конструкция, принцип работы, классификация, характеристики

Постоянное совершенствование технологий и развитие точного электрооборудования приводит к созданию новых и преобразованию старых устройств. Такому совершенствованию подвергаются и электрические машины, которые неоднократно преобразовывались для получения точного позиционирования. При массовом внедрении полупроводниковых приборов появилась возможность заменить классические щетки на p-n переходы, в результате чего был создан  вентильный двигатель.

Конструкция и принцип работы

Конструктивно вентильный агрегат представляет собой разновидность синхронного двигателя.

В его состав входят:

• Ротор, как правило, из магнитного материала, реагирующий на воздействие электромагнитного поля. 
• Статор, включающий в себя фазы обмоток, намотанные в катушки станину и диэлектрическую прокладку.
• Измерительные датчики (чаще всего Холла), позволяющие определить положение вращения вала.
• Микропроцессорный блок, формирующий импульсы, их форму, задающие частоту вращения ротора, сравнивающий показания датчиков и подаваемого переменного тока на фазные обмотки.

Пример конструкции вентильного двигателя приведен на рисунке ниже:

Рис. 1. Конструкция вентильного двигателя

Принцип работы вентильного двигателя заключается в четком позиционировании постоянных магнитов на роторе по отношению к формируемому пику электромагнитного импульса на фазных электрических обмотках. При движении магнитов датчики воспринимают информацию об их положении в пространстве и меняют пропускную способность реактивных вентильных преобразователей, что позволяет валу вращаться дальше. Таким образом, управление вращением осуществляется без использования скользящего контакта, поэтому данная категория электрических машин относится к категории бесколлекторных электродвигателей.

Статор

Рис. 2. Конструкция статора вентильного двигателя

Конструктивно статор мало чем отличается от классических моделей синхронных и асинхронных двигателей. Это металлический цельнолитой или наборной магнитопровод, в пазах которого укладываются фазные провода. Количество обмоток якоря определяется числом подключаемых фаз и периодичностью их чередования. Чем чаще уложены обмотки статора, тем точнее контролируется вращение вентильного электродвигателя.

Полюса статора также могут характеризоваться смещением на строго определенный угол, как и его обмотки. По количеству фаз коммутации вентильные двигатели бывают двух-, трех-, четырех- и шестифазными.

Ротор

В зависимости от конструкции ротора бесконтактные двигатели могут иметь внутрироторное и внешнероторное исполнение.

Рис. 3. Внешнероторные и внутрироторные модели

Количество пар полюсов также может отличаться, но уже без каких-либо привязок к обмоткам, как правило, этот параметр варьируется от двух до шестнадцати с парным шагом.

В более старых моделях для бесколлекторных двигателей использовались постоянные магниты из ферритовых сплавов. Которые отличались доступностью и относительно более низкой себестоимостью, но имели слишком низкие показатели индукции. Однако с постепенным развитием технологий, на смену им пришли магнитные элементы из редкоземельных металлов. Этот вариант обладает более точным позиционированием, но и стоит он дороже.

Рис. 4. Вентильный двигатель с внешним ротором

Датчик положения ротора

В синхронных электродвигателях датчик необходим для осуществления обратной связи с положением вала механического устройства. В зависимости от принципа действия могут применяться датчики:

• Фотоэлектрического принципа действия;
• Трансформаторного;
• Индуктивного;
• На эффекте Холла.

Рис. 5. Датчик положения ротора

Наиболее распространенными вариантами для практической реализации стали фотоэлектрические датчики и датчики с эффектом Холла. Они обладают большей точностью и меньше запаздывают при передаче данных в канале связи. Датчики привязываются к определенным маркерам на валу и реагируют на их прохождение.

Система управления

В состав блока управления, как правило, входит микроконтроллер и электронный ключ для подключения к двух- или трехфазным обмоткам двигателя. Микроконтроллер или микропроцессор необходим для обработки получаемых с датчиков сигналов и последующего преобразования синусоидальной коммутации в более удобную форму сигнала. Электрические преобразователи выполняется на базе полупроводниковых транзисторов, соединенных по мостовой схеме. Они производят широтно-импульсную модуляцию питающего напряжения в соответствии с заданным режимом работы.

Рис. 6. Электронный ключ вентильного двигателя

Классификация

По типу питания вентильные  электрические машины подразделяются на электродвигатели постоянного и переменного тока.

По способу взаимодействия магнитного поля статора и ротора встречаются синхронные, асинхронные и индукторные аппараты.

Помимо этого, в зависимости от числа задействованных фаз они разделяются на:

• Однофазные – представляю собой наиболее простой вариант, где используется минимум линий передачи питающего напряжения от блока управления к его обмоткам. Однако в некоторых позиция существует трудность пуска такого вентильного двигателя под нагрузкой.
• Двухфазные – обладают хорошей связью между обмоткой и статором. Но выдают довольно сильные пульсации, которые могут привести к негативным последствиям в работе.
• Трехфазные – наиболее распространенные варианты, способные выдать плавный пуск и нормальный режим работы вентильного двигателя. Характеризуется четным количеством обмоток и хорошими тяговыми характеристиками. К его недостаткам относят лишь чрезмерный шум во время работы.
• Четырехфазные – характеризуются минимальными пульсациями низким пусковым моментом. Но, в сравнении с другими моделями, они имеют высокую себестоимость, из-за чего применяются редко.

Рис. 7. Четырехфазный вентильный двигатель

Технические характеристики

При выборе конкретной модели важно определить ее соответствие месту установки, поэтому важно обращать внимание на следующие характеристики вентильных двигателей:

• номинальное напряжение – определяет питающую величину, которая должна подаваться на вентильный двигатель для получения номинального усилия;
• потребляемая мощность – характеристика электродвигателя, показывающая величину мощности, расходуемую на работу устройства;
• КПД – показывает соотношение полезной работы, совершаемой вентильным двигателем к израсходованной мощности;
• мощность на валу – полезная работа электрической машины, совершаемая за счет тягового усилия;
• номинальная частота – определяет количество оборотов в минуту, которые вентильный двигатель может совершать в номинальном режиме работы;
• диапазон регулировки частоты – показывает, в каких пределах можно изменять частоту оборотов вала для конкретной модели;
• номинальный крутящий момент – определяет усилие, создаваемое на валу вентильного двигателя при оптимальных параметрах работы, также в параметрах может регламентироваться пусковой и максимальный момент;
• коэффициент нагрузки – показывает, насколько снижается эффективность электрической машины, в зависимости от подъема над уровнем моря;
• габаритные размеры и масса вентильного двигателя.

Преимущества и недостатки

В сравнении с другими типами электрических машин, вентильный двигатель имеет ряд качественных отличий, дающих ему как выгодное, превосходство, так и определенные недостатки.

К преимуществам вентильных двигателей относят:

• Относительно небольшая величина магнитных потерь из-за отсутствия постоянно действующего поля, как в классических синхронных и асинхронных электродвигателях.
• Обеспечивает безопасное вращение даже с максимальной нагрузкой, в отличии от коллекторных электродвигателей.
• За счет встроенного преобразователя частоты коммутация вентильного преобразователя обеспечивает широкий спектр скоростей вращения, которые отличаются плавным переходом от одной к последующей.
• Хорошая динамика  работы и точность позиционирования, способная создать конкуренцию шаговым двигателям.
• Относительно большая степень надежности и длительный срок эксплуатации без обслуживания за счет отсутствия скользящего контакта, в отличии от коллекторных двигателей.
• Может применяться во взрывоопасной среде, в отличии от электродвигателей постоянного и переменного тока со щетками.

К недостаткам вентильных агрегатов следует отнести их высокую себестоимость, наличие дополнительных элементов, усложняющих последующую эксплуатацию. Также существенным минусом считается  сложность управления и задания логики перемещения рабочих органов трехфазных бесколлекторных двигателей в соответствии с меняющимися факторами производственного процесса.

Применение

Вентильные двигатели применяются во всех сферах, где требуется регулировать скорость вращения рабочего элемента. Такие синхронные приводы имеют точное позиционирование и применяются для компьютерной техники, устройств привода, винчестера, куллеров обдува и т.д.

Рис. 8. Вентильный двигатель в компьютере

Помимо этого он используется в робототехнике, строительстве спутников, летательных аппаратов. Для бытовой техники, в устройствах автомобилестроения, в медицинской сфере.  Также нашел широкое применение в станочном оборудовании, горнодобывающих машинах, используется в компрессорных установках и насосных станциях.

Вентильные двигатели. Виды и устройство. Работа и применение

Электродвигатели, работающие от постоянного тока, обычно обладают более высокими экономическими и техническими характеристиками, по сравнению с двигателями переменного тока. Единственным серьезным недостатком является наличие щеточного механизма, существенно понижающего надежность всей конструкции, повышающего инерционность ротора, взрывоопасность двигателя, а также создает радиопомехи.

Поэтому были созданы бесконтактные двигатели, работающие от постоянного тока, которые получили название вентильные двигатели. Создание такого нового устройства стало возможным, благодаря появлению полупроводников. Щеточный механизм в этой конструкции заменен коммутатором на основе полупроводниковых элементов. Якорь является неподвижным элементом, а на роторе закреплены постоянные магниты.

В целом вентильные двигатели включают в себя три подсистемы:

1. Электронную.
2. Механическую.
3. Электрическую.

В результате получается мехатронное устройство, которое позволяет сделать корпус более компактным, избавиться от дополнительных деталей, лишних преобразователей, а соответственно сделать весь привод механизма более надежным.

Вентильный электродвигатель представляет собой измененный вариант коллекторного мотора постоянного тока. Мотор имеет индуктор, расположенный на роторе, обмотка якоря находится на статоре. Электричество подается управляющими командами на статорные обмотки, в зависимости от угла поворота ротора, который определяется встроенными датчиками Холла.

Ротор

Основу этого элемента составляет многополюсный постоянный магнит, который может иметь разное количество пар полюсов (от 2 до 8), с чередованием полюсов. Поначалу для производства роторов применяли ферритовые магниты невысокой стоимости. Однако ферритовые магниты имеют недостаток в том, что у них низкое значение магнитной индукции.

Современные конструкции роторов оснащают магнитами, изготовленными из редкоземельных элементов. Они дают возможность получить большую магнитную индукцию, а также сделать ротор более компактным.

Статор

Вентильный электродвигатель обычно имеет статор, состоящий из 3-х обмоток, соединенных «звездой» без отвода от средней точки, и внешне похожий на статор асинхронного мотора. Существуют вентильные двигатели со статором с большим количеством обмоток, а кроме схемы «звезды» их могут соединять «треугольником». Трехфазная структура обмоток считается наиболее эффективной при наименьшем количестве обмоток.

Если сравнивать две рассмотренные схемы соединения, то схема «звезды» предполагает больший момент вращения и меньшие показатели противо-ЭДС, в отличие от схемы «треугольника». Поэтому «звезду» чаще всего применяют для получения больших крутящих моментов, а «треугольник» — больших скоростей вращения.

Датчики положения и термодатчик

Этот чувствительный элемент создает обратную связь, и определяет положение ротора. Такие датчики могут работать по разным принципам – эффекта Холла, фотоэлектрическому и т. д. Большое распространение получили фотоэлектрические и датчики Холла. Они не имеют инерционности и дают возможность работы без запаздывания при определении положения ротора.

Фотоэлектрический датчик в его стандартном виде имеет три стационарных фотоприемника. Они по очереди закрываются шторкой, которая крутится синхронно ротору. Двоичный код, поступающий от датчиков, фиксирует шесть разных положений ротора. Управляющее устройство преобразует сигналы датчиков в управляющие импульсы напряжений, которые в свою очередь управляют полупроводниковыми ключами.

В каждый рабочий такт мотора включены два силовых ключа, и к электроэнергии подключены две обмотки из трех. Якорные обмотки расположены со сдвигом 120 градусов, и соединены между собой так, что при управлении силовыми ключами образуется вращающееся магнитное поле.

Дополнительно в вентильном двигателе могут иметься термодатчик, тормозной механизм. Тахогенератор используется в случае работы мотора в режиме стабилизации скорости с большой точностью.

Термодатчик служит для предохранения обмоток от перегрева, и включает в себя несколько позисторов, соединенных друг с другом между собой последовательно. Позисторы – резисторы, сопротивление которых зависит от температуры, чем больше температура, тем выше их сопротивление.

Принцип действия

Контроллер вентильного двигателя подключает обмотки статора так, что направление магнитного поля статора всегда перпендикулярно направлению поля ротора. Благодаря широтно-импульсной модуляции контроллер управляет током, который проходит по обмоткам. В результате создается момент вращения ротора, который регулируется.

Виды

Вентильные двигатели бывают постоянного и переменного тока. Кроме того, их разделяют на виды по числу фаз:

• Однофазные. Это наиболее простая конструкция вентильных двигателей с минимальным числом связей между электронной системой и мотором. К недостаткам однофазных двигателей относятся большие пульсации, невозможность пуска при некоторых положениях ротора. Однофазные моторы широко используются в механизмах, где необходима высокая скорость работы.
• Двухфазные. Такие вентильные двигатели работают в механизмах, где обязательно наличие связи обмотки и статора. К недостаткам можно отнести большой момент вращения и сильные пульсации, способные привести к отрицательным последствиям.
• Трехфазные. Эта дисковая конструкция мотора применяется для создания момента вращения, не применяя для этого большое число фаз. Этот вид моторов используется во многих отраслях промышленности, а также в бытовых условиях. Это наиболее распространенная конструкция, по сравнению с другими. Трехфазные двигатели вентильного типа, имеющие четное количество полюсов, стали хорошим вариантом для устройств, где требуется сочетание небольшой скорости и высокой мощности. Недостатками 3-фазных вентильных моторов является высокий уровень шума.
• 4-фазные. У таких двигателей значительно уменьшен момент вращения и пульсаций. Используются они достаточно редко, так как они имеют высокую стоимость.

Вентильные двигатели применяются во многих областях производства, например, на буровых установках, в системах охлаждения на химических заводах, на нефтяных скважинах.

Достоинства

• Небольшие потери энергии, благодаря малому магнитному сопротивлению.
• Высокая безопасность при работе на максимальных нагрузках.
• Широкий интервал рабочих скоростей.
• Высокая точность работы и динамика.
• Плавное переключение скоростей.
• Нет коллекторного щеточного узла, который требует техобслуживания.
• Возможность применения в агрессивной среде.
• Длительный срок службы.
• Высокая надежность.

Недостатки

• Сложное управление.
• Высокий показатель шума.
• Высокая стоимость, в отличие от других аналогичных моторов, так как используются полупроводниковые силовые ключи.

Похожие темы:

• Электродвигатели постоянного тока. Устройство и работа. Виды
• Асинхронные электродвигатели. Виды и устройство. Работа
• Синхронные электродвигатели. Работа и применение. Особенности
• Магнитные двигатели. Виды и устройство. Применение и работа
• Микродвигатели. Виды и устройство. Подключения и особенности
• Шаговые электродвигатели. Виды и работа. Особенности
• Электродвигатель. Виды и применение. Работа и устройство
• Сельсины. Виды и особенности. Режимы работы

Бесщеточные двигатели постоянного тока | Двигатели BLDC от NANOTEC

Бесщеточные двигатели постоянного тока, сокращенно называемые двигателями BLDC, несмотря на свое название, представляют собой трехфазные синхронные машины: ротор следует за магнитным вращательным полем, а движение синхронно с напряжением переменного тока, приложенным к обмоткам. Этот тип двигателя часто называют «бесщеточным двигателем постоянного тока», потому что во многих приложениях он заменяет двигатели постоянного тока щетками (щеточные двигатели постоянного тока или коллекторные двигатели). В коллекторном двигателе постоянного тока подается напряжение постоянного тока, генерирующее переменный ток, не зависящий от скорости, с помощью механического инвертора в двигателе — щеток.

Вместе с электронным контроллером привода, который берет на себя управление работой щеток и преобразует подаваемый постоянный ток в переменный, двигатель BLDC обеспечивает производительность, сравнимую с работой коллекторного двигателя постоянного тока — без щеток, которые имеют ограниченный срок службы. Поэтому двигатели BLDC также называют двигателями EC (с электронной коммутацией), чтобы отличить их от двигателей с механической коммутацией и щетками.

Другим часто используемым термином является синхронный двигатель с постоянными магнитами. Здесь «постоянный магнит» используется, чтобы отличить его от других синхронных двигателей, которые работают с обмоткой возбуждения на роторе, тогда как BLDC постоянно находится под напряжением. Другими словами, ротор двигателя создает магнитное поле с помощью постоянного магнита, даже если статор не находится под напряжением.

Термины PMSM и BLDC часто сопоставляют, чтобы различать двигатели PMSM с синусоидальным индуктивным напряжением (противо-ЭДС) и двигатели BLDC с трапециевидным индуктивным напряжением (см. ниже). Сегодня большинство двигателей BLDC демонстрируют синусоидальную противоЭДС.

1. Структура/типы

Большинство двигателей BLDC представляют собой «двигатели с внутренним ротором», в которых ротор вращается с помощью постоянных магнитов на валу в стационарном статоре с катушками. В «двигателях с внешним ротором» статор расположен внутри, а ротор состоит из вращающегося снаружи колоколообразного корпуса, в котором установлены магниты.

Преимущества двигателей с внутренним ротором заключаются в низкой инерции ротора и лучшем рассеивании тепла. Напротив, в двигателях с внешним ротором теплогенерирующие катушки изолированы от окружающей среды корпусом ротора и магнитами. Из-за высокого момента инерции ротора и того факта, что корпус ротора с трудом поддается балансировке, двигатели с внешним ротором не подходят для очень высоких скоростей вращения.

Соответственно, двигатели с внутренним ротором используются в большинстве промышленных применений. Двигатели с внешним ротором демонстрируют свои преимущества при серийном применении, поскольку их производство дешевле. Их также можно сделать короче и обычно они имеют меньший момент фиксации, а также более высокий крутящий момент — благодаря большему диаметру ротора при той же магнитной силе.

Оба двигателя обычно имеют три фазы. Однако существуют также конструкции с одной или двумя фазами. Далее будут описаны только трехфазные двигатели BLDC, потому что Nanotec производит только их.

Двигатели с внутренним и внешним ротором изготавливаются с щелевыми обмотками; здесь провод обмотки наматывается на башмаки полюсов статора (железный сердечник), что позволяет линиям магнитного поля обмотки вытекать и концентрироваться в определенной форме. Статор состоит из тонких, смещенных друг к другу изолированных металлических пластин для сведения к минимуму потерь на вихревые токи.

Двигатели BLDC без пазов представляют собой особый тип двигателя с внутренним ротором, который очень популярен в очень маленьких двигателях. Их статоры состоят только из кольцеобразных металлических пластин, а внутри закреплена плоская, склеенная или герметизированная обмотка. Поскольку нет железного сердечника, индуктивность двигателя очень мала и ток в обмотках быстро возрастает. Кроме того, потери в железе значительно снижены, а двигатели имеют более высокий КПД. При медленной работе положительно сказывается отсутствие пульсаций крутящего момента. В отличие от стандартных двигателей BLDC, магнитное поле не усиливается на полюсных башмаках и отсутствует фиксирующий крутящий момент. Этот тип конструкции особенно важен для двигателей диаметром менее 40 мм, так как их удельная мощность значительно выше, чем у щелевых двигателей. Это связано с тем, что в результате производства у щелевых двигателей относительно большая часть статора всегда остается незаполненной между обмотками. С другой стороны, в двигателях без пазов это пространство может быть полностью заполнено медной обмоткой. Чем меньше диаметр двигателей, тем более важным становится это преимущество бесщелевых двигателей.

Двигатель с внутренним ротором Двигатель с постоянным ротором Двигатель постоянного тока без пазов

2. Управление/коммутация двигателя

Двигатель постоянного тока вращается, потому что постоянный магнит на роторе пытается выровняться в направлении магнитного поля, создаваемого электромагнитами статора. При этом крутящий момент максимален, когда оба магнитных поля перпендикулярны друг другу. Тип управления различают двояко: по форме питания обмоток (блочное или синусоидальное) или по способам определения положения ротора. Необходимо определить положение ротора, так как токи в обмотках должны быть синхронизированы для переключения таким образом, чтобы магнитное поле статора всегда было перпендикулярно магнитному полю ротора, т.е. он продолжал вращаться с заданной скоростью.

2.1 Коммутация блока

Положение ротора можно легко определить с помощью датчиков Холла в двигателе. Затем они могут переключаться соответствующим образом совмещенным магнитом на роторе в точное время, когда обмотка должна быть переключена. Тогда три обмотки соответствуют трем датчикам Холла; их состояния определяют, как должны быть соединены обмотки. Если три обмотки переключаются цифровым способом, т. е. на обмотках нет тока или полный ток, это называется блочной коммутацией. Эта комбинация датчиков Холла и блочной коммутации является технически самым простым методом приведения в действие бесконтактного двигателя постоянного тока. Недостатком этого метода является то, что магнитное поле статора из-за дискретного переключения не всегда перпендикулярно магнитному полю ротора. Это связано с тем, что выравнивание магнитного поля статора остается постоянным через 60°, тогда как ротор вращается дальше до следующей точки переключения. Датчики Холла расположены таким образом, что магнитное поле статора в середине находится перпендикулярно между двумя точками переключения, что приводит к соответствующей угловой погрешности в 30° в точках переключения. В результате крутящий момент на 13,4% (1-косинус [30°]) ниже. Следовательно, при блочной коммутации на этом пике возникает пульсация крутящего момента с частотой, в шесть раз превышающей электрическую частоту вращения двигателя. Это приводит к вибрациям и шумам; особенно на низких оборотах двигатель будет вращаться неравномерно. Вот почему блочная коммутация не подходит для применений, в которых двигатели должны, по крайней мере, с перерывами, работать медленно (менее прибл. 10 % от номинальной скорости). В среднем пульсация крутящего момента вызывает потерю ок. 4,5% крутящего момента, а также соответствующее ухудшение КПД по сравнению с термически эквивалентным, оптимальным питанием обмоток.

2.2 Синусоидальная коммутация

Оптимальной формой питания является синусоидальная коммутация, при которой каждая обмотка двигателя питается синусоидальной волной, сдвинутой на 120°, что приводит к постоянно вращающемуся магнитному полю статора с постоянной напряженностью. Как правило, если для определения положения ротора доступны только датчики Холла, можно также использовать синусоидальную коммутацию путем интерполяции между точками переключения. В большинстве случаев это напрямую приводит к значительному улучшению характеристик мотора. Однако в случае изменения нагрузки между двумя датчиками Холла синусоида не может быть отрегулирована, что приводит к неправильному позиционированию магнитного поля. Это можно исправить только с помощью следующего сигнала датчика Холла.

Таким образом, для синусоидальной коммутации в идеале требуется система с более высоким разрешением для определения положения ротора. Обычно он состоит из оптического или магнитного энкодера, который постоянно определяет положение ротора с достаточной точностью и соответствующим образом регулирует ток.

2.3 Поле-ориентированное управление

Иногда поле-ориентированное управление все еще отличается от синусоидальной коммутации; однако часто оба термина используются взаимозаменяемо. Эти термины используются взаимозаменяемо, поскольку синусоидальная коммутация, как описано выше, оптимально управляет магнитным полем статора.

Если не учитывать, как работает сам регулятор тока, разница в описании синусоидальной коммутации не очевидна. Ранее предполагалось, что будет генерироваться синусоидальное значение тока, которое с достаточной скоростью будет вводиться в обмотку регулятором тока. Таким образом, обе задачи, значение тока (которое соответствует контуру управления крутящим моментом) и управление током обмоток, обрабатываются отдельно при синусоидальной коммутации или, соответственно, выполняются отдельными контроллерами. Однако в этом случае регуляторы тока для обмоток получают с увеличением скорости значение тока, которое изменяется с большей частотой. В то же время необходимо компенсировать все более сильное влияние противо-ЭДС двигателя. Поскольку полоса пропускания регулятора тока имеет верхний предел, при более высоких скоростях могут возникать фазовые сдвиги и искажения токовых потоков, так что магнитное поле статора больше не перпендикулярно ротору.

Управление по полю решает эту проблему, управляя вектором тока непосредственно во вращающейся системе координат ротора. Для этого измеренные токи трех фаз преобразуются посредством преобразования Кларка-Парка в двухосную систему координат ротора. Таким образом, значение крутящего момента больше не будет сначала преобразовываться в значения тока, как в случае с синусоидальной коммутацией для отдельных обмоток, каждая из которых затем управляется отдельно; но вместо этого одновременно контролируется в системе координат уровень тока ротора и ориентация магнитного поля. Затем рассчитываются токи для отдельных обмоток (через обратное преобразование Кларка-Парка). При этом методе управление не зависит от частоты и даже при более высоких скоростях вращения всегда будет обеспечивать оптимальный синусоидальный ток.

2.4 Бездатчиковое управление

Бездатчиковое управление – это не дополнительный метод управления, а скорее термин для методов, позволяющих определять положение ротора без датчиков (например, датчиков Холла, энкодеров). Эти методы можно условно разделить на два класса:

Простое бездатчиковое управление основано на прямом измерении противо-ЭДС в соответствующей обмотке, не находящейся под напряжением. Однако по сравнению со стандартным контролем этот метод требует специального оборудования и нестабилен ниже прибл. 20 % от номинальной скорости двигателя, так как сигнал измерения слишком мал. Кроме того, этот метод работает только в сочетании с блочной коммутацией, потому что при синусоидальной коммутации все три катушки всегда находятся под напряжением одновременно.

Более сложные решения основаны на так называемом «отслеживании наблюдателя», которое воспроизводит значения, не поддающиеся непосредственному измерению, такие как скорость или противо-ЭДС, из других значений, измеренных контроллером тока. Ядром системы этого типа является чрезвычайно точная модель двигателя, которая параллельно с реальным двигателем вычисляет из известных входных значений, таких как установленный ШИМ, те значения, которые также измеряются, такие как текущий уровень в обмотка. Затем рассчитанные значения сравниваются с измеренными значениями в каждом цикле. Из-за ошибки наблюдения, определяемой этим методом, внутренние значения модели двигателя постоянно корректируются. С помощью этого метода также получают более точную оценку значений, которые фактически не измеряются, например скорости. Хотя этот метод работает только потому, что реакция обмотки изменяется в зависимости от скорости из-за наведенного напряжения, непосредственно измеренные значения могут быть легко измерены даже при низких скоростях. Результатом является «виртуальный энкодер», который предоставляет информацию о положении и скорости, начиная с определенной минимальной скорости, с той же точностью, что и настоящий оптический или магнитный энкодер. Как и в этом методе, противо-ЭДС не обязательно измерять напрямую, его также можно комбинировать с синусоидальной коммутацией или управлением, ориентированным на поле.

Общим для обоих бессенсорных методов является то, что информация о положении ротора недоступна на холостом ходу, поэтому требуется специальный метод запуска. Подобно шаговому двигателю, двигатель работает в управляемом режиме в течение нескольких коммутационных циклов, пока не наберет требуемую скорость и бездатчиковое измерение не позволит определить положение ротора.

3. Важные параметры

Скорость холостого хода	Макс. скорость вращения ненагруженного двигателя, определяемая в первую очередь константой напряжения
Ток холостого хода	Ток на холостом ходу (потребление, необходимое для преодоления трения)
Номинальная скорость/номинальный крутящий момент	Номинальная рабочая точка
Максимальный крутящий момент	Моментально достижимый крутящий момент, обычно в 3 раза больше номинального крутящего момента в течение прибл. 5 с, затем тепловой захват => I2T
Постоянный крутящий момент (Нм/А)	Указывает соотношение между крутящим моментом и током
Постоянное напряжение (В/об/мин)	Наведенная противо-ЭДС на оборот

Бесколлекторные и щеточные двигатели постоянного тока: когда и почему лучше выбрать один из них | Статья

Пит Миллетт

Скачать PDF

Получите ценные ресурсы прямо на ваш почтовый ящик — отправлено один раз в месяц

Подписаться

Мы ценим ваш конфиденциальность

Введение

Многие. . Поскольку реализовать системы управления с использованием двигателей постоянного тока проще, чем с двигателями переменного тока, они часто используются, когда необходимо контролировать скорость, крутящий момент или положение.

Существует два типа широко используемых двигателей постоянного тока: коллекторные двигатели и бесщеточные двигатели (или двигатели BLDC). Как следует из их названий, щеточные двигатели постоянного тока имеют щетки, которые используются для коммутации двигателя, чтобы заставить его вращаться. Бесщеточные двигатели заменяют функцию механической коммутации электронным управлением.

Во многих случаях можно использовать коллекторный или бесщеточный двигатель постоянного тока. Они функционируют на основе тех же принципов притяжения и отталкивания между катушками и постоянными магнитами. У обоих есть преимущества и недостатки, которые могут заставить вас выбрать один из них, в зависимости от требований вашего приложения.

Коллекторные двигатели постоянного тока

Коллекторные двигатели постоянного тока (изображение предоставлено maxon group)

В двигателях постоянного тока для создания магнитного поля используются витки проволоки. В щеточном двигателе эти катушки могут свободно вращаться, приводя в движение вал — они являются частью двигателя, которая называется «ротор». Обычно катушки наматываются на железный сердечник, хотя есть и щеточные двигатели без сердечника, в которых обмотка является самоподдерживающейся.

Неподвижная часть двигателя называется «статором». Постоянные магниты используются для создания стационарного магнитного поля. Обычно эти магниты располагаются на внутренней поверхности статора снаружи ротора.

Чтобы создать крутящий момент, который заставляет ротор вращаться, магнитное поле ротора должно непрерывно вращаться, чтобы его поле притягивало и отталкивало фиксированное поле статора. Чтобы заставить поле вращаться, используется скользящий электрический переключатель. Переключатель состоит из коммутатора, который обычно представляет собой сегментированный контакт, закрепленный на роторе, и неподвижных щеток, закрепленных на статоре.

По мере вращения ротора различные наборы обмоток ротора постоянно включаются и выключаются коммутатором. Это заставляет катушки ротора постоянно притягиваться и отталкиваться от неподвижных магнитов статора, что заставляет ротор вращаться.

Поскольку существует некоторое механическое трение между щетками и коллектором, а так как это электрический контакт, его, как правило, нельзя смазывать, в течение срока службы двигателя происходит механический износ щеток и коллектора. Этот износ в конечном итоге достигнет точки, когда двигатель больше не работает. Многие щеточные двигатели, особенно большие, имеют сменные щетки, обычно сделанные из углерода, которые предназначены для поддержания хорошего контакта по мере износа. Эти двигатели требуют периодического обслуживания. Даже со сменными щетками со временем коллектор также изнашивается до такой степени, что двигатель необходимо заменить.

Для привода щеточного двигателя на щетки подается постоянное напряжение, которое пропускает ток через обмотки ротора, заставляя двигатель вращаться.

В тех случаях, когда требуется вращение только в одном направлении, а скорость или крутящий момент не нужно контролировать, для коллекторного двигателя вообще не требуется приводной электроники. В подобных приложениях напряжение постоянного тока просто включается и выключается, чтобы заставить двигатель работать или останавливаться. Это типично для недорогих приложений, таких как моторизованные игрушки. Если требуется реверс, это можно сделать с помощью двухполюсного выключателя.

Для облегчения управления скоростью, крутящим моментом и направлением используется «H-мост», состоящий из электронных переключателей — транзисторов, IGBT или MOSFET, — позволяющий двигателю вращаться в любом направлении. Это позволяет подавать напряжение на двигатель любой полярности, что заставляет двигатель вращаться в противоположных направлениях. Скоростью двигателя или крутящим моментом можно управлять с помощью широтно-импульсной модуляции одного из переключателей.

Бесщеточные двигатели постоянного тока

Бесщеточные двигатели постоянного тока (изображение предоставлено maxon group)

Бесщеточные двигатели постоянного тока работают по тому же принципу магнитного притяжения и отталкивания, что и щеточные двигатели, но имеют несколько иную конструкцию. Вместо механического коммутатора и щеток магнитное поле статора вращается с помощью электронной коммутации. Это требует использования активной управляющей электроники.

В бесщеточном двигателе к ротору прикреплены постоянные магниты, а к статору — обмотки. Бесщеточные двигатели могут быть сконструированы с ротором внутри, как показано выше, или с ротором снаружи обмоток (иногда его называют двигателем с опережением).

Количество обмоток, используемых в бесщеточном двигателе, называется количеством фаз. Хотя бесщеточные двигатели могут иметь разное количество фаз, трехфазные бесщеточные двигатели являются наиболее распространенными. Исключением являются небольшие охлаждающие вентиляторы, которые могут использовать только одну или две фазы.

Три обмотки бесщеточного двигателя соединены по схеме «звезда» или «треугольник». В любом случае к двигателю подключаются три провода, а технология привода и форма сигнала идентичны.

Трехфазные двигатели могут быть сконструированы с различными магнитными конфигурациями, называемыми полюсами. Простейшие трехфазные двигатели имеют два полюса: ротор имеет только одну пару магнитных полюсов, один северный и один южный. Двигатели также могут быть построены с большим количеством полюсов, что требует большего количества магнитных секций в роторе и большего количества обмоток в статоре. Большее количество полюсов может обеспечить более высокую производительность, хотя очень высокие скорости лучше достигаются при меньшем количестве полюсов.

Для привода трехфазного бесщеточного двигателя каждая из трех фаз должна быть подключена либо к входному напряжению питания, либо к земле. Для этого используются три схемы привода «полумост», каждая из которых состоит из двух ключей. Переключатели могут быть биполярными транзисторами, IGBT или MOSFET, в зависимости от требуемого напряжения и тока.

Существует ряд методов привода, которые можно использовать для трехфазных бесщеточных двигателей. Самые простые называются трапециевидной, блочной или 120-градусной коммутацией. Трапециевидная коммутация чем-то похожа на метод коммутации, используемый в щеточном двигателе постоянного тока. В этой схеме в любой момент времени одна из трех фаз соединена с землей, одна оставлена ​​разомкнутой, а другая подключена к напряжению питания. Если требуется управление скоростью или крутящим моментом, обычно фаза, подключенная к источнику питания, модулируется по ширине импульса. Поскольку фазы переключаются резко в каждой точке коммутации, а вращение ротора постоянно, при вращении двигателя возникает некоторое изменение крутящего момента (называемое пульсацией крутящего момента).

Для повышения производительности можно использовать другие методы коммутации. Синусоидальная или 180-градусная коммутация постоянно пропускает ток через все три фазы двигателя. Электроника привода генерирует синусоидальный ток через каждую фазу, каждая из которых смещена на 120 градусов относительно другой. Этот метод привода сводит к минимуму пульсации крутящего момента, а также акустический шум и вибрацию и часто используется для высокопроизводительных или высокоэффективных приводов.

Чтобы правильно вращать поле, управляющая электроника должна знать физическое положение магнитов на роторе относительно статора. Часто информацию о положении получают с помощью датчиков Холла, установленных на статоре. Когда магнитный ротор вращается, датчики Холла улавливают магнитное поле ротора. Эта информация используется электроникой привода для пропускания тока через обмотки статора в такой последовательности, которая заставляет ротор вращаться.

Используя три датчика Холла, трапециевидную коммутацию можно реализовать с помощью простой комбинационной логики, поэтому нет необходимости в сложной управляющей электронике. Другие методы коммутации, такие как синусоидальная коммутация, требуют немного более сложной управляющей электроники и обычно используют микроконтроллер.

Помимо обеспечения обратной связи по положению с помощью датчиков Холла, существуют различные методы, которые можно использовать для определения положения ротора без датчиков. Самый простой способ — контролировать противо-ЭДС на невозбужденной фазе, чтобы измерить магнитное поле относительно статора. Более сложный алгоритм управления, называемый Field Oriented Control или FOC, вычисляет положение на основе токов ротора и других параметров. FOC обычно требует довольно мощного процессора, так как многие вычисления должны выполняться очень быстро. Это, конечно, дороже, чем простой трапециевидный способ управления.

Коллекторные и бесщеточные двигатели: преимущества и недостатки

В зависимости от области применения существуют причины, по которым вы можете предпочесть бесщеточный двигатель щеточному двигателю. В следующей таблице приведены основные преимущества и недостатки каждого типа двигателя:

Срок службы

Как упоминалось ранее, одним из недостатков щеточных двигателей является механический износ щеток и коллектора. В частности, угольные щетки являются жертвенными, и во многих двигателях они предназначены для периодической замены в рамках программы технического обслуживания. Мягкая медь коллектора также медленно изнашивается щетками и в конечном итоге достигает точки, когда двигатель больше не работает. Поскольку бесщеточные двигатели не имеют подвижных контактов, они не подвержены такому износу.

Скорость и ускорение

Скорость вращения щеточных двигателей может быть ограничена щетками и коллектором, а также массой ротора. На очень высоких скоростях контакт щетки с коллектором может стать неустойчивым, и искрение щетки увеличится. В большинстве щеточных двигателей также используется сердечник из многослойного железа в роторе, что придает им большую инерцию вращения. Это ограничивает скорость разгона и торможения двигателя. Можно построить бесщеточный двигатель с очень мощными редкоземельными магнитами на роторе, что минимизирует инерцию вращения. Конечно, это увеличивает стоимость.

Электрические помехи

Щетки и коллектор образуют своего рода электрический переключатель. При вращении двигателя переключатели размыкаются и замыкаются, а через обмотки ротора, которые являются индуктивными, протекает значительный ток. Это приводит к искрению на контактах. Это создает большое количество электрических помех, которые могут попасть в чувствительные цепи. Возникновение дуги можно несколько смягчить, добавив конденсаторы или гасители RC между щетками, но мгновенное переключение коммутатора всегда вызывает электрический шум.

Акустический шум

Коллекторные двигатели имеют «жесткое переключение», то есть ток резко переходит с одной обмотки на другую. Создаваемый крутящий момент меняется в зависимости от вращения ротора, когда обмотки включаются и выключаются. В бесщеточном двигателе можно управлять токами обмоток таким образом, чтобы ток постепенно переходил от одной обмотки к другой. Это снижает пульсацию крутящего момента, которая представляет собой механическую пульсацию энергии на роторе. Пульсации крутящего момента вызывают вибрацию и механический шум, особенно при низких скоростях вращения ротора.

Стоимость

Поскольку бесщеточные двигатели требуют более сложной электроники, общая стоимость бесщеточного привода выше, чем у щеточного двигателя. Несмотря на то, что бесщеточный двигатель проще в производстве, чем щеточный двигатель, поскольку в нем отсутствуют щетки и коммутатор, технология щеточного двигателя является очень зрелой, а производственные затраты низки. Ситуация меняется по мере того, как бесщеточные двигатели становятся все более популярными, особенно в крупносерийном производстве, например, в автомобильных двигателях. Кроме того, стоимость электроники, такой как микроконтроллеры, продолжает снижаться, что делает бесколлекторные двигатели более привлекательными.

Резюме

Из-за снижения стоимости и повышения производительности бесщеточные двигатели становятся все более популярными во многих областях применения. Но есть еще места, где щеточные двигатели имеют больше смысла.

Многому можно научиться, глядя на внедрение бесколлекторных двигателей в автомобилях. По состоянию на 2020 год большинство двигателей, которые работают всякий раз, когда работает автомобиль, такие как насосы и вентиляторы, перешли с щеточных двигателей на бесщеточные для повышения их надежности. Дополнительная стоимость двигателя и электроники более чем компенсирует более низкий уровень отказов в полевых условиях и снижение требований к техническому обслуживанию.

С другой стороны, двигатели, которые используются нечасто, например, двигатели, приводящие в движение сиденья с электроприводом и электрические стеклоподъемники, остались преимущественно щеточными. Причина в том, что общее время работы в течение срока службы автомобиля очень мало, и очень маловероятно, что двигатели откажут в течение срока службы автомобиля.

По мере того, как стоимость бесщеточных двигателей и связанной с ними электроники продолжает снижаться, бесщеточные двигатели находят применение в приложениях, которые традиционно использовались щеточными двигателями.