по конструкции бесколлекторные двигатели постоянного тока бывают:

  • С внутренним ротором. Это более привычное представление электродвигателя, когда статор — это корпус, а вращается вал, расположенный в нём. Часто их называют английским словом «Inrunner». Такой вариант обычно применяют для высокооборотистых электродвигателей
  • С внешним ротором. Здесь вращается внешняя часть двигателя с закреплённым на ней валом, в англоязычных источниках его называют «outrunner». Эту схему устройства используют, когда нужен высокий момент.

Выбирают конструкцию в зависимости от того для чего нужен бесколлекторный двигатель в конкретном применении.

Inrunner (слева) и outrunner (справа)

Современная промышленность выпускает бесколлекторные двигатели как с датчиками положения ротора, так и без них. Дело в том, что существует множество способов управления БДПТ, для некоторых из них нужны датчики положения, другие определяют положения по ЭДС в обмотках, третьи и вовсе просто подают питание на нужные фазы и электродвигатель самостоятельно синхронизируется с таким питанием и входит в рабочий режим.

Основные характеристики бесколлекторных двигателей постоянного тока:

  1. Режим работы — длительный или кратковременный.
  2. Максимальное рабочее напряжение.
  3. Максимальный рабочий ток.
  4. Максимальная мощность.
  5. Максимальные обороты, часто указывают не обороты, а KV — об/в, то есть количество оборотов на 1 вольт приложенного напряжения (без нагрузки на валу). Чтобы получить максимальные обороты — умножьте это число на максимальное напряжение.
  6. Сопротивление обмотки (чем оно меньше, тем выше КПД), обычно составляет сотые и тысячные доли Ома.
  7. Угол опережения фазы (timing) — время, через которое ток в обмотке достигнет своего максимума, это связано с её индуктивностью и законами коммутации (ток в индуктивности не может измениться мгновенно.

Схема подключения

Как было сказано выше, для работы бесколлекторного двигателя нужен специальный контроллер. На алиэкспресс можно найти как комплекты из двигателя и контроллера, так и по отдельности. Контроллер также называют ESC Motor или Electric Speed Controller. Выбирают их по силе тока, отдаваемого в нагрузку.

Обычно подключение электродвигателя к контроллеру не вызывает затруднений и понятно даже для чайников. Главное, что нужно знать — для смены направления вращения нужно изменить подключение любых двух фаз, собственно также, как и в трёхфазных асинхронных или синхронных электродвигателях.

Схема подключения к контроллеру и реверс БК-мотора

В сети есть и ряд технических решений и схем как сложных, так и для чайников, которые вы можете увидеть ниже.

В этом видеоролике автор рассказывает, как подружить БК моторчик с «ардуиной».

Читайте также:  Терапия когда бьют током

А в этом ролике вы узнаете о различных способах подключения к разным регуляторам и как его можно сделать своими руками. Автор демонстрирует это на примере моторчика от HDD, и пары мощных экземпляров — inrunner и outrunner.

Кстати схему из видео для повторения также прикладываем:

Схема контроллера для BLDC

Где применяются бесколлекторные двигатели

Сфера применения таких электродвигателей досрочно широка. Они используются как для привода мелких механизмов: в дисководах CD, DVD-приводах, жёстких дисках, так и в мощных устройствах: аккумуляторе и сетевом электроинструменте (с питанием порядка 12В), радиоуправляемых моделях (например, квадрокоптерах), станках ЧПУ для привода рабочего органа (обычно моторчики с номинальным напряжением 24В или 48В).

Широкое применение БДПТ нашли в электротранспорте, почти все современные мотор-колеса электросамокатов, велосипедов, мотоциклов и автомобилей — это бесколлекторные двигатели. К слову, номинальное напряжение электродвигателей для транспорта лежит в широком пределе, например, мотор-колесо для велосипеда зачастую работает от 36В или от 48В, за редким исключением и больше, а в автомобилях, например, на Toyota Prius порядка 120В, а на Nissan Leaf – доходит до 400, при том что заряжается от сети 220В (это реализуется с помощью встроенного преобразователя).

На самом деле область применения бесколлекторных электродвигателей очень обширна, отсутствие коллекторного узла позволяет его применять опасных местах, а также в местах с повышенной влажностью, без опасений замыканий, искрения или возгорания из-за дефектов в щеточном узле. Благодаря высокому КПД и хорошим массогабаритным показателям они нашли применение и в космической промышленности.

Преимущества и недостатки

Бесколлекторным двигателям постоянного тока, как и другим видам электромашин, присущи определенные достоинства и недостатки.

Преимущества у БДПТ заключаются в следующем:

  • Благодаря возбуждению мощными постоянными магнитами (неодимовыми, например) превосходят по моменту и мощности и имеют меньшие габариты, чем асинхронные двигатели. Чем пользуется большинство производителей электротранспорта — от самокатов до автомобилей.
  • Нет искрящего щеточно-коллекторного узла, который требует регулярного обслуживания.
  • При использовании качественного контроллера в отличие от того же КД не выдают помехи в питающую сеть, что особенно важно в радиоуправляемых устройствах и транспорте с развитым электронным оборудованием в бортовой сети.
  • КПД более 80, чаще и 90%.
  • Высокая скорость вращения, в отдельных случаях до 100000 об/мин.

Но есть и существенный минус: бесколлекторный двигатель без контроллера — просто кусок железа с медной обмоткой. Он никак не сможет работать. Контроллеры стоят недешево и чаще всего их приходится заказывать в интернет-магазинах или с алиэкспресс. Из-за этого использовать БК-моторы в моделях и устройствах домашнего производства не всегда возможно.

Теперь вы знаете, что такое бесколлекторный двигатель постоянного тока, как он работает и где применяется. Надеемся, наша статья помогла вам разобраться во всех вопросах!

Источник



Что такое бесколлекторный двигатель постоянного тока и его принцип работы

Бытовая и медицинская техника, авиамоделирование, трубозапорные приводы газо- и нефтепроводов – это далеко не полный перечень областей применения бесколлекторных двигателей (БД) постоянного тока. Давайте рассмотрим устройство и принцип действия этих электромеханических приводов, чтобы лучше понять их достоинства и недостатки.

Общие сведения, устройство, сфера применения

Одна из причин проявления интереса к БД — это возросшая потребность в высокооборотных микродвигателях, обладающих точным позиционированием. Внутренне устройство таких приводов продемонстрировано на рисунке 2.

Устройство бесколлекторного двигателя

Рис. 2. Устройство бесколлекторного двигателя

Как видите, конструкция представляет собой ротор (якорь) и статор, на первом имеется постоянный магнит (или несколько магнитов, расположенных в определенном порядке), а второй оборудован катушками (В) для создания магнитного поля.

Примечательно, что эти электромагнитные механизмы могут быть как с внутренним якорем (именно такой тип конструкции можно увидеть на рисунке 2), так и внешним (см. рис. 3).

Конструкция с внешним якорем (outrunner)

Рис. 3. Конструкция с внешним якорем (outrunner)

Соответственно, каждая из конструкций имеет определенную сферу применения. Устройства с внутренним якорем обладают высокой скоростью вращения, поэтому используются в системах охлаждения, в качестве силовых установок дронов и т.д. Приводы с внешним ротором используются там, где требуется точное позиционирование и устойчивость к перегрузкам по моменту (робототехника, медицинское оборудование, станки ЧПУ и т.д.).

Бесколлекторный двигатель в компьютерном дисководе

Бесколлекторный двигатель в компьютерном дисководе

Принцип работы

В отличие от других приводов, например, асинхронной машины переменного тока, для работы БД необходим специальный контроллер, который включает обмотки таким образом, чтобы векторы магнитных полей якоря и статора были ортогональны друг к другу. То есть, по сути, устройство-драйвер регулирует вращающий момент, действующий на якорь БД. Наглядно этот процесс продемонстрирован на рисунке 4.

Фазы работы бесколлекторного привода

Фазы работы бесколлекторного привода

Как видим, для каждого перемещения якоря необходимо выполнять определенную коммутацию в обмотке статора двигателя бесколлекторного типа. Такой принцип работы не позволяет плавно управлять вращением, но дает возможность быстро набрать обороты.

Отличия коллекторного и бесколлекторного двигателя

Привод коллекторного типа отличается от БД как конструктивными особенностями (см. рис 5.), так и принципом работы.

А – коллекторный двигатель, В – бесколлекторный

Рис. 5. А – коллекторный двигатель, В – бесколлекторный

Рассмотрим конструктивные отличия. Из рисунка 5 видно, что ротор (1 на рис. 5) двигателя коллекторного типа, в отличие от бесколлекторного, имеет катушки, у которых простая схема намотки, а постоянные магниты (как правило, два) установлены на статоре (2 на рис. 5). Помимо этого на валу установлен коллектор, к которому подключаются щетки, подающие напряжение на обмотки якоря.

Кратко расскажем о принципе работы коллекторных машин. Когда на одну из катушек подается напряжение, происходит ее возбуждение, и образуется магнитное поле. Оно вступает во взаимодействие с постоянными магнитами, это заставляет проворачиваться якорь и размещенный на нем коллектор. В результате питание подается на другую обмотку и цикл повторяется.

Частота вращения якоря такой конструкции напрямую зависит от интенсивности магнитного поля, которое, в свою очередь, прямо пропорционально напряжению. То есть, чтобы увеличить или уменьшить обороты, достаточно повысить или снизить уровень питания. А для реверса необходимо переключить полярность. Такой способ управления не требует специального контролера, поскольку регулятор хода можно сделать на базе переменного резистора, а обычный переключатель будет работать как инвертор.

Конструктивные особенности двигателей бесколлекторного типа мы рассматривали в предыдущем разделе. Как вы помните, их подключение требует наличия специального контролера, без которого они просто не будут работать. По этой же причине эти двигатели не могут использоваться как генератор.

Стоит также отметить, что в некоторых приводах данного типа для более эффективного управления отслеживаются положения ротора при помощи датчиков Холла. Это существенно улучшает характеристики бесколлекторных двигателей, но приводит к удорожанию и так недешевой конструкции.

Как запустить бесколлекторный двигатель?

Чтобы заставить работать приводы данного типа, потребуется специальный контроллер (см. рис. 6). Без него запуск невозможен.

Контроллеры бесколлекторных двигателей для моделизма

Рис. 6. Контроллеры бесколлекторных двигателей для моделизма

Собирать самому такое устройство нет смысла, дешевле и надежней будет приобрести готовый. Подобрать его можно по следующим характеристикам, свойственным драйверам шим каналов:

  • Максимально допустимая сила тока, эта характеристика приводится для штатного режима работы устройства. Довольно часто производители указывают такой параметр в названии модели (например, Phoenix-18). В некоторых случаях приводится значение для пикового режима, который контролер может поддерживать несколько секунд.
  • Максимальная величина штатного напряжения для продолжительной работы.
  • Сопротивление внутренних цепей контроллера.
  • Допустимое число оборотов, указывается в rpm. Сверх этого значения контроллер не позволит увеличить вращение (ограничение реализовано на программном уровне). Следует обратить внимание, что частота вращения всегда приводится для двухполюсных приводов. Если пар полюсов больше, следует разделить значение на их количество. Например, указано число 60000 rpm, следовательно, для 6-и магнитного двигателя частота вращения составит 60000/3=20000 prm.
  • Частота генерируемых импульсов, у большинства контролеров этот параметр лежит в пределах от 7 до 8 кГц, более дорогие модели позволяют перепрограммировать параметр, увеличив его до 16 или 32 кГц.

Обратим внимание, что первые три характеристики определяют мощность БД.

Управление бесколлекторным двигателем

Как уже указывалось выше, управление коммутацией обмоток привода осуществляется электроникой. Чтобы определить, когда производить переключения, драйвер отслеживает положение якоря при помощи датчиков Холла. Если привод не снабжен такими детекторами, то в расчет берется обратная ЭДС, которая возникает в неподключенных катушках статора. Контроллер, который, по сути, является аппаратно-программным комплексом, отслеживает эти изменения и задает порядок коммутации.

Трёхфазный бесколлекторный электродвигатель постоянного тока

Большинство БД выполняются в трехфазном исполнении. Для управления таким приводом в контролере имеется преобразователь постоянного напряжения в трехфазное импульсное (см. рис.7).

Диаграммы напряжений БД

Рисунок 7. Диаграммы напряжений БД

Чтобы объяснить, как работает такой вентильный двигатель, следует вместе с рисунком 7 рассматривать рисунок 4, где поочередно изображены все этапы работы привода. Распишем их:

  1. На катушки «А» подается положительный импульс, в то время как на «В» — отрицательный, в результате якорь сдвинется. Датчиками зафиксируется его движение и подастся сигнал для следующей коммутации.
  2. Катушки «А» отключается, и положительный импульс идет на «С» («В» остается без изменения), далее подается сигнал на следующий набор импульсов.
  3. На «С» — положительный, «А» — отрицательный.
  4. Работает пара «В» и «А», на которые поступают положительный и отрицательный импульсы.
  5. Положительный импульс повторно подается на «В», и отрицательный на «С».
  6. Включаются катушки «А» (подается +) и повторяется отрицательный импульс на «С». Далее цикл повторяется.

В кажущейся простоте управления есть масса сложностей. Нужно не только отслеживать положение якоря, чтобы произвести следующую серию импульсов, а и управлять частотой вращения, регулируя ток в катушках. Помимо этого следует выбрать наиболее оптимальные параметры для разгона и торможения. Стоит также не забывать, что контроллер должен быть оснащен блоком, позволяющим управлять его работой. Внешний вид такого многофункционального устройства можно увидеть на рисунке 8.

Многофункциональный контроллер управления бесколлекторным двигателем

Рис. 8. Многофункциональный контроллер управления бесколлекторным двигателем

Преимущества и недостатки

Электрический бесколлекторный двигатель имеет много достоинств, а именно:

  • Срок службы значительно дольше, чем у обычных коллекторных аналогов.
  • Высокий КПД.
  • Быстрый набор максимальной скорости вращения.
  • Он более мощный, чем КД.
  • Отсутствие искр при работе позволяет использовать привод в пожароопасных условиях.
  • Не требуется дополнительное охлаждение.
  • Простая эксплуатация.

Теперь рассмотрим минусы. Существенный недостаток, который ограничивает использование БД – их относительно высокая стоимость (с учетом цены драйвера). К числу неудобств следует отнести невозможность использования БД без драйвера, даже для краткосрочного включения, например, чтобы проверить работоспособность. Проблемный ремонт, особенно если требуется перемотка.

Источник