Что такое бесколлекторный двигатель?

Общие сведения, устройство, сфера применения

Одной из причин интереса к БД является возросшая потребность в быстроходных микродвигателях с точным позиционированием. Внутреннее устройство таких станций показано на рисунке 2.

Рис. 2. Устройство бесколлекторного двигателя

Как видите, конструкция представляет собой ротор (якорь) и статор, первый имеет постоянный магнит (или несколько магнитов, расположенных в определенном порядке), а второй снабжен катушками (Б) для создания магнитного поля.

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

Рис. 3. Конструкция с внешним анкером (outrunner)

Соответственно, каждая из конструкций имеет определенную область применения. Агрегаты с внутренним якорем имеют высокую скорость вращения, поэтому используются в системах охлаждения, в качестве силовых установок для дронов и т д.

Приводы с внешним ротором применяются там, где требуется точное позиционирование и устойчивость к перегрузкам по крутящему моменту (робототехника, медицинское оборудование, станки с ЧПУ, и др.) Далее).

Бесщеточный двигатель в компьютерной станции

Магнитные элементы

Расположение магнитов может варьироваться в зависимости от размера двигателя, например, на полюсах или вокруг всего ротора. Изготовление качественных магнитов большей мощности возможно благодаря использованию неодима в сочетании с бором и железом.

Несмотря на высокую производительность, бесщеточный двигатель шуруповерта с постоянными магнитами имеет ряд недостатков, в том числе потерю магнитных свойств при высоких температурах. Но они более эффективны и не имеют потерь по сравнению с машинами, имеющими в конструкции обмотки.

Импульсы инвертора определяют скорость вращения механизма. При постоянной частоте питания двигатель работает с постоянной скоростью в разомкнутом контуре. Соответственно, скорость вращения изменяется в зависимости от уровня частоты питающей сети.

Особенности конструкции и принцип действия

По сути, коллекторный двигатель – это достаточно специфическое устройство, обладающее всеми достоинствами машины постоянного тока и поэтому имеющее схожие характеристики. Отличие этих двигателей в том, что корпус статора асинхронного двигателя выполнен из отдельных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи.

Обмотки возбуждения автомата соединены последовательно для оптимизации работы в бытовой сети 220В.
Они могут быть как одно-, так и трехфазными, благодаря возможности работать от постоянного и переменного тока, их еще называют универсальными.

Кроме статора и ротора в конструкцию входят щеточный коллекторный механизм и генератор частоты вращения. Вращение ротора в коллекторном двигателе происходит в результате взаимодействия тока якоря с магнитным потоком обмотки возбуждения. Через щетки ток подается на коллектор, собранный из пластин с трапециевидным сечением и одного из узлов ротора, соединенных последовательно с обмотками статора.

В общем, принцип работы коллекторного двигателя можно наглядно продемонстрировать на известном со школы опыте с вращением рамки, помещенной между полюсами магнитного поля. Если по контуру течет ток, он начинает вращаться под действием динамических сил. Направление движения рамки не меняется при изменении направления тока в ней.

Последовательное соединение обмоток возбуждения обеспечивает большой максимальный момент, но появляются высокие холостые обороты, что может привести к преждевременному выходу механизма из строя.

Характеристики

Клапанный двигатель работает в установленных режимах и имеет функционал щеточного аналога, скорость которого зависит от приложенного напряжения. Механизм имеет множество преимуществ:

• отсутствие изменения намагниченности и утечки тока;
• соблюдение скорости вращения и самого крутящего момента;
• скорость не ограничена центробежной силой, действующей на коллектор и вращающуюся электрическую обмотку;
• нет необходимости в переключателе и обмотке возбуждения;
• используемые магниты легкие и компактные;
• высокий крутящий момент;
• энергонасыщенность и экономичность.

Бесщеточный мотор преимущества и недостатки

Бесщеточный двигатель гарантирует более длительный срок службы, потому что на самом деле нет щетки, которая могла бы его изнашивать. Они могут работать более 1000 часов. Бесщеточные двигатели более энергоэффективны, чем щеточные.

Однако изначально они стоили дороже, чем коллекторные двигатели. Вам также необходимо заменить такие устройства, как энкодеры и контроллеры.

Коллекторный двигатель очень шумный, а их бесколлекторные аналоги менее шумные. Бесщеточный двигатель также предлагает более высокое отношение крутящего момента к весу. Что-то еще? Нет необходимости иметь дело с ионизирующими искрами от выключателя и электромагнитными помехами.

Использование

Бесщеточный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами в основном используется в устройствах мощностью менее 5 кВт. В более мощном оборудовании его использование нерационально. Также стоит отметить, что магниты в этом типе двигателя особенно чувствительны к высоким температурам и сильным полям.

Альтернативы индукции и щетке лишены таких недостатков. Двигатели широко используются в электрических мотоциклах, вождении автомобилей благодаря отсутствию трения в коллекторе. Среди функций необходимо выделить равномерность крутящего момента и тока, что обеспечивает снижение акустического шума.

Принцип работы

В отличие от других приводов, например асинхронной машины переменного тока, для работы ДБ требуется специальный регулятор, который включает обмотки таким образом, чтобы векторы магнитных полей якоря и статора были ортогональны друг другу. То есть приводной блок регулирует крутящий момент, действующий на якорь ДБ. Этот процесс наглядно показан на рисунке 4.

Рабочие фазы для бесщеточного вождения

Как видите, для каждого движения якоря необходимо произвести определенную коммутацию в обмотке статора бесколлекторного двигателя. Такой принцип работы не позволяет плавно управлять вращением, но дает возможность быстро набирать скорость.

Отличия коллекторного и бесколлекторного двигателя

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

Рис. 5. А — коллекторный двигатель, Б — бесколлекторный

Давайте посмотрим на различия в дизайне. На рис. 5 видно, что ротор (1 на рис. 5) коллекторного двигателя, в отличие от бесщеточного, имеет катушки, имеющие простую схему намотки, а на статоре (2 на рис. 2) установлены постоянные магниты (обычно два). 5) . Кроме того, на валу установлен коллектор, к которому подключены щетки, подающие напряжение на обмотки якоря.

Кратко опишите принцип действия сборочных машин. Когда на одну из катушек подается напряжение, она возбуждается и создается магнитное поле. Он взаимодействует с постоянными магнитами, это приводит к вращению размещенных на нем якоря и коллектора. В результате ток поступает на вторую обмотку и цикл повторяется.

Частота вращения якоря такой конструкции напрямую зависит от напряженности магнитного поля, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна напряжению. То есть для увеличения или уменьшения скорости достаточно увеличить или уменьшить уровень мощности.

А для реверса надо поменять полярность. Этот способ управления не требует специального регулятора, так как регулятор хода можно сделать на базе переменного сопротивления, а в роли преобразователя будет выступать обычный переключатель.

Конструктивные особенности бесколлекторных двигателей мы рассмотрели в предыдущем разделе. Как вы помните, для их подключения требуется специальный контроллер, без которого они просто не будут работать. По той же причине эти двигатели нельзя использовать в качестве генераторов.

Также стоит отметить, что в некоторых приводах этого типа для более эффективного управления положение ротора отслеживается с помощью датчиков Холла. Это значительно улучшает характеристики бесколлекторных двигателей, но приводит к удорожанию и без того дорогой конструкции.

Как запустить бесколлекторный двигатель?

Для работы такого типа привода требуется специальный контроллер (см рис. 6). Без него запуск невозможен.

Рис. 6. Контроллеры бесколлекторных двигателей для моделирования

Собирать такое устройство самостоятельно нет смысла, дешевле и надежнее будет купить готовое. Выбрать его можно по следующим характеристикам, присущим драйверам каналов ШИМ:

• Максимально допустимый ток, данная характеристика приведена для нормальной работы устройства. Довольно часто производители указывают этот параметр в названии модели (например, Феникс-18). В некоторых случаях предусмотрено значение пикового режима, которое контроллер может поддерживать в течение нескольких секунд.
• Максимальное номинальное напряжение для непрерывной работы.
• Сопротивление внутренних цепей контроллера.
• Допустимое число оборотов, указанное в об/мин. Выше этого значения контроллер не позволит увеличить вращение (ограничение реализовано на программном уровне). Обратите внимание, что скорость всегда указывается для 2-полюсных приводов.

Если имеется несколько пар полюсов, разделите значение на число. Например, указано число 60000 об/мин, поэтому скорость вращения 6-магнитного двигателя будет 60000/3=20000 об/мин.

• Частота генерируемых импульсов, у большинства контроллеров этот параметр варьируется от 7 до 8 кГц, более дорогие модели позволяют перепрограммировать параметр, увеличив его до 16 или 32 кГц.

Обратите внимание, что первые три свойства определяют емкость базы данных.

Типы моторов?

В многороторных машинах есть два типа моторов/моторов:

1. Коллектор (по-английски Brushed/DC/Coreless).
2. Бесщеточный (на англ. Brushless).

Основное их отличие в том, что у коллекторного двигателя обмотки находятся на роторе (вращающейся части), а у бесколлекторного на статоре. Не вдаваясь в подробности, скажем, что бесщеточный двигатель предпочтительнее коллекторного, так как он лучше всего удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям.

Поэтому в данной статье речь пойдет именно об этом типе двигателя. Подробнее о разнице между бесщеточными и коллекторными двигателями вы можете прочитать в этой статье.

Несмотря на то, что использование двигателей БК началось относительно недавно, сама идея их устройства появилась достаточно давно. Однако появление транзисторных переключателей и мощных неодимовых магнитов сделало возможным их коммерческое использование.

Устройство БК — моторов

Конструкция бесщеточного двигателя состоит из ротора, на котором закреплены магниты, и статора, на котором размещены обмотки. Только по взаимному расположению этих компонентов двигатели БК делятся на инраннерные и аутраннерные.

В многороторных системах чаще используется схема Outrunner, так как она позволяет получить наибольший крутящий момент.

Читайте также: Какой автомат ставить на варочную панель и духовой шкаф: что это такое

Плюсы и минусы БК — двигателей

Плюсы:

• Упрощение конструкции двигателя за счет исключения из него коллектора.
• Более высокая эффективность.
• Хорошее охлаждение.
• Моторы BC могут работать в воде! Но не забывайте, что из-за воды на механических частях двигателя может образоваться ржавчина, и он через некоторое время сломается. Во избежание подобных ситуаций рекомендуется обработать моторы водоотталкивающей смазкой.
• Минимум радиопомех.

Минусы:

Из минусов только невозможность использования этих моторов без ESC (регуляторов скорости вращения). Это несколько усложняет конструкцию и делает двигатели БК более дорогими, чем коллекторные. Но если приоритетным параметром является сложность конструкции, есть двигатели ВС со встроенными регуляторами скорости.

Как выбрать двигатели для коптера?

При выборе бесколлекторных двигателей следует в первую очередь обращать внимание на следующие характеристики:

• Максимальный ток – эта характеристика показывает максимальный ток, который обмотка двигателя может выдержать за короткое время. Если это время превышено, отказ двигателя неизбежен. Этот параметр также влияет на выбор ESC.
• Максимальное напряжение — так же, как и максимальный ток, показывает, какое напряжение можно приложить к обмотке в течение короткого промежутка времени.
• KV — число оборотов двигателя на вольт. Поскольку этот показатель напрямую зависит от нагрузки на вал двигателя, он указывается для случая, когда нагрузка отсутствует.
• Сопротивление — КПД двигателя зависит от сопротивления. Так что чем ниже сопротивление, тем лучше.

Управление бесколлекторным двигателем

Как было сказано выше, коммутация обмоток привода управляется электронным способом. Чтобы принять решение о переключении, водитель контролирует положение якоря с помощью датчиков Холла.

Если преобразователь частоты не оборудован такими детекторами, учитывается противо-ЭДС, возникающая в неподключенных катушках статора. Контроллер, фактически являющийся программно-аппаратным комплексом, отслеживает эти изменения и задает порядок переключения.

Трёхфазный бесколлекторный электродвигатель постоянного тока

Большинство баз данных выполняются по трехэтапной схеме. Для управления таким преобразователем частоты в контроллере имеется преобразователь постоянного тока в трехфазный импульсный (см рис. 7).

Рис. 7. Диаграммы напряжения БД

Чтобы объяснить, как работает такой бесколлекторный двигатель, следует рассмотреть рис. 4 вместе с рис. 7, где по очереди показаны все этапы работы привода. Запишем их:

1. На катушки «А» подается положительный импульс, а на «В» — отрицательный, в результате чего якорь будет двигаться. Датчики зафиксируют движение и дадут сигнал на следующую коммутацию.
2. Катушка «А» выключается, а на «С» идет положительный импульс («В» остается без изменений), затем подается сигнал на следующий набор импульсов.
3. На «С» — положительный, на «А» — отрицательный.
4. Работает пара «Б» и «А», которая получает положительные и отрицательные импульсы.
5. Положительный импульс снова подается на «В», а отрицательный импульс на «С».
6. Катушки «А» включаются (подается +) и отрицательный импульс повторяется на «С». Затем цикл повторяется.

В кажущейся простоте управления скрывается множество сложностей. Необходимо не только отслеживать положение якоря для выработки очередной серии импульсов, но и контролировать скорость вращения, регулируя ток в катушках.

Кроме того, следует подобрать наиболее оптимальные параметры разгона и торможения. Также стоит отметить, что контроллер должен быть оснащен блоком, позволяющим управлять его работой. Внешний вид такого многофункционального устройства можно увидеть на рисунке 8.

Рис. 8. Многофункциональный контроллер бесщеточного двигателя

Преимущества и недостатки

Электрический бесщеточный двигатель имеет множество преимуществ, а именно:

• Срок службы значительно больше, чем у обычных коллекторных аналогов.
• Высокая эффективность.
• Быстрая установка на максимальную скорость вращения.
• Он мощнее, чем CD.
• Отсутствие искр при работе означает, что станцию ​​можно использовать в пожароопасных условиях.
• Дополнительное охлаждение не требуется.
• Простое управление.

Теперь давайте посмотрим на недостатки. Существенным недостатком, ограничивающим использование баз данных, является их относительно высокая стоимость (с учетом цены драйвера).

Среди недостатков — невозможность использования базы без драйвера даже для кратковременной активации, например, для проверки работоспособности. Ремонт проблемы, особенно если требуется перемотка.