Основные технические особенности вентильных двигателей | Публикации

Для решения задач контролируемого движения в современных прецизионных системах все чаще применяются вентильные (бесколлекторные) двигатели. Такая тенденция обусловлена преимуществами вентильных двигателей и бурным развитием вычислительных возможностей микроэлектроники. Как известно, вентильные (синхронные) двигатели обеспечивают наиболее высокие плотность длительного момента (момент в единице объема) и энергетическую эффективность по сравнению с любым другим типом двигателя.

Современный вентильный привод объединяет электрическую, механическую и электронную подсистемы в единое цельное мехатронное устройство. В рамках такого подхода удается значительно сократить габариты, избавиться от лишних преобразователей и промежуточных элементов, а значит, повысить надежность всего привода в целом.

В рамках данной статьи рассматривается принцип работы и устройство современных вентильных машин, описываются принципы управления вентильным преобразователем для коммутации с применением датчиков положения ротора, а также перечисляются особенности интегрированного исполнения вентильных двигателей.

1. Основные технические особенности вентильных двигателей

Под вентильным двигателем понимают синхронный двигатель, содержащий многофазную обмотку статора, ротор с постоянными магнитами и встроенным датчиком положения. Коммутация такого двигателя осуществляется при помощи вентильного преобразователя. Поэтому его принято называть «вентильным».

По сути, вентильный двигатель с точки зрения метода коммутации представляет собой «инвертированный» вариант коллекторной машины постоянного тока. В вентильном двигателе индуктор находится на роторе, якорная обмотка на статоре. Коммутация осуществляется путем подачи управляющего согласованного воздействия на обмотки статора в зависимости от положения ротора, определяемого с помощью интегрированных в двигатель датчиков обратной связи.

Рис. 1. Структура вентильного двигателя:
1 – задняя крышка, 2 – печатная плата датчиков, 3 – датчики Холла,
4 – втулка подшипника, 5 – подшипник, 6 – вал,
7 – магниты ротора, 8 – изолирующее кольцо, 9 – обмотка,
10 – тарельчатая пружина, 11 – промежуточная втулка, 12 – изоляция,
13 – корпус, 14 – провода.

Рассмотрим структуру вентильного двигателя на примере семейства двигателей Faulhaber (рис. 1). В данном случае в основе ротора лежит двухполюсный магнит, статора трехфазная обмотка, положение ротора определяется с помощью интегрированных в двигатель датчиков Холла. В общем случае ротор может содержать другое количество пар полюсов, а статор иметь более традиционную конструкцию, внешне сходную со статором асинхронной машины. Наиболее распространен статор с тремя обмотками, соединенными «звездой» (реже в «треугольник») без вывода средней точки. Как известно, именно трехфазная структура является наиболее эффективной при минимуме числа обмоток.

При соединении обмоток «звездой» вентильный двигатель имеет большие постоянные момента и меньшие постоянные противо­ЭДС (при соотношении ?3) по сравнению с соединением «треугольником». Поэтому соединение «звездой» используется для управления осями, требующими больших моментов, а соединение «треугольником» – для больших скоростей.

В большинстве случаев обмотки статора выполняются без насыщения, т.е. противо­ЭДС обмоток имеет синусоидальную форму. Такие двигатели зачастую называют AC brushless motor в отличие от DC brushless motor, обмотки статора которого выполняются с насыщением. Такое насыщение в DC brushless motor предназначено для снижения пульсаций тока (и соответственно момента) при применении трапецеидальной коммутации.

Но иногда термин DC brushless motor используют для двигателей с питанием через инвертор от сети постоянного тока, что не совсем корректно.

Обычно количество пар полюсов, определяемое количеством пар магнитов ротора и определяющее соотношение механического и электрического оборотов, равно 4…8. Статор может быть выполнен с железным (iron core) или безжелезным (ironless) сердечником. Конструкция статора с безжелезным сердечником обеспечивает отсутствие силы притяжения магнитов ротора и железа статорной обмотки (magnetic attraction) и зубцового эффекта (cogging), но снижает незначительно (на 10…20%) эффективность двигателя изза меньших значений постоянной момента.

Одно из самых очевидных преимуществ ротора с постоянными магнитами состоит в уменьшении диаметра ротора и, как следствие, в уменьшении момента инерции ротора. Технологически магниты могут быть встроены в ротор или расположены на его поверхности. Но пониженный момент инерции зачастую приводит к малым значениям соотношения момента инерции двигателя и приведенного к его валу момента инерции нагрузки (mismatch ratio), усложняющему настройку привода. Поэтому ряд производителей предлагает наряду со стандартным и повышенный – в 2…4 раза – момент инерции ротора.

2. Датчики положения и дополнительные устройства

В качестве датчика положения, необходимого для коммутации вентильного двигателя, могут быть использованы датчики Холла (цифровые или аналоговые), энкодер (цифровой, аналоговый или абсолютный) или резольвер.

Цифровые датчики Холла используются для наиболее распространенной – трапецеидальной коммутации вентильного двигателя. Цифровые датчики Холла могут быть выполнены также и на оптической шкале энкодера. Аналоговые датчики Холла используются для синусоидальной коммутации вентильного двигателя.

Энкодер имеет три дифференциальных канала – два канала А, В прямоугольных импульсов, сдвинутых на 90 электрических градусов, и нулевой импульс I (индекс). Резольвер представляет собой вращающийся трансформатор с обмоткой возбуждения и двумя выходными обмотками со сдвигом 90 электрических градусов.

Аналоговый энкодер имеет аналоговые sin/cos (1В между пиками peaktopeak) дифференциальные выходы.

Внешний интерполятор позволяет повысить исходное разрешение с коэффициентом умножения до 4096 .Абсолютный энкодер передает информацию по положению по синхронному последовательному интерфейсу (SSI или BiSS), протокол которого задается производителем энкодера. Одними из наиболее популярных протоколов являются Heidenhain EnDat, Tamagawa Smart Abs и Stegman Hiperface протоколы.

Кроме датчика положения дополнительно могут быть встроены: тахогенератор, термодатчик, тормоз или редуктор.

Тахогенератор применяется в случае использования вентильного двигателя в режиме регулирования/стабилизации скорости с высокой точностью.

Термодатчик для защиты обмоток от перегрева представляет собой несколько последовательно соединенных позисторов, т.е. терморезисторов с положительным температурным коэффициентом (positive temperature coefficient РТС).

3. Способы коммутации с применением датчика положения ротора

Способы коммутации вентильного двигателя различаются по типу датчика положения ротора и особенностям регулирования тока в фазах обмоток статора.

3.1. Трапецеидальная или шестишаговая (sixstep) коммутация вентильного двигателя осуществляется по цифровым датчикам Холла. Для 3х датчиков Холла, являющихся «грубым» датчиком положения ротора, возможных состояний на полный электрический оборот будет шесть, каждое из которых соответствует 60 электрическим градусам. При каждом постоянном состоянии датчиков Холла подключаются только две обмотки двигателя, а третья отключена от источника напряжения. Постоянство вектора тока в пределах ±30 электрических градусов от оптимального (создающего максимальный момент) приводит к 17% пульсациям тока.

Преимущества:

• готовность к работе при включении питания;
• дешевый усилитель тока;
• управление током (моментом) аналоговым сигналом ±10В.

Недостатки:

• пульсации тока;
• средние показатели быстродействия при позиционировании и равномерности при сканировании.

Область применения: регулирование скорости при невысоких требованиях к эффективности и равномерности перемещения на низких скоростях.

3.2. Синусоидальная коммутация лишена недостатков трапецеидальной коммутации за счет непрерывной и плавной коммутации вектора тока. Это достигается благодаря более высокому разрешению датчика положения ротора (обычно инкрементального энкодера) по сравнению с цифровыми датчиками Холла, имеющими разрешение только 60 электрических градусов. Для стандартного двигателя с соединением фаз в «звезду» достаточно контролировать ток в двух обмотках с помощью двух регуляторов на базе ПИрегуляторов. Такой способ коммутации очень эффективен на малых и средних скоростях, но имеет ошибки на высоких скоростях. В этом случае изза ограниченного усиления ПИрегулятора при заданном напряжении постоянного напряжения (DC bus) мах скорость ограничена. Несколько повысить скорость позволяет метод сдвиг фазы (phase advance).

Преимущества:

• минимальные пульсации тока;
• высокие показатели быстродействия при позиционировании и равномерности при сканировании.

Недостатки:

ограничение мах скорости при заданном напряжении постоянного напряжения;

управление током (моментом/силой) при помощи двух аналоговых сигналов ±10В.

Область применения: прецизионные механизмы.

3.3. Непосредственно векторный контроль тока в координатах DQ использует преобразования между статическими DQ и вращающими UVW координатами вектора тока, известными как преобразования ПаркаКларка. В отличие от синусоидальной такой способ коммутации предполагает работу ПИрегулятора с напряжениями постоянного тока, а не синусоидальными напряжениями. Это и обеспечивает качество управления током, независимое от скорости вращения двигателя.

Векторный контроль предполагает регулирование квадратичной (D) и прямой (Q) составляющих тока. Т.к. только прямая (Q) составляющая тока, перпендикулярная к полю ротора, создает момент двигателя, то задание тока подается на вход прямой (Q) составляющей тока. На вход квадратичной (D) составляющей тока подается «0» сигнал.

Преобразования между статическими DQ и вращающими UVW координатами вектора тока производятся с учетом токов фаз и положения ротора.

Векторный контроль при наличии преимуществ синусоидальной коммутации позволяет расширить диапазон скоростей вентильного двигателя за счет более полного использования напряжения постоянного тока.

Следует отметить, что для синусоидальной или векторной коммутации тока при использовании инкрементального (относительного) датчика положения ротора необходимо первоначально (т.е. при каждом включении питания) сфазировать положение ротора относительно фаз статора. Алгоритм такой начальной фазировки обычно является «встроенным».

Трапецеидальная коммутация вентильного двигателя не требует начальной фазировки благодаря использованию датчиков Холла, являющихся абсолютными датчиками положения ротора. Поэтому их иногда применяют вместе с инкрементальным датчиком положения для реализации синусоидальной или векторной коммутации тока без необходимости производить начальную фазировку. Такая конфигурация рекомендуется для механизмов, где реализация процедуры начальной фазировки затруднена, например, механизмов вертикального перемещения.

4. Интегрированное исполнение вентильных двигателей

Одной из основных перспективных тенденций в развитии современных вентильных двигателей является тяготение производителя к интеграции в единый корпус с двигателем управляющей электроники. Такое решение позволяет предлагать не разрозненный набор комплектующих приводной системы, а законченный привод в сборе. Таким образом решаются возможные проблемы совместимости различных компонент привода, а также проблема различных интерфейсов компонент приводной системы.

Рис. 2 Векторный контроль тока вентильного двигателя

Примером интегрированного привода является серия двигателей BG, предлагаемая компанией Dunkermotoren (рис. 3).

В рамках данной серии двигателей производитель предоставляет возможность заказать одну и ту же модель в различных исполнениях:

• без интегрированной управляющей электроники,
• с интегрированной коммутирующей электроникой (2wire),
• с интегрированным контроллером скорости,
• с интегрированным контроллером движения,
• с интегрированным контроллером движения с сетевыми интерфейсами (CAN, PROFINET).

5. Преимущества использования вентильных двигателей

При разработке нового изделия разработчик часто сталкивается с проблемой выбора двигателя для решения конкретной задачи движения. Когда речь идет о построении привода средней либо малой мощности, как правило, выбор сводится к сборкам на базе коллекторных, вентильных, а также шаговых двигателей.

Рис. 3 Двигатели Dunkermotoren серии BG

К несомненным достоинствам вентильных двигателей следует отнести:

Высокий запасаемый момент:

• Идеальное решение при высоких пиковых нагрузках
• Хорошее ускорение при изменяющихся нагрузках

Высокий диапазон скоростей

Высокую равномерность движения

Высокую точность позиционирования благодаря возможности использования энкодеров и других датчиков обратной связи по скорости/положению.

Двигатели для специальных применений: в среде высокого вакуума, автоклавируемые, погружные с высоким классом IP защиты.

М. Сонных, Л. Ганнель
Статья опубликована в журнале «РИТМ» №10, 2010

Вентильный двигатель — Wikiwand

• ВведениеВентильный двигатель
• Описание и принцип работы
• Достоинства и недостатки
• КонструкцияСтаторРоторДатчик положения ротораСистема управления
• Применение
• См. также
• Ссылки
• Литература
• Примечания

Ве́нтильный электродви́гатель (ВД) — разновидность электродвигателя постоянного тока, у которого щёточно-коллекторный узел (ЩКУ) заменён полупроводниковым коммутатором, управляемым датчиком положения ротора.

Рис. 1. Принцип работы трёхфазного вентильного двигателя

Механическая и регулировочная характеристики вентильного двигателя линейны и идентичны механической и регулировочной характеристикам электродвигателя постоянного тока. Как и электродвигатели постоянного тока, вентильные двигатели работают от сети постоянного тока. ВД можно рассматривать как двигатель постоянного тока, в котором щёточно-коллекторный узел заменён электроникой, что подчёркивается словом «вентильный», то есть «управляемый силовыми ключами» (вентилями).
Фазные токи вентильного двигателя имеют синусоидальную форму. Как правило, в качестве усилителя мощности применяется автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Вентильный двигатель следует отличать от бесколлекторного двигателя постоянного тока (БДПТ), который имеет трапецеидальное распределение магнитного поля в зазоре и характеризуется прямоугольной формой фазных напряжений. Структура БДПТ проще, чем структура ВД (отсутствует преобразователь координат, вместо ШИМ используется 120- или 180-градусная коммутация, реализация которой проще ШИМ).

В русскоязычной литературе двигатель называют вентильным, если противо-ЭДС управляемой синхронной машины синусоидальная, а бесколлекторным двигателем постоянного тока, если противо-ЭДС трапецеидальная.

В англоязычной литературе такие двигатели обычно не рассматриваются отдельно от электропривода и упоминаются под аббревиатурами PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) или BLDC (Brushless Direct Current Motor). Стоит отметить, что аббревиатура PMSM в англоязычной литературе чаще используется для обозначения самих синхронных машин с постоянными магнитами и с синусоидальной формой фазных противо-ЭДС, в то время как аббревиатура BLDC аналогична русской аббревиатуре БДПТ и относится к двигателям с трапецеидальной формой противо-ЭДС (если иная форма не оговорена специально).

Вообще говоря, вентильный двигатель не является электрической машиной в традиционном понимании, поскольку его проблематика затрагивает ряд вопросов, связанных с теорией электропривода и систем автоматического управления: структурная организация, использование датчиков и электронных компонентов, а также программное обеспечение.

Вентильные двигатели, сочетающие в себе надёжность машин переменного тока с хорошей управляемостью машин постоянного тока, являются альтернативой двигателям постоянного тока, которые характеризуются рядом изъянов, связанных со ЩКУ, таких как искрение, помехи, износ щёток, плохой теплоотвод якоря и пр. Отсутствие ЩКУ позволяет применять ВД в тех приложениях, где использование ДПТ затруднено или невозможно.

Oops something went wrong:

структура, принцип работы и применение

Бесщеточный двигатель (BLDC) представляет собой электродвигатель, который использует постоянное магнитное поле и датчик для определения его положения, полностью без использования щеток (щеток), чтобы устранить трение. Оттуда это помогает уменьшить шум, чтобы двигатель работал плавно, и в то же время экономить потребление энергии.

Двигатель полностью бесщеточный, чтобы исключить трение

Как и в обычных синхронных двигателях, обмотки BLDC также расположены под углом 120 градусов друг к другу в пространстве статора. Магниты также прочно прикреплены к корпусу ротора и способны возбуждать двигатель. В частности, для работы мини-бесщеточного двигателя требуется датчик положения ротора, который помогает двигателю работать лучше.

2. Конструкция бесщеточного двигателя

Бесщеточный двигатель состоит из следующих частей:

• Статор: Обычно состоит из железных сердечников (листы электротехнической стали изолированы вместе) и обмоток. Обмотка бесщеточного двигателя также отличается от обмотки обычного трехфазного двигателя переменного тока.

Ротор

• : В основном, эта деталь аналогична другим двигателям с постоянными магнитами.
• Датчик Холла: из-за характеристики антиэлектродвижущей силы двигателя BLDC он имеет трапециевидную форму, поэтому для его нормальной конфигурации управления также требуется датчик для определения положения магнитного поля ротора по отношению к фазам обмотки статора. Для этого люди часто используют датчики Холла, которые для краткости можно назвать датчиками Холла.

Структура бесщеточного двигателя

3. Принцип работы бесщеточного двигателя

Как следует из названия, бесщеточные двигатели постоянного тока характеризуются отсутствием щеток. В щеточных двигателях щетка пропускает ток через коммутатор и течет в обмотки ротора.

Бесщеточные двигатели не передают ток на обмотки ротора, поскольку обмотки вообще не находятся на роторе. Вместо этого основной ротор представляет собой постоянный магнит, у него есть катушки, которые не вращаются, а закреплены над статором. Поскольку эти катушки не двигаются, ни щетка, ни коммутатор не нужны.

В бесщеточном двигателе постоянный магнит вращается за счет изменения направления магнитного поля, создаваемого катушками, неподвижно расположенными вокруг него. Чтобы контролировать это вращение, вам необходимо отрегулировать величину комбинированного направления тока, протекающего по этим обмоткам.

4. Преимущества бесщеточного двигателя

Типичный бесщеточный двигатель имеет 3 обмотки на статоре, поэтому он будет иметь до 6 электрических проводников, отходящих от самих обмоток. Между тем, 3 из этих проводов будут подключены внутри, а остальные 3 будут выходить из корпуса двигателя. Электропроводка в корпусе двигателя BLDC сложнее, чем когда вы соединяете только отрицательную и положительную клеммы силового элемента.

Сделайте это, мощность двигателя не известна как:

Большим преимуществом этой динамической основы является результат производительности, так как мы можем двигаться непрерывно с максимальной силой вращения (также называемой крутящим моментом). Напротив, база времени получит максимальный крутящий момент только в определенных точках внутри вращения. Это еще и дом, поэтому даже моторы не более чем мини могут обеспечить значительную мощность.

Второй причиной отказа от приоритетов является хорошая производительность теста. Двигатель BLDC управляется с помощью механизма обратной связи, чтобы точно обеспечить крутящий момент и скорость вращения, желаемые пользователем. Основной контроль заключается в том, чтобы получить ускорение и сократить срок службы, если это автоматическое питание от батареи, это поможет продлить срок службы батареи и срок службы.

Двигатель BLDC также считается двигателем с высокой надежностью и низким электрическим шумом, поскольку он не имеет щеток. В щеточном двигателе щетка и коллектор изнашиваются из-за постоянного, частого контакта при движении, а также вызывают искры и тепло в точке контакта.

В частности, электрический шум считается результатом сильных искр, которые часто возникают в местах, где щетка проходит через отверстия внутри коллектора. Это также объясняет, почему двигатели BLDC обычно считаются более подходящими для приложений, в которых необходимо избегать электрических помех.

Двигатели BLDC также считаются долговечными.

5. Идеальное применение для бесщеточных двигателей

Бесщеточные двигатели уже давно используются в производстве стиральных машин, кондиционеров и другой бытовой электроники. А недавно этот мотор появился и в вентиляторах, из-за их высокого КПД, что позволило значительно снизить количество потребляемой вентилятором мощности.

BLDC также используется для работы пылесоса. В некоторых случаях изменение настроек их программы управления приведет к значительному скачку скорости вращения. Это пример управляемости этих двигателей первого порядка.

Бесщеточные двигатели также используются для вращения жестких дисков. Благодаря их долговечности привод прослужит дольше в течение длительного времени. В то же время энергоэффективность двигателя также способствует снижению энергопотребления.

Двигатель BLDC также идеально подходит для дронов. Их точное управление положением делает их особенно подходящими для многоцелевых дронов, которые управляются путем точного контроля положения и скорости вращения каждого винта.

Заключение

В статье выше мы узнали, что бесколлекторные двигатели отличаются превосходной производительностью, управляемостью и долговечностью. Для получения максимальной отдачи от этих двигателей необходим тщательный и тщательный контроль.

Контакт для подробной консультации: 093.659.2556

• Bao An Technical Service Акционерное общество — Bao An Automation
• Адрес: Van Tra, An Dong, An Duong, Hai Phong City
• Горячая линия: 093.659.2556
• Веб-сайт: https://baoanjsc.com.vn
• Электронная почта: [email protected]
• Фан-страница: https://www. facebook.com/BaoAnAutomation 

Конструкция и принцип работы BLDC двигателей

Конструкция и принципы работы BLDC двигателей во многом схожи с асинхронными двигателями переменного тока и коллекторными двигателями постоянного тока . Как и все другие двигатели, двигатели BLDC также имеют ротор и статор.

Электрические двигатели были разработаны в различных специальных типах, таких как шаговые двигатели, серводвигатели, двигатели с постоянными магнитами и т. д. У нас есть много вариантов, чтобы выбрать двигатель, который наиболее подходит для нашей области применения.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока или бесщеточный двигатель постоянного тока — это тип, который наиболее подходит для приложений, требующих высокой надежности, высокой эффективности, большего крутящего момента на единицу веса и т. д.0006

Как и любой другой электродвигатель, бесконтактный двигатель постоянного тока имеет статор и ротор.

Постоянные магниты устанавливаются на роторе бесконтактного двигателя постоянного тока, а статор наматывается с определенным числом полюсов. Это основное конструктивное различие между бесщеточным двигателем и типичным двигателем постоянного тока.

В зависимости от конструкции могут быть два типа двигателей BLDC:

1. Конструкция внутреннего ротора BLDC

Это обычная конструкция, в которой ротор расположен в сердечнике (в центре), а обмотка статора окружает его. .

2. Конструкция с внешним ротором BLDC

В этой конструкции ротор является внешним. то есть обмотки статора расположены на сердечнике, а ротор с постоянными магнитами окружает статор.

Принцип работы асинхронного двигателя постоянного тока

Обмотки статора асинхронного двигателя постоянного тока подключены к цепи управления (встроенная коммутационная схема). Схема управления подает питание на соответствующую обмотку в нужное время по схеме, которая вращается вокруг статора.

Магнит ротора пытается выровняться с электромагнитом статора, находящимся под напряжением, и как только он выровняется, подается питание на следующий электромагнит. Таким образом, ротор продолжает работать.

Коллектор помогает достичь однонаправленного крутящего момента в типичном двигателе постоянного тока.

Очевидно, что в бесщеточном двигателе постоянного тока отсутствует коллектор и щеточное устройство. А встроенная схема инвертора/переключения используется для достижения однонаправленного крутящего момента.

Вот почему эти двигатели иногда также обозначаются как «двигатели с электронной коммутацией».

Бесколлекторный Vs. Коллекторный двигатель постоянного тока

Щетки требуют частой замены из-за механического износа, следовательно, щеточный двигатель постоянного тока требует периодического обслуживания. Кроме того, когда щетки передают ток на коммутатор, возникает искрение. Щетки ограничивают максимальную скорость и количество полюсов, которые может иметь якорь. Все эти недостатки устранены в бесколлекторном двигателе постоянного тока. Электронная схема управления требуется в бесщеточном двигателе постоянного тока для переключения магнитов статора, чтобы двигатель работал.