Контроллер бесколлекторного двигателя принцип работы

Принцип работы БДКП

В бесколлекторном электродвигателе роль механического коммутатора выполняет электронный преобразователь. Это позволяет осуществить «вывернутая наизнанку» схема БДКП — его обмотки расположены на статоре, что исключает необходимость в коллекторе.

Иными словами, основное принципиальное различие между классическим двигателем и БДКП в том, что вместо стационарных магнитов и вращающихся катушек последний состоит из неподвижных обмоток и вращающихся магнитов. Несмотря на то что сама коммутация в нём происходит похожим образом, её физическая реализация в бесщёточных приводах гораздо более сложна.

Принцип работы коллекторного мотора

Электрический ток (DC или direct current), поступая на обмотки якоря (в зависимости от их количества на каждую по очереди) создает в них электромагнитное поле, которое с одной стороны имеет южный полюс, а с другой стороны северный.

Многие знают, что, если взять два любых магнита и приставить их одноименными полюсами друг другу, то они не за что не сойдутся, а если приставить разноименными, то они прилипнут так, что не всегда возможно их разъединить.

Так вот, это электромагнитное поле, которое возникает в любой из обмоток якоря, взаимодействуя с каждым из полюсов магнитов статора, приводит в действие (вращение) сам якорь. Далее ток, через коллектор и щетки переходит к следующей обмотке и так последовательно, переходя от одной обмотки якоря к другой, вал электродвигателя совместно с якорем вращается, но лишь до тех пор, пока к нему подается напряжение.

В стандартном коллекторном моторе якорь имеет три полюса (три обмотки) – это сделано для того чтобы движок не «залипал» в одном положении.

Минусы коллекторных моторов

Сами по себе коллекторные моторы неплохо справляются со своей работой, но это лишь до того момента пока не возникает необходимость получить от них на выходе максимально высокие обороты. Все дело в тех самых щетках, о которых упоминалось выше. Так как они всегда находятся в плотном контакте с коллектором, то в результате высоких оборотов в месте их соприкосновения возникает трение, которое в дальнейшем вызовет скорый износ обоих и в последствии приведёт к потере эффективной мощности эл. двигателя. Это самый весомый минус таких моторов, который сводит на нет все его положительные качества.

Принцип работы бесколлекторного мотора

Здесь все наоборот, у моторов бесколлекторного типа отсутствуют как щетки так и коллектор. Магниты в них располагаются строго вокруг вала и выполняют функцию ротора. Обмотки, которые имеют уже несколько магнитных полюсов, размещаются вокруг него. На роторе бесколлектоных моторов устанавливается так называемый сенсор (датчик) который будет контролировать его положение и передавать эту информацию процессору который работает в купе с регулятором скорости вращения (обмен данными о положении ротора происходит более 100 раз в секунду). На выходе мы получаем более плавную работу самого мотора с максимальной отдачей.

Бесколлекторные моторы могут быть с датчиком (сенсором) и без него. Отсутствие датчика незначительно снижает эффективность работы мотора, поэтому их отсутствие вряд ли расстроит новичка, но зато, приятно удивит ценник. Отличить друг от друга их просто. У моторов с датчиком, помимо 3-х толстых проводов питания есть еще дополнительный шлейф из тонких, которые идут к регулятору скорости. Не стоит гнаться за моторами с датчиком как новичку так и любителю, т.к их потенциал оценит только профи, а остальные просто переплатят, причем значительно.

Другие сравнения

При сопоставлении коллекторных и асинхронных двигателей одинаковой мощности, вне зависимости от номинальной частоты последних, получается разная характеристика. Далее это будет описано подробнее. Универсальный коллекторный электродвигатель реализует «мягкую» характеристику. В данном случае момент прямо пропорционален нагрузке на валу, при этом обороты обратно пропорциональны ей. Номинальный момент обычно меньше максимального в 3-5 раз. Ограничение оборотов холостого хода характеризуется исключительно потерями в двигателе, при этом при включении мощного агрегата без нагрузки он может разрушиться.

Характеристикой асинхронного двигателя является «вентиляторная», то есть агрегат поддерживает частоту вращения, приближенную к номинальной, увеличивая момент максимально резко при незначительном снижении оборотов. Если речь идет о значительном изменении этого показателя, то момент двигателя не только не растет, но и падает до нулевой отметки, что приводит к полной остановке. Обороты холостого хода немного превышают номинальные, при этом остаются постоянными. Характеристикой однофазного асинхронного двигателя является дополнительный набор проблем, сопряженных с запуском, так как он не развивает пускового момента в нормальных условиях. Магнитное поле однофазного статора, пульсирующее во времени, распадается на два поля с противоположными фазами, из-за чего пуск без всевозможных ухищрений становится невозможным:

— емкость, создающая искусственную фазу;

— расщепленный паз;

— активное сопротивление, формирующее искусственную фазу.

Теоретически поле, вращающееся в противофазе, снижает максимальный КПД однофазного асинхронного агрегата до 50-60% из-за потерь в перенасыщенной магнитной системе и обмотках, нагружаемых токами противополя. Получается, что на одном валу находятся две электрические машины, при этом одна работает в двигательном режиме, а вторая – режиме противовключения. Получается, что электродвигатели однофазные коллекторные не знают конкурентов в соответствующих сетях. Чем и заслужили столь высокую популярность.

Механические характеристики электродвигателя обеспечивает ему определенную сферу использования. Малые обороты, ограниченные частотой сети переменного тока, делают асинхронные агрегаты аналогичной мощности большими по весу и размеру в сравнении с универсальными коллекторными. Однако при включении в цепь питания инвертора с высокой частотой можно добиться соизмеримых размеров и веса. Остается жесткость механической характеристики электродвигателя, к которой добавляются потери на токопреобразование, а также увеличение частоты, повышаются магнитные и индуктивные потери.

Конструкции и типы синхронного электродвигателя с постоянными магнитами

Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор – неподвижная часть, ротор – вращающаяся часть.

Синхронный электродвигатель со встроенными постоянными магнитами

Обычно ротор располагается внутри статора электродвигателя, также существуют конструкции с внешним ротором – электродвигатели обращенного типа.

Конструкции синхронного двигателя с постоянными магнитами: слева – стандартная, справа обращенная.

Ротор состоит из постоянных магнитов. В качестве постоянных магнитов используются материалы с высокой коэрцитивной силой.

• По конструкции ротора синхронные двигатели делятся на:
• электродвигатели с явно выраженными полюсами;
• электродвигатели с неявно выраженными полюсами.

Электродвигатель с неявно выраженными полюсами имеет равную индуктивность по продольной и поперечной осям L_d = L_q, тогда как у электродвигателя с явно выраженными полюсами поперечная индуктивность не равна продольной L_q ≠ L_d.

Сечение роторов с разным отношением Ld/Lq. Черным обозначены магниты. На рисунке д, е представлены аксиально-расслоенные роторы, на рисунке в и з изображены роторы с барьерами.

• Также по конструкции ротора СДПМ делятся на:
• синхронный двигатель c поверхностной установкой постоянных магнитов(англ. SPMSM – surface permanent magnet synchronous motor);
• синхронный двигатель со встроенными (инкорпорированными) магнитами(англ. IPMSM – interior permanent magnet synchronous motor).

Ротор синхронного двигателя c поверхностной установкой постоянных магнитов

Ротор синхронного двигателя со встроенными магнитами

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Наиболее распространены конструкции с двух- и трехфазной обмоткой.

• В зависимости от конструкции статора синхронный двигатель с постоянными магнитами бывает:
• с распределенной обмоткой;
• с сосредоточенной обмоткой.

Статор электродвигателя с распределенной обмоткой

Статор электродвигателя с сосредоточенной обмоткой

Распределенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 2, 3,…., k.

Сосредоточенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 1. При этом пазы расположены равномерно по окружности статора. Две катушки, образующие обмотку, можно соединить как последовательно, так и параллельно. Основной недостаток таких обмоток – невозможность влияния на форму кривой ЭДС .

Схема трехфазной распределенной обмотки

Схема трехфазной сосредоточенной обмотки

Форма обратной ЭДС электродвигателя может быть:
трапецеидальная;
синусоидальная.

Форма кривой ЭДС в проводнике определяется кривой распределения магнитной индукции в зазоре по окружности статора.

Известно, что магнитная индукция в зазоре под явно выраженным полюсом ротора имеет трапециидальную форму. Такую же форму имеет и наводимая в проводнике ЭДС. Если необходимо создать синусоидальную ЭДС, то полюсным наконечникам придают такую форму, при которой кривая распределения индукции была бы близка к синусоидальной. Этому способствуют скосы полюсных наконечников ротора .

Однофазный электродвигатель: устройство и принцип работы

Использующий после пуска только одну обмотку статора (фазу) и не нуждающийся в частном преобразователе электродвигатель, работающий от электросети однофазного переменного тока, является асинхронным или однофазовым.

Однофазовый электродвигатель имеет вращающуюся часть – ротор и неподвижную – статор, который и создает магнитное поле, необходимое для вращения ротора.

Из двух, расположенных в сердечнике статора друг к другу под углом 90 градусов обмоток, рабочая занимает 2/3 пазов. Другая обмотка, на долю которой приходится 1/3 пазов, называется пусковой (вспомогательной).

Ротор – это тоже короткозамкнутая обмотка. Его стержни из алюминия или меди замкнуты с торцов кольцом, а пространство между ними залито алюминиевым сплавом. Может быть выполнен ротор в виде полого ферромагнитного или немагнитного цилиндра.

Однофазный электродвигатель, мощность которого может быть от десятков ватт до десятка киловатт, применяются в бытовых приборах, устанавливаются в деревообрабатывающих станках, на транспортерах, в компрессорах и насосах. Преимущество их – возможность использования в помещениях, где нет трехфазной сети. По конструкции они не сильно отличаются от электродвигателей асинхронных трехфазного тока.

Части электродвигателя

Основные два элемента, которые в наибольшей степени характеризуют электрический двигатель это статор и ротор. Именно ротор электрической машины вращается в агрегате под воздействием магнитного поля, возникающего в статоре

Это магнитное поле создается непосредственно под влиянием третьего по важности компонента электромотора, его обмотке. Для создания магнитного поля необходимо соблюдение трех основных условий:

1. Наличие не менее двух обмоток
2. Обязательное отличие по фазам тока в обмотках
3. Смещение оси обмоток в пространстве

Наличие в статоре двух обмоток говорит о том, что электродвигатель однофазный, а три обмотки характеризуют трехфазный электродвигатель.

Четвертый основной элемент любого электродвигателя это его корпус. Он изготавливается из сплава алюминия или из чугуна в зависимости от особенностей использования агрегата и высоты оси его вращения.

Ротор эл двигателя запрессовывается на вал под действием специального технологического процесса, его сердечник состоит из прессованных стальных листов, в пазы которого заливается металл, образуя стержни. С помощью торцевых колец эти стержни замыкаются накоротко. Название такой конструкции «беличья клетка». По краям корпуса находятся подшипниковые щиты, в которых, в свою очередь устанавливаются различные подшипники в зависимости от конструкции электродвигателя и особенностей его применения.

На заднем подшипниковом щите устанавливается вентилятор для охлаждения мотора, который закрывается защитным кожухом предотвращающим попадание инородных частиц. При работе от частотно регулируемого привода дополнительно устанавливается узел принудительной вентиляции.

В зависимости от способа установки электродвигателя он может иметь фланец с приводной стороны, а может и не иметь, при условии установки его только на лапы. На электродвигатели, которые требуют торможения,электромагнитный тормоз дополнительно устанавливается на общепромышленный электродвигатель. О дополнительных модификациях электродвигателей читайте в этой статье.

Для подключения двигателя используется коробка выводов или БОРНО, которая по умолчанию устанавливается в верхней части агрегата. Если того требует особенность установки , БОРНО можно разместить на боковой поверхности электромотора. Либо переставить лапы двигателя на боковую поверхность, что обеспечит расположение коробки выводов на боковой плоскости. Такая манипуляция возможна только на двигателях в алюминиевом корпусе.

Принцип работы

Вентильный бесколлекторный двигатель ВМЭД, ДВУ является одним из видов электрического двигателя, который индуцирует непостоянные магнитные полюса на ферромагнитном роторе. Крутящий момент создается за счет магнитного сопротивления.

Фото – Бесколлекторный вентильный двигатель

Вентильные двигатели бывают трех типов:

1. Синхронный;
2. Асинхронный;
3. Индукторный.

Конструкция вентильно-реактивного двигателя (ВРД) включает в себя две фазные обмотки, установленные вокруг диаметрально противоположных полюсов статора. При подаче питания ротор движется в соответствии с полюсами статора, благодаря чему, сопротивление магнитного поля сводится к минимуму. В основе работы вентильно индукторного двигателя используется тот же принцип.

Фото – Вентильный двигатель

В высокоэффективной переменной скорости привода магнетизм двигателя оптимизирован для работы с реверсом. Информация о положении ротора используется для управления фазы подачи напряжения. Благодаря этому обеспечивается непрерывный крутящий момент и высокая эффективность. Сигналы накладываются на угловую ненасыщенную фазу индуктивности, при этом ее максимальная величина соответствует минимальному сопротивлению полюса. Положительный момент производится только при углах, когда индуктивность градиента также является положительной.

Для защиты электроники от высоких вольт-секунд фазный ток на низких скоростях необходимо ограничивать. Как правило, это достигается за счет гистерезиса тока. Для контроля процесса используются специальные датчики.

Фото – Схема вентильного двигателя

На более высоких скоростях ток ограничен. Чтобы оптимизировать производительность, управляющее напряжение одиночного импульса используют с заранее выровненным углом.

Траектория реактивной энергии наглядно иллюстрирует механизм ее преобразования. Мощностная область представляет собой питание, которое преобразуется в механическую энергию (или она уже была преобразована генератором). При резком отключении питания остаточная или избыточная энергия возвращается к статору. Минимальное влияние магнитного поля на работу двигателя является его основным отличием от аналогичных устройств.

Преимущества вентильного двигателя:

1. Благодаря небольшому магнитному сопротивлению минимизируются потери энергии;
2. Высокие показатели безопасности (возможность работы при пиковых нагрузках);
3. Широкий диапазон скоростей;
4. Мягкое переключение скоростей.

К числу недостатков автоматизированных вентильных электродвигателей можно причислить:

1. Высокий уровень шума;
2. Сложно управление;
3. Относительно высокая стоимость, по сравнению с аналогичными устройствами.

Видео: из чего состоят вентильные двигатели

https://youtube.com/watch?v=fSt8Gcpj3zA

Обозначения бесколлекторных моторов[править]

бессколлекторных моторов

Часто обозначение бесколлекторного мотора тесно связано с его геометрическими и электрическими параметрами.

Рассмотрим обозначение на примере мотора: Tower Pro 2408-21T

• первые две цифры (24) — обозначают диаметр статора (иногда ротора) в мм
• вторые две цифры (08) — обозначают длину каждого магнита в моторе в мм
• далее может следовать одна или две цифры (21) — это количество витков на каждом зубе статора
• еще бывает в конце буква T (или символ Δ) — обозначающий намотку типа «дельта» («треугольник») ИЛИ буква Y (или символ *) — говорящий о намотке типа «звезда».

При большем диаметре ротора (статора) получается больший крутящий момент, при прочих равных условиях. Длина магнитов, также как и диаметр ротора, влияет на крутящий момент мотора.

С витками работает соотношение: «меньше витки — больше обороты». Если необходимо поставить небольшой винт и получить высокие обороты, то необходимо выбирать мотор с небольшим количеством витков. Если задача крутить большой винт на небольших оборотах (Slow Flyer) — следует выбирать мотор с большим количеством витков.

Отличия коллекторного и бесколлекторного двигателя

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

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.

Виды электродвигателей и их особенности

Экономичность и надежность оборудования напрямую зависят от электродвигателя, поэтому его выбор требует серьезного подхода.

Посредством электродвигателя электрическая энергия преобразуется в механическую. Мощность, количество оборотов в минуту, напряжение и тип питания являются основными показателями электродвигателей. Также, большое значение имеют массогабаритные и энергетические показатели.

Электродвигатели обладают большими преимуществами. Так, по сравнению с тепловыми двигателями сопоставимой мощности, по размеру электрические двигатели намного компактнее. Они прекрасно подходят для установки на небольших площадках, например в оборудовании трамваев, электровозов и на станках различного назначения.

При их использовании не выделяется пар и продукты распада, что обеспечивает экологическую чистоту. Электродвигатели делятся на двигатели постоянного и переменного тока, шаговые электродвигатели, серводвигатели и линейные.

Электродвигатели переменного тока, в свою очередь, подразделяются на синхронные и асинхронные.

• Электродвигатели постоянного токаИспользуются для создания регулируемых электроприводов с высокими динамическими и эксплуатационными показателями. К таким показателям относятся высокая равномерность вращения и перезагрузочная способность. Их используют для комплектации бумагоделательных, красильно-отделочных и подъемно-транспортных машин, для полимерного оборудования, буровых станков и вспомогательных агрегатов экскаваторов. Часто они применяются для оснащения всех видов электротранспорта.
• Электродвигатели переменного токаПользуются более высоким спросом, чем двигатели постоянного тока. Их часто используют в быту и в промышленности. Их производство намного дешевле, конструкция проще и надежнее, а эксплуатация достаточно проста. Практически вся домашняя бытовая техника оборудована электродвигателями переменного тока. Их используют в стиральных машинах, кухонных вытяжных устройствах и т.д. В крупной промышленности с их помощью приводится в движение станковое оборудование, лебедки для перемещения тяжелого груза, компрессоры, гидравлические и пневматические насосы и промышленные вентиляторы.
• Шаговые электродвигателиДействуют по принципу преобразования электрических импульсов в механическое перемещение дискретного характера. Большинство офисной и компьютерной техники оборудовано ими. Такие двигатели очень малы, но высокопродуктивны. Иногда и востребованы в отдельных отраслях промышленности.
• СерводвигателиОтносятся к двигателям постоянного тока. Они высокотехнологичны. Их работа осуществляется посредством использования отрицательной обратной связи. Такой двигатель отличается особой мощностью и способен развивать высокую скорость вращения вала, регулировка которого осуществляется с помощью компьютерного обеспечения. Такая функция делает его востребованным при оборудовании поточных линий и в современных промышленных станках.
• Линейные электродвигателиОбладают уникальной способностью прямолинейного перемещения ротора и статора относительно друг друга. Такие двигатели незаменимы для работы механизмов, действие которых основано на поступательном и возвратно-поступательном движении рабочих органов. Использование линейного электродвигателя способно повысить надежность и экономичность механизма благодаря тому, что значительно упрощает его деятельность и почти полностью исключает механическую передачу.
• Синхронные двигателиЯвляются разновидностью электродвигателей переменного тока. Частота вращения их ротора равняется частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре. Их используют для компрессоров, крупных вентиляторов, насосов и генераторов постоянного тока, так как они работают с постоянной скоростью.
• Асинхронные двигателиТакже, относятся к категории электродвигателей переменного тока. Частота вращения их ротора отличается от частоты вращения магнитного поля, которое создается током обмотки статора. Асинхронные двигатели разделяются на два типа, в зависимости от конструкции ротора: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором. Конструкция статора в обоих видах одинакова, различие только в обмотке.

Электродвигатели незаменимы в современном мире. Благодаря им значительно облегчается работа людей. Их использование помогает снизить затрату человеческих сил и сделать повседневную жизнь намного комфортнее.

Достоинства и недостатки

По сравнению с обычными двигателями БДПТ имеют следующие достоинства:

• большой кпд;
• высокое быстродействие;
• возможность изменения частоты вращения;
• отсутствие искрящих щеток;
• малые шумы, как в звуковом, так и высокочастотном диапазонах;
• надежность;
• способность противостоять перегрузкам по моменту;
• отличное соотношение габаритов и мощности.

Бесколлекторный двигатель отличается большим кпд. Он может достигать 93-95%.

Высокая надежность механической части БД объясняется тем, что в нем используются шарикоподшипники и отсутствуют щетки. Размагничивание постоянных магнитов происходит довольно медленно, особенно, если они выполнены с использованием редкоземельных элементов. При использовании в контроллере защиты по току срок службы этого узла довольно высок. Фактически срок службы БДПТ может определяться сроком службы шарикоподшипников.

Недостатками БДПТ является сложность системы управления и высокая стоимость.

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).

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.