Avtoargon.ru

АвтоАргон
3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Бесколлекторный двигатель – устройство, принцип работы и управление

Бесколлекторный двигатель – устройство, принцип работы и управление

Содержание

  1. Преимущества бесколлекторного двигателя
  2. Как работает бесколлекторный двигатель постоянного тока
  3. Управление бесколлекторным двигателем постоянного тока

Бесколлекторные двигатели применяются в самых разных областях, так как это надежные, долговечные и стойкие к поломкам агрегаты. В быту чаще всего используется двигатель постоянного тока на 12 вольт, но бывают модели с большей мощностью.

Преимущества бесколлекторного двигателя

По сравнению со своими коллекторными «собратьями» бесколлекторные механизмы обладают некоторыми преимуществами:

  • Компактность и небольшой вес. Двигатели можно установить на маленькие устройства.
  • Очень высокий КПД. Их использование выгодно.
  • Отсутствие контактов переключения и крутящего момента. Поскольку функции постоянных магнитов выполняют транзисторы МОП, источники потерь отсутствуют.
  • Отсутствие стирающихся и ломающихся элементов.
  • Широкий диапазон изменения скорости вращения.
  • Способность переносить большую нагрузку по моменту.

Бесколлекторный двигатель оснащается электронным блоком управления, который стоит достаточно дорого – это, пожалуй, единственный его недостаток.

Как работает бесколлекторный двигатель постоянного тока

Принцип работы бесколлекторного двигателя постоянного тока тот же, что и у агрегатов других моделей. Но, как видно из названия, основная особенность механизма – отсутствие коллектора (этот узел сложен, тяжел, требует обслуживания и может искрить). Роль ротора выполняет шпиндель, вокруг которого установлены проволочные обмотки с разными магнитными полями. Количество прямоугольных магнитов, установленных у ротора, может быть разным, но обязательно четным (как и число полюсов). В случае если несколько магнитов составляют один полюс, число полюсов меньше числа магнитов.

Вращение достигается благодаря смене направления магнитного поля в определенной последовательности. Взаимодействуя с магнитными полями ротора, постоянные магниты приводят статор в движение. От их мощности зависит момент силы.

Управление бесколлекторным двигателем постоянного тока

В двигателях подобного типа управление коммутацией осуществляется с помощью электроники. Регуляторы хода бывают двух видов:

  • Без датчиков, используемые при отсутствии существенного изменения пускового момента или необходимости в управлении позиционированием (в вентиляторе). Широкое распространение этого вида регуляторов объясняется простотой их изготовления.
  • С датчиками, устанавливаемые в агрегатах с существенным варьированием пускового момента (в низкооборотистых механизмах).

Положение ротора при подаче токовых сил на обмотки определяется электронной системой и датчиком положения. Наиболее распространены следующие типы датчиков:

  • Датчик Холла. Этот узел изменяет свои выводы при переключении обмоток. Для измерения тока и частоты вращения применяется устройство с разомкнутым контуром. К датчику присоединяются три ввода. При изменении показаний запускается переработка прерывания. Если нужно обеспечить быстрое реагирование обработки прерывания, датчик следует подключить к младшим выводам порта.
  • Датчик положения с микроконтроллером. Управление бесколлекторным двигателем постоянного тока осуществляется с помощью AVR ядра (чипа для выполнения тех или иных задач). Программа, вшитая в плату AVR, максимально быстро запускает двигатель при отсутствии дополнительных внешних приборов и управляет скоростью.
  • Система arduino. Эта аппаратная вычислительная платформа представляет собой плату, состоящую из микроконтроллера Atmel AVR и элементарной обвязки программирования. Ее задача – конвертирование сигналов с одного уровня на другой. Нужную программу можно установить через USB.

Для устранения погрешностей в определении положении ротора, провода при подключении контроллера делают максимально короткими (12-16 см). Среди программных настроек контроллеров можно перечислить:

  • смену направления;
  • плавное выключение и торможение;
  • ограничение тока;
  • опережение КПД и мощности;
  • жесткое/плавное выключение;
  • быстрый/жесткий/мягкий старт;
  • режим газа.

Некоторые модели контроллеров содержат драйвера двигателя, что дает возможность его запуска напрямую, без установки дополнительных драйверов.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока

Бесколлекторные двигателя постоянного тока (БДПТ) с возбуждением от постоянных магнитов (Brush-less Direct Current Motor with Permanent Magnets) часто еще называют вентильными двигателями (ВД). При контроле и преобразовании координаты положения ИМ их принято называть сервоприводами постоянного тока.

Эта машина по своей конструкции ничем не отличается от классического синхронного двигателя с постоянными магнитами (СДПМ), изменен лишь принцип питания. Если СДПМ питается от источника переменного тока или напряжения, как правило, формируемого при помощи ШИМ, то ВД – трапециидальным напряжением, питающим соответствующие фазы двигателя, и переключаемым по мере поворота ротора.

Являются приводами ЭИМ с переменной скоростью. Функциональная схема электродвигателя приведена на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Функциональная схема БДПТ

Представленный БДПТ состоит из статора с трехфазной обмоткой, соединенной в звезду, и возбужденного ротора в виде постоянного магнита, а также датчика положения ротора, выполненного в одном корпусе с двигателем. Датчик положения ротора выполнен с одним сигнальным элементом и тремя чувствительными элементами. Число чувствительных элементов равно числу обмоток статора. Датчик положения ротора предназначен для выработки сигналов управления моментами времени и последовательностью коммутации токов в обмотках статора.

Управление двигателем основано на принципе частотного регулирования с самосинхронизацией, суть которого заключается в управлении вектором магнитного поля статора в зависимости от положения ротора. Данный тип двигателей был создан с целью улучшения свойств коллекторных электродвигателей постоянного тока.

Бесколлекторный двигатель объединяет в себе лучшие качества бесконтактных двигателей и двигателей постоянного тока.

Основными достоинства вентильных двигателей являются:

– высокие быстродействие и точность позиционирования;

– широкий диапазон изменения частоты вращения;

– большая перегрузочная способность по моменту;

– большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов;

– низкий перегрев электродвигателя при работе в режимах с возможными перегрузками;

– высокая надежность работы, поскольку отсутствует щеточный узел;

– большой ресурс электродвигателя ограничен, практически, только ресурсом подшипников;

– линейность регулировочной характеристики и меньший уровень электромагнитного шума по сравнению с коллекторными двигателями постоянного тока;

– применение в конструкции электродвигателя балансировочных колец потенциально может обеспечить стабильность работы при очень высоких
скоростях вращения (десятки тысяч оборотов в мин).

– отсутствие искрообразующих элементов и, как следствие, высокая взрывобезопасность делают бесколлекторные идеальным силовым элементом в запорном оборудовании нефте- и газопроводов.

Бесколлекторные двигатели не имеют недостатков, присущих асинхронным двигателям (потребление реактивной мощности, потери в роторе) и синхронным двигателям (пульсация частоты вращения, выпадение из синхронизма). В отличие от шаговых двигателей БДПТ не требует сложных схем управления.

Как и у коллекторных двигателей, момент бесколлекторных двигателей прямо пропорционален току, а скорость зависит от напряжения питания и нагружающего момента.

СУИМ на основе БДПТ находят широкое применения в робототехнике, поскольку наличие встроенного датчика угла поворота позволяет создавать обратную связь по положению рабочих органов и делает бесколлекторный двигатель удобным при построении систем автоматического управления.

БДПТ на Российском рынке представлены несколькими сериями, в частности, сериями FL42BLS (питание напряжением

24 В), FL57BL(S) (питание напряжением

36 В), FL86BLS (питание напряжением

48 В) мощностью от 26 до 660 Вт и скоростью вращения 3-4 тыс. об/мин. Серии FL57BL-JB и FL86BLS-JB имеют встроенный редуктор с коэффициентом редукции от 20 до 1333), некоторые серии имеют встроенные блоки управления (драйверы), формирующие управляющие сигналы «Разрешение», «Направление» и «Торможение».

БДПТ поставляются НПФ «Stepmotor», НПФ «Электропривод», НПО «Атом» и др.

В табл. 4.1, 4.2 приведены характеристики бесколлекторных электродвигателей двух серий – FL42BL и FL86BL

Внешний вид бесколлекторного электродвигателя FL86BLS58 приведен на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Внешний вид БДПТ FL86BLS58

Характеристики бесколлекторных электродвигателей FL42BL Таблица 4.1.

ХарактеристикиFL42BLS01FL42BLS02FL42BLS03FL42BLS04
Напряжение питания, В
Максимальный потребляемый ток, А5,410,615,5
Мощность, на выходном валу, Вт52,577,5
Номинальная скорость, об/мин
Номинальный крутящий момент, кг• см0,621,251,852,5
Максимальный крутящий момент, кг• см1,93,85,67,5
Сопротивление между линиями, Ом1,00,80,550,28
Индуктивность между линиями, мГн2,61,20,80,54
ЭДС обратной связи, В/1000об/мин3,663,723,763,94
Момент инерции ротора, г•см2
Длина L, мм
Источник питанияH150S24H300S24H1000S24H1000S24

Характеристики бесколлекторных электродвигателей FL86BL Таблица 4.2.

ХарактеристикиFL86BLS58FL86BLS71FL86BLS98FL86BLS125
Напряжение питания, В
Максимальный потребляемый ток, А
Мощность, на выходном валу, Вт
Номинальная скорость, об/мин
Номинальный крутящий момент, кг• см3,57,014,021,0
Максимальный крутящий момент, кг• см10,521,042,063,0
Сопротивление между линиями, Ом1,050,360,20,16
Индуктивность между линиями, мГн2,21,050,480,3
ЭДС обратной связи, В/1000об/мин10,511,513,511,5
Момент инерции ротора, г•см2
Длина L, мм
Источник питанияU500S48H1000S48
Читать еще:  Шевроле кобальт 2013 технические характеристики двигателя

Датчик положения ротора выполнен на основе датчиков Холла. В табл. 4.3 приведено назначение выводов кабеля БДПТ (см. рис. 4.8).

Назначение выводов кабеля Таблица 4.3.

КрасныйВыводПитание датчика Холла
СинийХолл AФазы датчика Холла
ЗеленыйХолл B
БелыйХолл C
ЧерныйGNDЗаземление датчика Холла
ЖелтыйФаза UФазы двигателя (обмотки статора соединены треугольником)
КрасныйФаза V
ЧерныйФаза W

При математическом описании БДПТ примем во внимание следующее:

– процессами коммутации фаз статора можно пренебречь, поскольку переключения осуществляются бесконтактными ключами;

– быстродействие БДПТ много выше, чем быстродействие ИМ (быстродействие изменения положения РО;

– быстродействие БДПТ много выше, чем быстродействие изменения технологических координат СУИМ (температуры, давления, расхода, уровня и др.);

– механическая характеристика двигателя жесткая, что позволяет считать изменение скорости вращения пропорциональным изменению действующего значения напряжения или частоты коммутации обмоток статора.

С учетом изложенного математическую модель привода можно рассматривать безынерционной пропорциональной, т.е. передаточная функция БДПТ имеет вид

, (4.17)

где – скорость вращения электродвигателя, рад/с;

– действующее значение напряжения питания статора, В;

– коэффициент передачи БДПТ, рад/В˖с.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

В чем разница между щеточными и бесщеточными двигателями?

Все чаще на просторах интернет-магазинов можно найти инструменты с двумя типами двигателей. Инструменты и садовая техника WORX также не отстают от современных трендов при производстве техники, так что на нашем сайте вы тоже можете найти специальную характеристику двигателя — щеточный или бесщеточный. Так что же это за характеристика, на что она влияет и в чем принципиальные отличия инструментов с тем или иным двигателем? Давайте разбираться.

Устройство и принцип действия щеточного двигателя

Щеточный двигатель по-другому еще называется коллекторным. Состоит двигатель из нескольких важных частей.

Ротор — по-другому, якорь. Как раз он вращается внутри и преобразует электрическую энергию в механическую. Якорь обмотан медной проволокой (обмоткой) с разных сторон ротора. За счет прохождения тока через проволоку создается магнитное поле, которое в свою очередь и создает вращение элемента.

На обмотке в бесщеточном двигателе установлен коммутатор, который используется для переключения с одной обмотки на другую, что позволяет менять направление вращения ротора. Этот коммутатор и есть коллектор, от которого взял свое название двигатель.

Чтобы напряжение передалось на обмотки, а ток прошел через коллектор в двигатель устанавливаются специальные щетки. Щетки обычно состоят из графита; они всегда контактируют с коммутатором и обеспечивают подачу энергии к катушкам с обмоткой. Есть две щетки, и каждая из них подключается к противоположному полюсу батареи. Это гарантирует, что при вращении ротора ток, протекающий к катушкам, постоянно меняет направление. Это приводит к необходимому изменению магнитного поля, которое позволяет ротору продолжать вращаться.

Все вышеописанные элементы установлены в статор. Статор — неподвижных элемент двигателя, в котором могут быть либо еще одна катушка с проволокой, либо постоянный магнит. За счет того или другого элемента и создается магнитное поле обратной полярности ротору, из-за чего тот вращается.

Коллекторные двигатели могут работать от переменного напряжения, так как при смене полярности ток в обмотках возбуждения и якоря также меняет направление, в результате чего вращательный момент не меняет своего направления.

Плюсы и минусы щеточного двигателя

Так мы с вами вкратце разобрались с устройством щеточного двигателя. Теперь в чем же его плюсы и минусы?

Плюсы

Минусы

Устройство и принцип действия бесщеточного двигателя

Теперь давайте разберем принцип работы бесщеточного двигателя. Как понятно из названия, его принципиальное отличие в отсутствии щеток. Но как же он тогда работает? Как нужная энергия поступает в двигатель?

В устройстве бесщеточного двигателя также присутствует ротор и статор — основные элементы любого мотора. Но при этом отсутствует коллектор, соответственно и двигатель по-другому называется бесколлекторным. Если у щеточного двигателя работа происходит за счет электро-механической смены полярности, то в бесщеточном двигателе все работает благодаря электромагнитной индукции. Также отличается местоположение обмотки — здесь она располагается на статоре, в отличие от предыдущего вида двигателя.

Вместо щеток и коллектора в бесщеточном двигателе установлены датчики Холла и контроллер, который контролирует подачу напряжения на катушки для создания индуктивности, а также положение ротора и скорость его вращения.

Когда плата подает на обмотку ток, создается тоже противоположное магнитное поле, и магниты на роторе начинают вращаться.

Еще одной особенностью бесщеточных двигателей нужно назвать их типы. Двигатели бывают двух типов — синхронный и асинхронный. В синхронном двигателе частота вращений ротора равна частоте вращений магнитного поля — то есть один оборот ротор совершает после одного полного прохождения тока через катушку. А в асинхронном двигателе обратная ситуация — частота вращений ротора меньше, чем частота вращения магнитного поля. То есть ток проходит через катушку быстрее.

Плюсы и минусы бесщеточного двигателя

Если с устройством бесщеточного двигателя мы разобрались, то теперь давайте рассмотрим положительные и отрицательные стороны инструментов с бесщеточными моторами.

Плюсы:

Минусы:

Но не бывает все настолько радужно. Даже у инструментов с бесщеточными двигателями есть и свои недостатки. Так сказать, ложка дегтя в бочке меда.

  1. К минусам, в первую очередь стоит отнести стоимость инструментов. Техника с бесщеточным мотором в цене дороже, чем упрощенные модели со щеточным двигателем.
  2. Вторым недостатком бесколлекторных инструментов может быть сложное и дорогое техническое обслуживание. Бесщеточный двигатель — технологичное устройство, для работы с которым нужны знания в микроэлектронике. К счастью, в сотрудники наших сервисных центров знают и умеют обслуживать бесколлекторные двигатели.

Итоги сравнения щеточного и бесщеточного двигателей

Если сравнивать инструменты с разными видами двигателей, то можно смело сказать, что техника с бесщеточным двигателем надежнее и мощнее. Но нужно учитывать тот факт, что ориентирована такая техника больше на профессиональные работы. В быту же и инструменты со щеточным двигателем отлично справятся со своими задачами. Потому перед покупкой инструмента заранее определите цели, для которых вы будете использовать инструменты.

В ассортименте компании WORX есть инструменты и со щеточными и с бесщеточными двигателями. Чтобы определить какой именно тип двигателя установлен в инструменте, обратите внимание на иллюстрацию в карточке товара — в бесщеточных моделях есть специальная пометка «BRUSHLESS MOTOR».

Принцип работы разных видов двигателей постоянного тока

Зарождение идеи о работе двигателя постоянного тока (ДПТ) появилось в начале XIX века. Известные физики Алессандро Вольта, М. Фарадей и П. Барлоу внесли в историю своё видение этого процесса. Изобретателем электромотора по праву принято считать Б. С. Якоби, ведь именно ему удалось изготовить устройство с вращающимся якорем, которое можно было применить на практике. Хотя первый двигатель был маломощным, но следующий уже приводил в движение лодку.

Устройство ДПТ

Основными частями электрической машины постоянного тока являются магниты и обмотка. К вспомогательным частям относятся корпус, сердечник, вал, коллектор, щёточный механизм. Все эти детали имеют своё назначение.

Сердечники подвижной и неподвижной частей изготавливаются не из целостной конструкции, а из листов электротехнической стали. Эта особенность строения даёт возможность практически устранить вихревые токи.

Прямой обязанностью коллектора является преобразование переменного тока, который вырабатывается в обмотке якоря, в постоянный. Коллектор — узел, характерный именно для машин постоянного тока. Но он одновременно и самый уязвимый, так как почти половина всех электромоторов выходит из строя в процессе работы именно по причине его поломки. Отсутствие коллектора в строении асинхронной или синхронной машины улучшает её надёжность. Это преимущество сохраняется как для трехфазных, так и для однофазных машин переменного тока.

Управление двигателем постоянного тока подразумевает изменение скорости его вращения, ведь основной его задачей является приведение в ход рабочих механизмов. Скорость вращения можно изменять тремя методами:

  • изменением напряжения, которое подводится;
  • изменением сопротивления в цепи якоря;
  • изменением магнитного потока в цепи возбуждения.

Классификация моторов ПТ

Различия между видами электромоторов заключаются в типе магнитов и способе возбуждения. Магниты могут быть как постоянными, так и электромагнитами. Преимущества постоянного магнита (в отличие от электромагнита):

  • компактность;
  • не требует источника энергии для работы.

Недостатками являются невозможность регулировки силы магнитного потока и размагничивание с течением времени.

Вид возбуждения ДПТ зависит от места присоединения обмотки полюсов. В связи с этим различают независимое возбуждение мотора (обмотка возбуждения питается от постороннего источника) и самовозбуждение (обмотка возбуждения присоединена к обмотке якоря). Двигатели с самовозбуждением носят более короткие названия:

  • шунтовые (параллельное соединение обмоток);
  • сериесные (последовательное соединение обмоток);
  • компаундные (смешанное соединение обмоток).
Читать еще:  Давление топливного насоса в инжекторном двигателе

Электромоторы применяются в различных областях промышленности и сельского хозяйства, а также бытовых установках. Их разнообразие велико. Основные типы ДПТ:

  • традиционного назначения;
  • специального назначения.

Особенности работы вентильных двигателей

Вентильные двигатели относятся к электрическим машинам специального назначения. Своим названием они обязаны применению в них устройств для выпрямления тока — вентилей. Достоинства вентильных электродвигателей:

  • изменение скорости вращения в широких пределах;
  • более высокий коэффициент полезного действия из-за уменьшения магнитных потерь вследствие малого магнитного сопротивления;
  • даже при пиковой нагрузке рабочие характеристики довольно неплохи.

Наряду с преимуществами, они имеют и некоторые недостатки. Но значение их не велико. Основными являются:

  • шумность;
  • управление требует определённой квалификации обслуживающего персонала;
  • высокая цена.

Области применения их различны: на производстве по добыче нефти, в химической промышленности и установках для бурения скважин.

Основная разница между вентильным и обычным двигателем заключается в конструкции. У вентильного нет некоторых привычных частей конструкции: коллектора и щёточного механизма. Вместо этого установлен коммутатор (инвертор), с помощью которого осуществляется управление вентильным двигателем. На инвертор поступает сигнал от датчика положения ротора.

Датчиками положения ротора могут быть трансформаторные или индуктивные бесконтактные элементы. Наиболее распространёнными являются датчики электродвижущей силы Холла. Такое устройство состоит из небольшой пластины полупроводникового материала. На ней находятся контактные звенья, к которым припаяны выводы, соединённые с источником питания. Выводы выходного сигнала также припаиваются к соответствующим звеньям пластины. Требованиями к датчикам положения ротора являются:

  • компактность;
  • минимальное значение мощности на входе;
  • большая кратность сигнала как максимального, так и минимального;
  • надёжная работа при любых условиях окружающей среды.

Коммутатор выполнен на полупроводниках. Его задача аналогична задаче щёточно-коллекторного узла в обычных двигателях и заключается в изменении направления тока. На сердечнике станины находится обмотка якоря, а на роторе — постоянный магнит. Такая конструкция устраняет возможность скольжения контакта на якоре.

У вентильного двигателя ток в фазах синусоидального вида. Возбуждение у него может быть двух видов:

  • электромагнитное;
  • магнитоэлектрическое.

При электромагнитном возбуждении обмотка возбуждения располагается на полюсах. Она подключается к сети благодаря контактным кольцам, размещённым на валу ротора. Таким образом, создание магнитного поля происходит электромагнитным путём.

В случае магнитоэлектрического возбуждения ни в цепи возбуждения, ни в якорной цепи скользящего контакта не будет. Постоянные магниты будут выступать в качестве полюсов. Эти двигатели называются бесколлекторными электродвигателями.

Свойства бесколлекторных приборов

Бесколлекторный двигатель постоянного тока (БДПТ) существенно отличается от вентильного двигателя. Его ток в фазах выглядит трапецеидально. БДПТ устроен более просто: широтно-импульсная модуляция заменена на коммутацию 120 или 180 градусов. Главными задачами безщеточного двигателя является точное положение ротора в необходимом промежутке и высокая скорость вращения.

Конструкция может быть двух видов: с магнитами на подвижной части (якоре) или неподвижной (статоре). В устройствах автоматики для охлаждения используются приводы с конструкцией магнитов на якоре. Характерной их особенностью является быстрое достижение высоких оборотов.

В системах оборудования для медицины распространено размещение магнитов на статоре. Эти микромашины называются высокомоментными двигателями. Скорость вращения у них не столь велика, но из-за отсутствия обмотки возбуждения и наличия постоянных магнитов они неплохо справляются с работой при перегрузках и сохраняют точность позиции в пространстве.

Сигнал на обмотки таких электромашин будет поступать от драйвера, задачей которого является управление вращающим моментом. Для того чтобы якорь повернулся на определённый угол, необходимо подать на нужные обмотки напряжение. Плавность вращения сохранить не удастся, но высокой скорости вращения добиться можно.

Разница между коллекторными и бесколлекторными двигателями состоит как в строении, так и в процессе работы. В контроллере коллекторные двигатели не нуждаются, а вот работа бесщеточного мотора без его участия недопустима. Достоинства бесщеточных двигателей:

  • возможность работы в условиях с различными характеристиками окружающей среды;
  • длительный срок использования;
  • надёжность в работе.

Недостатком является стоимость. Она довольно высока из-за наличия в строении полупроводникового коммутатора, постоянного магнита и чувствительных элементов.

Собрать вентильный или ДПТ своими руками — дело неблагодарное. Материалы, сложность работы и потраченное время будут стоить гораздо дороже, нежели потраченные средства на покупку двигателя заводского изготовления. Но надёжность и безопасность тоже будут в несколько раз выше.

Подбор этих электромашин необходимо проводить, опираясь на характеристики драйверов с каналами широтно-импульсной модуляции:

  • предельное напряжение при длительном использовании;
  • максимальная скорость вращения;
  • допустимая сила тока;
  • частота тока (обыкновенные устройства 7—8 кГц, более усовершенствованные модели — 16—32 кГц).

Главными звеньями при управлении бесколлекторным двигателем являются датчики положения. Сигнал с них передаётся на контроллер, и вследствие этого происходят переключения. Но возможна работа этих устройств и без датчиков. В этом случае играет роль перепад напряжения на обмотке, которая в определённый момент является нерабочей.

По количеству фаз многие моторы являются трехфазными, и для управления ими необходим дополнительный узел в устройстве — выпрямитель постоянного тока в трехфазный импульсный. Управление трехфазным бесщеточным двигателем постоянного тока также вызывает некоторые сложности из-за параллельного контроля нескольких параметров. Поскольку электрические машины устройства обратимые, то бесколлекторный мотор можно подключить как генератор.

Строение шагового типа оборудования

Разновидностью двигателей переменного тока специального назначения являются шаговые. Их иногда называют импульсными. Они относятся к синхронным электромоторам специального назначения. Принцип их работы состоит в том, что скачкообразные шаги на выходе получают благодаря импульсам напряжения на входе. Виды шаговых двигателей по виду ротора:

  • возбуждённые;
  • реактивные.

Строение устройства с активным ротором предполагает наличие в нём электромагнитов или постоянных магнитов. В двигателях с реактивным ротором обмотки возбуждения нет. Ротор изготавливается из магнитомягкого материала.

Обмотка управления находится на неподвижной части — статоре. По количеству фаз она может быть разной, но наиболее распространёнными являются трехфазные обмотки.

Принцип действия

Если у шагового двигателя на статоре имеется две пары полюсов с двумя обмотками управления, то его вращение будет зависеть от подачи напряжения на обмотку управления. При подаче сигнала на обмотку управления, которая находится на первой паре, ротор повернётся и займёт положение по ее оси. Когда на обмотке второй пары полюсов появится сигнал, ротору придётся занять положение между этими полюсами.

При отключении сигнала на обмотке первой пары и оставшемся сигнале на обмотке управления второй пары полюсов ротор повернётся на их ось. Таким образом, при вращении он как будто будет совершать шаги, поэтому и носит такое название. Шаги двигателя (угол поворота ротора) с двумя парами полюсов будут равняться 45 градусам. Система коммутации будет четырехтактной.

Для двухтактной системы коммутации при таком же количестве пар полюсов необходимо, чтобы сигнал поступал всегда только на одну определённую обмотку управления конкретной пары полюсов. Тогда и угол поворота ротора изменится и будет составлять 90 градусов.

Чтобы принцип работы шагового двигателя был понятен даже для чайников, необходимо обратить внимание на схему.

Ротор будет занимать положение в пространстве против той пары полюсов, на обмотке которой будет подано питание. Если же питание подано две на обмотки соседних полюсов, ротор займёт положение между ними. Чем меньше значение шага двигателя, тем точнее и устойчивее его работа.

Для работы шагового двигателя необходим коммутатор. Его задачей является превращение импульсов управления определённой последовательности в прямоугольные импульсы в системе с необходимым количеством фаз.

При большой нагрузке на двигатель точность поворота ротора будет нарушена. Он будет поворачиваться с некоторым отставанием, которое является углом статической ошибки. При холостом ходе шагового двигателя значение угла статической ошибки равно нулю.

Так как скорость протекания процессов работы обратно пропорциональна сопротивлению управляющих обмоток, то для того, чтобы ускорить вращение ротора, применяются резисторы. Их присоединяют последовательно в цепь управляющих обмоток статора. Оценивают экономичность работы по основному показателю — значению мощности на входе.

Выбор между коллекторными и бесщеточными BLDC-серводвигателями

Коллекторный и бесколлекторный двигатель

Чем отличаются коллекторные двигатели от бесколлекторных, главные преимущества и недостатки обоих типов.

Читать еще:  Passat b3 плавают обороты двигателя

В инженерном деле не существует идеальных решений, возможно, найти только оптимальное решение для конкретной прикладной задачи. Возможные технические решения для управления движением широко варьируются в зависимости от задач — от устройств для исследования космоса, где стоимость является несущественной и требуется абсолютная надежность работы, до скоростных упаковочных линий, которые работают в круглосуточном режиме без выходных. К счастью, команды разработчиков имеют множество вариантов для выбора. Одно из ключевых решений, которое нужно принять — использовать коллекторный или бесщеточный электродвигатель постоянного тока. Для этого нужно понять чем отличаются коллекторные двигатели от бесколлекторного аналога.

Щеточные электродвигатели постоянного тока

Прежде чем перейти к рассмотрению за и против, давайте рассмотрим конструкцию электродвигателя. Электродвигатель состоит из ротора (также называемого якорем) и статора. Хотя также существуют некоторые вариации, когда двигатели со стационарным ротором и вращающимся статором, для целей этой статьи давайте ограничимся обсуждением двигателя со стационарным статором, окружающим центральный вращающийся ротор. Статор состоит из пары постоянных магнитов с противоположным расположением полюсов, а ротор — из перекладины, обмотанной проволокой в противоположных направлениях с каждой стороны (см. Рис. 1). Когда обе катушки подключены к источнику питания, они действуют как электромагниты с противоположными полярностями.

Электродвигатели работают за счет сил Лоренца, которые возникают при прохождении электрического тока через обмотки, расположенные в магнитном поле. Воздействие этих сил заставляет ротор поворачиваться вокруг своей оси. Крутящий момент, создаваемый силой Лоренца, является векторным произведением, что означает, что когда полюса электромагнитов, образованных обмотками ротора, выровнены с противоположными полюсами магнитов статора, сила падает до нуля, а ротор прекращает вращение.

Однако изменение направления тока в обмотках приведет к изменению полярности электромагнитов. Сила будет восстановлена и ротор возобновит движение. Если это изменение будет происходить каждый раз, при прохождении вертикали статора, ротор будет продолжать вращаться и выполнять полезную работу.
Для изменения направления тока с контролируемой частотой, щеточным двигателям постоянного тока требуют коллектор. Коллектор — это разделенное на сегменты кольцо соответствующим образом подключенное к каждой из обмоток ротора. Когда ротор вращается — тоже происходит и с коллектором. Для того чтобы подвести ток к коллектору к нему с противоположных сторон прижимается пара неподвижных щеток (см. Рис. 2). Когда коллектор/ротор поворачивается, каждый сегмент коллектора последовательно контактирует сначала с одной щеткой/источником тока, а затем с другой. В результате ток в роторных катушках меняется каждый раз при повороте ротора на 180°, поддерживая вращение двигателя.

Это очень простая модель, представленная для примера. Как поясняется в учебном пособии, из практических соображений — щеточные двигатели постоянного тока обычно имеют три или более фаз.
Щетки могут быть изготовлены из различных материалов: сплавы на основе углерода, такие как графит-медь или графит-серебро, драгоценные металлы — золото, серебро или платина. Выбор подходящего материала щеток – зависит от конкретной прикладной задачи.

Графитовые щетки изготавливают из цельных кусков графита. Щетки из графита являются самосмазывающимися и достаточно прочными. Они подходят для больших двигателей, работающих на высокой скорости (выше 1000 об/мин). Недостатком графитовых щеток является то, что они со временем образовывают мусор, который может загрязнить коллектор и привести к сбоям в работе двигателя. Очень важно, чтобы такие щетки использовались при достаточно высоких скоростях для очистки от загрязнений.
Щетки из драгоценных металлов состоят из отдельных нитей, что делает их более хрупкими, чем щетки на основе графита. В тоже время щетки из драгоценных металлов обеспечивают лучшую производительность при более низком электрическом шуме и звуковом загрязнении. Они более компактны и эффективны в приложениях с низким рабочим циклом. Они также хорошо подходят для низковольтных систем, потому что падение напряжения между коллектором и щеткой имеет тенденцию быть низким. С другой стороны, они не обладают эффектом самосмазывания, что приводит к большему износу и необходимости использования внешних смазочных материалов.

Бесщеточные или коллекторные двигатели — За и против

Чтобы в полной мере понять чем отличается коллекторный двигатель от бесколлекторного, стоит взвесить все преимущества и недостатки обоих типов. Щеточные электродвигатели постоянного тока являются лучшим решением в области управления движением. Они экономичны и просты в использовании. Поскольку им не требуется встроенная электроника, они могут выдерживать экстремальные условия. При условии, что щетки выбраны правильно и своевременно обслуживаются, щеточные двигатели постоянного тока могут служить длительное время. Они хорошо подходят для применения в устройствах с умеренными и низкими скоростями.

Щеточные двигатели требуют квалифицированной эксплуатации. Прохождение определенной плотности тока, к примеру, приводит к выгоранию щеток. При избыточной скорости щетки могут слетать с коллектора. Для применения щеточных двигателей на высоте может потребоваться специальное обслуживание – как-то применение таких присадок, как дисульфид молибдена или карбонат лития.

Необходимость в коллекторе и щетках увеличивает размер двигателя. Щетки требуют регулярного обслуживания, поэтому двигатели должны находиться в доступном месте. Поскольку ротор с обмотками находится внутри (статора), щеточные двигатели могут рассеивать тепло только через воздушный зазор, что усложняет задачу теплообмена. Падение напряжения на щетках снижает эффективность щеточных двигателей.

Наконец, трение щеток о контакты коллектора дополнительно снижает эффективность и создает слышимый шум. Трение приводит к уменьшению крутящего момента на высоких скоростях. Кроме выше приведенных недостатков трение щеток о коллектор также может вызвать появление дуги и увеличение электромагнитных помех (EMI); а в худшем случае, могут генерироваться искры, что делает щеточные электродвигатели постоянного тока непригодными для использования во взрывоопасных средах.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока (Вентильные двигатели)

Альтернативой являются бесколлекторные двигатели постоянного тока (BLDC) (Вентильные двигатели (ВД)) или двигатели с электронным коммутатором (ECM). Двигатели BLDC представляют собой синхронные двигатели с постоянными магнитами. Они могут работать как серводвигатели, а также как шаговые двигатели. Это определение также включает двигатели с переключением сопротивлением. С целью сравнения рассмотрим конструкцию двигателя BLDC, которая представляет собой коллекторный двигатель постоянного тока, вывернутый наизнанку. Постоянные магниты установлены на роторе, а статор состоит из ламинированной рамы с катушками. В результате ротор не нуждается в какой-либо проводке, и двигатель не нуждается в коллекторе и щетках.

Хотя двигатели BLDC классифицируются как двигатели постоянного тока и запитываются от источника постоянного тока, они имеют много общего с двигателями переменного тока. Чтобы поддерживать поворот ротора, обмотки статора должны запитываться последовательно; принципиально, это выглядит как импульсный источник тока, как правило, с синусоидальной формой сигнала, когда используется для сервомоторного управления. Для согласования распределения магнитного поля, генерируемое обмотками статора, с распределением магнитного поля ротора, в BLDC двигателях контролируеться угловое положение ротора, как правило, при помощи датчиков Холла. Эта обратная связь используется для управления переключением тока на обмотках.

Поскольку в двигателях BLDC не применяются щетки и коллекторы, они более компактны, чем коллекторные двигатели. Они обеспечивают более высокую производительность в одном типоразмере. Отсутствие щеток снижает необходимость обслуживания и позволяет ротору вращаться на более высоких скоростях. Отсутствие трения выравнивает кривую скорость/крутящий момент, устраняет вероятность искрения и снижает электромагнитное помехи (EMI). Перемещение теплогенерирующих обмоток наружу упрощает теплоотвод. Этот подход также снижает инерционность ротора, позволяя сервомоторам BLDC обеспечивать лучший динамический отклик. Отсутствие падения напряжения на щетках также повышает эффективность BLDC двигателей.

С другой стороны, двигатели BLDC сложнее, чем их коллекторные аналоги. Использование встроенной электроники значительно увеличивает их стоимость.

Как обсуждалось в начале этой статьи, выбор типа двигателя обуславливается требованиями, которые к нему выставляются. Проект с ограниченным бюджетом и с умеренными требованиями к характеристикам двигателя может отлично быть реализован с использованием коллекторного двигателя постоянного тока. Если для проекта более важными являются производительность и рабочий цикл BLDC двигатель может быть лучшим решением. Оригинальный производитель оборудования и конечные пользователи должны учитывать не только возможности двигателя, но и возможности своего персонала по инсталляции и обслуживанию оборудование. Эффективное техническое решение может быть принято только при обоснованном выборе оборудования.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector