Бесконтактные двигатели постоянного тока (Лекция 11)

Двигатели постоянного тока обычного исполнения имеют ценное качество-возможность широко и плавно
регулировать скорость вращения. Вместе с тем они обладают существенным
недостатком, обусловленным щеточно-коллекторным узлом. Вполне естественно,
что появилась мысль создать двигатели, обладающие достоинствами двигателей
постоянного тока и свободные от их недостатков. Такие двигатели
называются бесконтактными двигателями постоянного тока.

Рис.5.1. Структурная схема бесконтактного двигателя постоянного тока

Бесконтактные двигатели постоянного
тока состоят из трех элементов (рис. 5.1):

1) бесконтактного двигателя с m-фазной обмоткой на статоре и
возбужденным ротором обычно в виде постоянного магнита;

2)
датчика положения ротора (ДПР), выполненного в одном корпусе с
двигателем и предназначенного для выработки сигналов управления моментами
времени и последовательностью коммутации токов в обмотках статора;

3)
коммутатора,
как правило, транзисторного, осуществляющего по сигналам ДПР коммутацию токов
в обмотках статора.

Принцип действия
бесконтактного двигателя рассмотрим на примере упрощенной схемы (рис.
5.2). В ее состав входит двигатель с тремя обмотками на статоре, сдвинутыми в
пространстве на 120 градусов и соединенными в звезду, ДПР с одним
сигнальным элементом (СЭ) и тремя чувствительными элементами (ЧЭ) (их
число равно числу обмоток статора), коммутатор, выполненный на трех
транзисторах, работающих в ключевом режиме, т.е. в режиме «закрыт»
или «открыт».

Рис. 5.2. Упрощенная принципиальная схема бесконтактного двигателя
постоянного тока

В положении, показанном
на рис.5.2, сигнальный элемент через чувствительный элемент «А»
открывает транзистор Т_А. По обмотке А протекает ток I_А.
Намагничивающая сила обмотки F_А взаимодействует с потоком
постоянного магнита ротора. Возникает вращающий момент, и двигатель приходит во
вращение (1-й такт на рис. 5.3). Вместе с ротором поворачивается и СЭ ДПР. При
повороте ротора на угол чуть больший 30°
СЭ будет воздействовать сразу на два ЧЭ: на «А» и на «В».
Это значит, что будут открыты сразу два транзистора: Т_А и Т_В.
Ток будет протекать по обеим обмоткам А и В. Появится результирующая НС
статора F_АВ, которая повернется на 60° по сравнению с первым положением (2-й такт на рис. 5.3).

Рис. 5.3. Первых 3 такта в работе бесконтактного двигателя постоянного тока

Эта НС продолжает взаимодействоватьс полем постоянного магнита; двигатель продолжает развивать вращающий момент.

Когда угол поворота
станет чуть больше 90°, транзистор Т_А
закроется, ток будет проходить только по обмотке В. Поле ротора будет
взаимодействовать только с НС этой обмотки, однако вращающий момент по
прежнему будет воздействовать на ротор двигателя и вращать его в том же
направлении (3-й такт на рис. 5.3). В конечном итоге двигатель разовьет такую
скорость, при которой его момент будет уравновешиваться моментом нагрузки.

Если бы бесконтактный
двигатель имел обмоток, чувствительных элементов и транзисторов столько
же, сколько обычный двигатель имеет коллекторных пластин, то по своим
свойствам и характеристикам они ничем бы не отличались друг от друга. Однако
увеличение числа элементов сильно усложняет конструкцию машины. Поэтому в
реальных двигателях число обмоток, а соответственно, и число чувствительных
элементов и транзисторов не превышает 3-4.

Малое число обмоток обусловливает ряд особенностей работы бесконтактного двигателя постоянного
тока.

1. Пульсация вращающего момента
— возникает вследствие скачкообразного перемещения НС статора (см. положения
1,2,3 рис. 5.3). В соответствии с общими законами электромеханического
преобразования энергии момент бесконтактного двигателя может быть определен
как скалярное произведение магнитного потока ротора и НС взаимодействующих
обмоток статора

(5. 1)

где: с_м — постоянный коэффициент; q — угол между потоком
ротора и НС статора.

Так как при вращении
двигателя угол q непрерывно
меняется, то и момент двигателя не остается постоянным.

2. Реакция якоря
периодически изменяется, становясь то поперечной, то продольно намагничивающей, то
продольно размагничивающей (рис. 5.4). Объясняется это опять-таки
скачкообразным перемещением НС статора (якоря). Размагничивающее действие
поля статора особенно сильно при пуске двигателя, т.к. при этом противо-ЭДС
равна 0, а ток — наибольший. С этим необходимо считаться при выборе постоянных
магнитов, стабилизация которых происходит в режиме короткого замыкания.

Рис. 5.4. Реакция якоря в бесконтактном двигателе постоянного тока

3. Пульсация токов в обмотках статора и суммарного тока двигателя объясняется дискретным
питанием обмоток (в тот момент, когда открыты два транзистора, потребляемый
ток вырастает в два раза по сравнению с режимом, когда открыт только один
транзистор).

4. Влияние индуктивности обмоток статора.В
обычном двигателе секции якоря маловитковые, поскольку общее число витков якоря
делится на большое число секций. Индуктивность таких секций сравнительно
небольшая. В бесконтактном двигателе общее число витков якоря разбивается на
3-4 обмотки (секции). В результате секции получаются многовитковыми, а,
следовательно, обладающими большой индуктивностью т.к. L~W²

С учетом ряда допущений уравнение напряжения для якоря можно записать в виде

(5.2)

Решая его относительно
тока, получим

где Т = L/r — электромагнитная
постоянная времени.

Выражение перед круглой
скобкой есть ток якоря при отсутствии индуктивности. Тогда

(5.4)

При больших скоростях,
когда время коммутации невелико, ток в обмотках не успевает достигать
установившегося значения. Его эффективное значение становится меньше, чем при L
= 0

Вращающий момент прямо
пропорционален току якоря, поэтому

или

(5.6)

Анализ выражения (5.6)
показывает, что момент имеет две составляющие. Первую — не зависящую от
времени. Она равна моменту при отсутствии индуктивности. Вторую — переменную.
Она появляется из-за индуктивности обмоток. Эта составляющая при всех
скоростях имеет отрицательное значение (U > E). Поэтому можно утверждать,
что, как и ток, вращающий момент бесконтактного двигателя меньше, чем вращающий
момент обычного коллекторного двигателя.

Подставим значение ЭДС
Е = с_еnФ
в формулу (5.6), получим механическую характеристику бесконтактного двигателя

(5.7)

Выразим эту
характеристику в относительных единицах, приняв за базисный момент пусковой
момент (n = 0, U = Uном), а за базисную скорость — скорость холостого хода (М =
0, U = Uном ). Время t = ¥

Рис. 5.6. Механические характеристики бесконтактного двигателя постоянного
тока при разных значения α и L:
L2 > L1 > 0

Разделим обе части уравнения (5.7) на Мп:

(5.8)

Обозначим
a = U/U_ном. С
учетом n₀ = U/(с_еФ) получим

(5.9)

где n = n/n₀ -
относительная скорость двигателя.

На рис. 5.6 показаны механические характеристики бесконтактного двигателя при
разных индуктивностях обмоток статора L. Видно, что с увеличением L
нелинейность характеристик увеличивается.

Частоту вращения
бесконтактных двигателей можно регулировать в широких пределах путем изменения
напряжения питания.

Однако на практике чаше применяется импульсный способ, сущность которого заключается в изменении не
величины постоянно подводимого напряжения, а длительности питания двигателя
номинальным напряжением.

§ 5.1. Датчики положения
ротора

Датчики положения ротора определяются их чувствительными элементами, которые могут быть построены с
использованием ЭДС Холла, фотоэффекта и т. д.

Рис. 5.7. Датчик положения ротора трансформаторного типа

Достаточно широкое распространение получили
датчики электромагнитного – трансформаторного типа. На рис. 5.7. показан один
из них.

Чувствительными элементами датчика являются три трансформатора (Тр₁, Тр₂,
Тр₃), сдвинутыми в пространстве на 120 эл. град. Сердечники
трансформаторов выполняются из быстронасыщающихся материалов – феррита, пермалоя
и тр. Первичные обмотки трансформаторов (I) питаются напряжением
высокой частоты (порядка нескольких килогерц) от маломощного источника.
Вторичные обмотки через диоды включаются в базы соответствующих транзисторов.

Ротор датчика состоит из постоянного магнита 1, полюсного наконечника 2, выполненного
из магнитомягкого материала, и немагнитного полуцилиндра 3.

Элементам конструкции
датчика придаются такие формы и они располагаются так, чтобы сердечники
трансформаторов, перекрытые полюсным наконечником 2, были насыщенными. В этом
случае ЭДС вторичных обмоток трансформаторов (II) практически равны нулю
и сигналы на базы транзисторов не поступают. Управляющие сигналы поступают только
от тех трансформаторов, сердечники которых не насыщены.

Вопросы: 1) Нарисуйте диаграмму
НС обмоток статора (подобную положениям 1,2,3 на рис. 5.3) при условии, что
дуга чувствительного элемента не 180°
, а 120° .

2) Чему равна величина суммарного тока, потребляемого двигателем из сети, при различных углах
поворота ротора и дуге ЧЭ в 120° ?

Далее…

Бесколлекторный двигатель FL42BLS — характеристики двигателя, цена.

Заказать

Описание в PDF

Технические характеристики

Скачать паспорт . pdfОписание .pdf

Бесколлекторные двигатели серии FL42BLS предназначены для преобразования электрической энергии во вращательную механическую энергию ротора двигателя. Бесколлекторные двигатели поставляются в 4 исполнениях. Бесколлекторные двигатели серии FL42BLS снабжены тремя встроенными датчиками Холла, сдвинутыми друг относительно друга на угол 120 градусов.Главное преимущество бесколлекторных двигателей – отсутствие вращающихся и переключающихся контактов.
Бесколлекторные двигатели постоянного тока 24В являются одними из наиболее востребованных в промышленности. Полный список двигателей постоянного тока 24В разных типов можно посмотреть здесь.

Исполнения бесколлекторных двигателей серии FL42BLS

Бесколлекторный

двигатель FL42BLS01

Ном. момент

0,62 кг∙см

Макс. момент

1,9 кг∙см

Ток

5,4 A

Мощность, на вых. валу

26 Вт

Сопротивление

1 Ом

Индуктивность
между линиями

2,6 мГн

Инерция ротора

24 г*см2

Длина L

41 мм

Заказать

Бесколлекторный

двигатель FL42BLS02

Ном. момент

1,25 кг∙см

Макс. момент

3,8 кг∙см

Ток

10,5 A

Мощность, на вых. валу

52,5 Вт

Сопротивление

0,8 Ом

Индуктивность
между линиями

1,2 мГн

Инерция ротора

48 г*см2

Длина L

61 мм

Заказать

Бесколлекторный

двигатель FL42BLS03

Ном. момент

1,85 кг∙см

Макс. момент

5,6 кг∙см

Ток

15,5 A

Мощность, на вых. валу

77,5 Вт

Сопротивление

0,55 Ом

Индуктивность
между линиями

0,8 мГн

Инерция ротора

72 г*см2

Длина L

81 мм

Заказать

Бесколлекторный

двигатель FL42BLS04

Ном. момент

2,5 кг∙см

Макс. момент

7,5 кг∙см

Ток

20 A

Мощность, на вых. валу

105 Вт

Сопротивление

0,28 Ом

Индуктивность
между линиями

0,54 мГн

Инерция ротора

96 г*см2

Длина L

100 мм

Заказать

Габаритные размеры бесколлекторных двигателей FL42BLS

Электрическая схема бесколлекторных двигателей FL42BLS

С этим товаром покупают

• BLSD‑20Modbus

  Блоки управления бесколлекторнымиными двигателями постоянного тока

  подробнее

• BLD‑20DIN

  Блоки управления коллекторными двигателями постоянного тока

  подробнее

• EDR-150-24 MW

  Источник питания

  подробнее

• Муфта SD

  Безлюфтовая дисковая (мембранная) муфта

  подробнее

Связаться с нами

Хотите узнать дополнительную информацию о продукции — задайте вопрос. Наш специалист свяжется с вами в ближайшее время.

В бесконтактном электродвигателе Mahle мощность передается на ротор по беспроводной связи

Автопроизводители за пределами Китая изо всех сил пытаются разработать конструкции электродвигателей, в которых не используются постоянные магниты, отчасти потому, что для магнитов требуются редкоземельные элементы, а добыча редкоземельных элементов вызывает загрязнение окружающей среды. Отчасти это также связано с тем, что добыча полезных ископаемых осуществляется в Китае, грозном автомобильном конкуренте.

Эти альтернативные двигатели вращают ротор, используя только электромагнитную силу; недавно мы рассмотрели более одного такого двигателя. Одна проблема: конструкции, в которых медные обмотки помещаются в ротор, должны передавать электричество к движущейся цели, а точка контакта — токосъемное кольцо — подвержена износу.

Сегодня Mahle, немецкая компания по производству автозапчастей, представила двигатель, в котором отсутствуют редкоземельные элементы и физический контакт. Энергия передается на ротор по беспроводной связи, посредством индукции, катушкой, несущей переменный ток. Это индуцирует ток в приемном электроде внутри ротора, который возбуждает медные обмотки, создавая электромагнитное поле.

Это означает, что практически ничего не изнашивается. «Нет контактов для передачи электричества, нет истирания, образования пыли, механического износа», — заявил в среду на онлайн-пресс-конференции руководитель отдела исследований Mahle Мартин Бергер. «Также я должен сказать, что если нужно обслуживать не намагниченный ротор, его несложно заменить».

Может показаться странным пытаться свести к минимуму износ электродвигателей, ведь они уже славятся своей простотой и долговечностью. В отличие от двигателей внутреннего сгорания, электродвигатели практически не имеют движущихся частей, их достаточно легко разобрать и собрать. Возможно, инженеры Mahle почерпнули эту идею из своей многолетней работы над технологией беспроводной зарядки. Возможно, бесконтактная конструкция ротора дает преимущества помимо простой долговечности.

Ротор питается энергией через переменное поле, которое затем преобразуется в постоянный ток для электромагнитных катушек. Изображение: Mahle

Бергер говорит, что новый двигатель сочетает в себе лучшие черты нескольких конструкций двигателей, например, предлагая хороший КПД как при низком, так и при высоком крутящем моменте. В целом, утверждает компания, двигатель достигает КПД не менее 95% при типичном использовании электромобиля и достигает КПД 96% во многих рабочих точках. В пресс-релизе Mahle говорится, что ни один электромобиль, за исключением гоночных автомобилей Formula E, не показал себя лучше.

Машину можно легко масштабировать от малолитражных автомобилей до небольших грузовиков, говорит Бергер. Однако он не идеален для сверхкомпактных транспортных средств, таких как электровелосипеды, или для больших грузовиков, которые обычно работают с постоянной нагрузкой.

«Очень быстрым или тяжелым машинам потребуется трансмиссия», — добавляет он. «Но для большинства случаев применения, например, в легковых автомобилях, достаточно одной передачи».

Mahle не сообщает, какие компании заинтересованы в новом моторе, только то, что образцы уже поставляются, а массовое производство ожидается примерно через два с половиной года.

Немецкий производитель запчастей выпускает бесконтактный электродвигатель

Кажется, что весь мир спешит найти решения для экономии топлива и сокращения выбросов.

Европа вводит больше зон с низким уровнем выбросов. Франция планирует достичь этой цели с нулевым уровнем выбросов (как они это делают). Теперь Mahle, немецкий производитель автомобильных запчастей, только что внесла свой вклад в гонку за чистый воздух.

Немецкому производителю удалось создать двигатель электромобиля, который устраняет необходимость в редкоземельных магнитах, создавая бесконтактное противодействие электрическому току в двигателе с КПД 95%.

Каким-то чудом им удалось это сделать, не столкнувшись с дополнительной нехваткой компонентов, как это случилось со многими другими производителями.

В традиционном двигателе электромобиля катушка из проволоки вращается, окруженная магнитами. Когда электрический ток катушки излучает собственное небольшое магнитное поле, он противостоит магнитному полю, излучаемому магнитами. Противостояние полей заставляет катушку вращаться или вращаться с высокой скоростью, создавая энергию, используемую для движения машины из точки А в точку Б.

Согласно веб-сайту Mahle, двигатель использует исключительно электрический ток с бесконтактной передачей энергии. Электрические токи между вращающимися и неподвижными частями внутри двигателя не позволяют этим частям соприкасаться, благодаря чему весь компонент не изнашивается.

Возможности действительно безграничны, поскольку «бесконтактный» в данном контексте означает двигатель, не требующий технического обслуживания и почти не требующий замены отдельных компонентов.

Мало того, бесконтактный индуктивный электродвигатель Mahle эффективен, особенно на высоких скоростях, с КПД 95%, который раньше можно было увидеть только в автомобилях формулы E.

См. также

«С нашим новым электродвигателем мы выполняем свою ответственность как стабильно действующая компания», — говорит Майкл Фрик, председатель правления MAHLE (временно исполняющий обязанности) и финансовый директор. «Отказ от магнитов и, следовательно, использование редкоземельных элементов предлагает большой потенциал не только с геополитической точки зрения, но и с точки зрения ответственного использования природы и ресурсов».

Д-р Мартин Бергер, вице-президент по корпоративным исследованиям и передовым технологиям компании MAHLE, также говорит следующее:

«Наш безмагнитный двигатель, безусловно, можно назвать прорывом, поскольку он обеспечивает несколько преимуществ, которые еще не были объединены в продукт этого типа. В результате мы можем предложить нашим клиентам продукт с выдающейся эффективностью по сравнительно низкой цене».