Бесколлекторный двигатель принцип работы: Управление бесколлекторным двигателем постоянного тока, принцип работы

Содержание

Управление бесколлекторным двигателем постоянного тока, принцип работы

Содержание

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

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

Преимущества бесколлекторного двигателя

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

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

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

Как работает бесколлекторный двигатель постоянного тока

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

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

Управление бесколлекторным двигателем постоянного тока

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

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

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

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

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

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

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


Бесколлекторные двигатели постоянного тока. Что это такое? — Avislab

Этой статьёй я начинаю цикл публикаций о бесколлекторных двигателях постоянного тока. Доступным языком  опишу общие сведения, устройство, алгоритмы управления бесколлекторным двигателем. Будут рассмотрены разные типы двигателей, приведены примеры подбора параметров регуляторов. Опишу устройство и алгоритм работы регулятора,  методику выбора силовых ключей и основных параметров регулятора. Логическим завершением публикаций будет схема регулятора.

Бесколлекторные двигатели получили широкое распространение благодаря развитию электроники и, в том числе, благодаря появлению недорогих силовых транзисторных ключей. Также немаловажную роль сыграло появление мощных неодимовых магнитов.

Однако не стоит считать бесколлекторный двигатель новинкой. Идея бесколлекторного двигателя появилась на заре электричества. Но, в силу неготовности технологий, ждала своего времени до 1962 года, когда появился первый коммерческий бесколлекторный двигатель постоянного тока. Т.е. уже более полувека существуют различные серийные реализации этого типа электропривода!

Немного терминологии

Бесколлекторные двигатели постоянного тока называют так же вентильными, в зарубежной литературе BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) или PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor).

Конструктивно бесколлекторный двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Обращаю Ваше внимание на то, что в коллекторном двигателе наоборот, обмотки находятся на роторе. Поэтому, далее в тексте ротор — магниты, статор — обмотки.

Для управления двигателем применяется электронный регулятор. В зарубежной литературе Speed Controller или ESC (Electronic speed control).

Что такое бесколлекторный двигатель?

Обычно люди, сталкиваясь с чем-то новым, ищут аналогии. Иногда приходится слышать фразы «ну это как синхронник», или еще хуже «он похож на шаговик». Поскольку большинство бесколлекторных двигателей трехфазные, это еще больше путает, что приводит к неправильному мнению о том, что регулятор «кормит» двигатель переменным 3-x фазным током. Все вышесказанное соответствует действительности только отчасти. Дело в том, что синхронными можно назвать все двигатели кроме асинхронных. Все двигатели постоянного тока являются синхронными с самосинхронизацией, но их принцип действия отличается от синхронных двигателей переменного тока, у которых самосинхронизация отсутствует. Как шаговый бесколлекторный двигатель тоже, наверное, сможет работать. Но тут такое дело: кирпич он тоже может летать… правда, недалеко, ибо для этого не предназначен. В качестве шагового двигателя больше подойдет вентильный реактивный двигатель.

Попробуем разобраться, что собой представляет бесколлекторный двигатель постоянного тока (Brushles Direct Current Motor). В самой этой фразе уже кроется ответ — это двигатель постоянного тока без коллектора. Функции коллектора выполняет электроника.

Преимущества и недостатки

Из конструкции двигателя удаляется довольно сложный, требующий обслуживания тяжелый и искрящий узел — коллектор. Конструкция двигателя существенно упрощается. Двигатель получается легче и компактнее. Значительно уменьшаются потери на коммутацию, поскольку контакты коллектора и щетки заменяются электронными ключами. В итоге получаем электродвигатель с наилучшими показателями КПД и показателем мощности на килограмм собственного веса, с наиболее широким диапазоном изменения скорости вращения. На практике бесколлекторные двигатели греются меньше, чем их коллекторные братья. Переносят большую нагрузку по моменту. Применение мощных неодимовых магнитов сделали бесколлекторные двигатели еще более компактными. Конструкция бесколлекторного двигателя позволяет эксплуатировать его в воде и агресивных средах (разумеется, только двигатель, регулятор мочить будет очень дорого). Бесколлекторные двигатели практически не создают радиопомех.

Единственным недостатком считают сложный дорогостоящий электронный блок управления (регулятор или ESC). Однако, если вы хотите управлять оборотами двигателя, без электроники никак не обойтись. Если вам не надо управлять оборотами бесколлекторного двигателя, без электронного блока управления все равно не обойтись. Бесколлекторный двигатель без электроники — просто железка. Нет возможности подать на него напряжение и добиться нормального вращения как у других двигателей.

Что происходит в регуляторе бесколлекторного двигателя?

Для того чтобы понять, что происходит в электронике регулятора, управляющего бесколлекторным двигателем, вернемся немного назад и сначала разберемся как работает коллекторный двигатель. Из школьного курса физики помним, как магнитное поле действует на рамку с током. Рамка с током вращается в магнитном поле. При этом она не вращается постоянно, а поворачивается до определенного положения. Для того чтобы происходило непрерывное вращение, нужно переключать направление тока в рамке в зависимости от положения рамки. В нашем случае рамка с током — это обмотка двигателя, а переключением занимается коллектор — устройство со щетками и контактами. Устройство простейшего двигателя смотри на рисунке.

То же самое делает и электроника, управляющая бесколлекторным двигателем — в нужные моменты подключает постоянное напряжение на нужные обмотки статора.

Датчики положения, двигатели без датчиков

Из вышесказанного важно уяснить, что подавать напряжение на обмотки двигателя нужно в зависимости от положения ротора. Поэтому электроника должна уметь определять положение ротора двигателя. Для этого применяются датчики положения. Они могут быть различного типа, оптические, магнитные и т.д. В настоящее время очень распространены дискретные датчики на основе эффекта Холла (например SS41). В трехфазном бесколлекторном двигателе используется 3 датчика. Благодаря таким датчикам электронный блок управления всегда знает, в каком положении находится ротор и на какие обмотки подавать напряжение в каждый момент времени. Позже будет рассмотрен алгоритм управления трехфазным бесколлекторным двигателем.

Существуют бесколлекторные двигатели, которые не имеют датчиков. В таких двигателях положение ротора определяется путем измерения напряжения на незадействованной в данный момент времени обмотке. Эти методы также будут рассмотрены позднее. Следует обратить внимание на существенный момент: этот способ актуален только при вращении двигателя. Когда двигатель не вращается или вращается очень медленно, такой метод не работает.

В каких случаях применяют бесколлекорные двигатели с датчиками, а в каких — без датчиков? В чем их отличие?

Двигатели с датчиками положения более предпочтительны с технической точки зрения. Алгоритм управления такими двигателями значительно проще. Однако есть и свои минусы: требуется обеспечить питание датчиков и прокладку проводов от датчиков в двигателе к управляющей электронике; в случае выхода со строя одного из датчиков, двигатель прекращает работу, а замена датчиков, как правило, требует разборки двигателя.

В тех случаях, когда конструктивно невозможно разместить датчики в корпусе двигателя, используют двигатели без датчиков. Конструктивно такие двигатели практически не отличаются от двигателей с датчиками. А вот электронный блок должен уметь управлять двигателем без датчиков. При этом блок управления должен соответствовать характеристикам конкретной модели двигателя.

Если двигатель должен стартовать с существенной нагрузкой на валу двигателя (электротранспорт, подъёмные механизмы и т.п.) — применяют двигатели с датчиками. Если двигатель стартует без нагрузки на валу (вентиляция, воздушный винт, применяется центробежная муфта сцепления и т.п.), можно применять двигатели без датчиков. Запомните: двигатель без датчиков положения должен стартовать без нагрузки на валу. Если это условие не соблюдается, следует использовать двигатель с датчиками. Кроме того, в момент старта двигателя без датчиков возможны вращательные колебания оси двигателя в разные стороны. Если это критично для Вашей системы, применяйте двигатель с датчиками.

Три фазы

Трехфазные бесколлекторные двигатели приобрели наибольшее распространение. Но они могут быть и одно, двух, трех и более фазными. Чем больше фаз, тем более плавное вращение магнитного поля, но и сложнее система управления двигателем. 3-х фазная система наиболее оптимальна по соотношению эффективность/сложность, поэтому и получила столь широкое распространение. Далее будет рассматриваться только трехфазная схема, как наиболее распространенная.  Фактически фазы — это обмотки двигателя. Поэтому если сказать «трехобмоточный», думаю, это тоже будет правильно. Три обмотки соединяются по схеме «звезда» или «треугольник». Трехфазный бесколлекторный двигатель имеет три провода — выводы обмоток, см. рисунок.

Двигатели с датчиками имеют дополнительных 5 проводов (2-питание датчиков положения, и 3 сигналы от датчиков).

В трехфазной системе в каждый момент времени напряжение подается на две из трех обмоток. Таким образом, есть 6 вариантов подачи постоянного напряжения на обмотки двигателя, как показано на рисунке ниже.

Это позволяет создать вращающееся магнитное поле, которое будет проворачиваться «шагами» на 60 градусов при каждом переключении. Но не будем забегать наперед. В следующей статье будут рассмотрены устройство бесколлекторного двигателя, варианты расположения магнитов, обмоток, датчиков и т.д., а позже будут рассмотрены алгоритмы управления бесколлекторными двигателями.

Бесколлекторные моторы «на пальцах» Что такое бесколлекторные моторы и как управлять бесколлекторными моторами:

Статьи по бесколлекторным моторам:

Бесколлекторные двигатели постоянного тока. Устройство бесколлекторного двигателя. — Avislab

Общее устройство (Inrunner, Outrunner)

Бесколлекторный двигатель постоянного тока состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Различают два типа двигателей: Inrunner, у которых магниты ротора находятся внутри статора с обмотками, и Outrunner, у которых магниты расположены снаружи и вращаются вокруг неподвижного статора с обмотками.

Схему Inrunner обычно применяют для высокооборотистых двигателей с небольшим количеством полюсов. Outrunner при необходимости получить высокомоментный двигатель со сравнительно небольшими оборотами. Конструктивно Inrunners проще из за того, что неподвижный статор может служить корпусом. К нему могут быть смонтированы крепежные приспособления. В случае Outrunners вращается вся внешняя часть. Крепеж двигателя осуществляется за неподвижную ось либо детали статора. В случае мотор-колеса крепление осуществляется за неподвижную ось статора, провода заводятся к статору через полую ось.

Магниты и полюса

Количество полюсов на роторе четное. Форма применяемых магнитов обычно прямоугольная. Цилиндрические магниты применяются реже. Устанавливаются они с чередованием полюсов.

Количество магнитов не всегда соответствует количеству полюсов. Несколько магнитов могут формировать один полюс:

В этом случае 8 магнитов формируют 4 полюса. Размер магнитов зависит от геометрии двигателя и характеристик мотора. Чем сильнее применяемые магниты, тем выше момент силы, развиваемый двигателем на валу.

Магниты на роторе закрепляются с помощью специального клея. Реже встречаются конструкции с держателем магнитов. Материал ротора может быть магнитопроводящим (стальным), немагнитопроводящим (алюминиевые сплавы, пластики и т.п.), комбинированным.

Обмотки и зубья

Обмотка трехфазного бесколлекторного двигателя выполняется медным проводом. Провод может быть одножильным или состоять из нескольких изолированных жил. Статор выполняется из нескольких сложенных вместе листов магнитопроводящей стали.

Количество зубьев статора должно делиться на количество фаз. т.е. для трехфазного бесколлекторного двигателя количество зубьев статора должно делиться на 3. Количество зубьев статора может быть как больше так и меньше количества полюсов на роторе. Например существуют моторы со схемами: 9 зубьев/12 магнитов; 51 зуб/46 магнитов.

Двигателя с 3-х зубым статором применяют крайне редко. Поскольку в каждый момент времени работает только две фазы (при включении звездой), магнитные силы воздействуют на ротор не равномерно по всей окружности (см. рис.).

Силы, воздействующие на ротор, стараются его перекосить, что приводит к увеличению вибраций. Для устранения этого эффекта статор делают с большим количеством зубьев, а обмотку распределяют по зубьям всей окружности статора как можно равномернее.

В этом случае магнитные силы, воздействующие на ротор, компенсируют друг друга. Дисбаланса не возникает.

Варианты распределения обмоток фаз по зубьям статора

Вариант обмотки на 9 зубов

Вариант обмотки на 12 зубов

В приведенных схемах число зубов выбрано таким образом, чтобы оно делилось не только на 3. Например, при 36 зубьях приходится 12 зубьев на одну фазу. 12 зубьев можно распределить так:

6 групп по 2 зуба

4 группы по 3 зуба

3 группы по 4 зуба

2 группы по 6 зубьев

Наиболее предпочтительна схема 6 групп по 2 зуба.

Существует двигатель с 51 зубом на статоре! 17 зубов на одну фазу. 17 — это простое число, оно нацело делится только на 1 и на само себя. Как же распределить обмотку по зубьям? Увы, но я не смог найти в литературе примеров и методик, которые помогли бы решить эту задачу. Оказалось, что обмотка распределялась следующим образом:

Рассмотрим реальную схему обмотки.

Обратите внимание, что обмотка имеет разные направления намотки на разных зубьях. Разные направления намотки обозначаются прописными и заглавными буквами. Детально о проектировании обмоток можно прочитать в литературе, предложенной в конце статьи.

Классическая обмотка выполняется одним проводом для одной фазы. Т.е. все обмотки на зубьях одной фазы соединены последовательно.

Обмотки зубьев могут соединяться и параллельно.

Так же могут быть комбинированные включения

Параллельное и комбинированное включение позволяет уменьшить индуктивность обмотки, что приводит к увеличению тока статора (следовательно и мощности) и скорости вращения двигателя.

Обороты электрические и реальные

Если ротор двигателя имеет два полюса, то при одном полном обороте магнитного поля на статоре, ротор совершает один полный оборот. При 4 полюсах, чтобы повернуть вал двигателя на один полный оборот потребуется два оборота магнитного поля на статоре. Чем больше количество полюсов ротора, тем больше потребуется электрических оборотов для вращения вала двигателя на один оборот. Например, имеем 42 магнита на роторе. Для того чтобы провернуть ротор на один оборот, потребуется 42/2=21 электрический оборот. Это свойство можно использовать как своеобразный редуктор. Подобрав необходимое количество полюсов, можно получить двигатель с желаемыми скоростными характеристиками. Кроме того, понимание этого процесса будет нам необходимо в будущем, при выборе параметров регулятора.

Датчики положения

Устройство двигателей без датчиков отличается от двигателей с датчиками только отсутствием последних. Других принципиальных отличий нет. Наиболее распространены датчики положения, работающие на основе эффекта Холла. Датчики реагируют на магнитное поле, их располагают, как правило, на статоре таким образом, чтобы на них воздействовали магниты ротора. Угол между датчиками должен быть 120 градусов.

Имеется в виду «электрических» градусов. Т.е. для многополюсного двигателя физическое расположение датчиков может быть таким:

 

Иногда датчики располагают снаружи двигателя. Вот один из примеров расположения датчиков. На самом деле это был двигатель без датчиков. Таким простым способом его оснастили датчиками холла.

На некоторых двигателях датчики устанавливают на специальном устройстве, которое позволяет перемещать датчики в определенных пределах. С помощью такого устройства устанавливается угол опережения (timing). Однако, если двигатель требует реверса (вращения в обратную сторону) потребуется второй комплект датчиков, настроенных на обратный ход. Поскольку timing не имеет решающего значения при старте и низких оборотах, можно установить датчики в нулевую точку, а угол опережения корректировать программно, когда двигатель начнет вращаться.

Основные характеристики двигателя

Каждый двигатель рассчитывается под определенные требования и имеет следующие основные характеристики:
  • Режим работы на который рассчитан двигатель: длительный или кратковременный. Длительный режим работы подразумевает, что двигатель может работать часами. Такие двигатели рассчитываются таким образом, чтобы теплоотдача в окружающую среду была выше тепловыделения самого двигателя. В этом случае он не будет разогреваться. Пример: вентиляция, привод эскалатора или конвейера. Кратковременный — подразумевает, что двигатель будет включаться на короткий период, за который не успеет разогреться до максимальной температуры, после чего следует длительный период, за время которого двигатель успевает остыть.  Пример: привод лифта, электробритвы, фены.
  • Сопротивление обмотки двигателя. Сопротивление обмотки двигателя влияет на КПД двигателя. Чем меньше сопротивление, тем выше КПД. Измерив сопротивление, можно выяснить наличие межвиткового замыкания в обмотке. Сопротивление обмотки двигателя составляет тысячные доли Ома. Для его измерения требуется специальный прибор или специальная методика измерения.
  • Максимальное рабочее напряжение. Максимальное напряжение, которое способна выдержать обмотка статора. Максимальное напряжение взаимосвязано со следующим параметром.
  • Максимальные обороты. Иногда указывают не максимальные обороты, а Kv — количество оборотов двигателя на один вольт без нагрузки на валу. Умножив этот показатель на максимальное напряжение, получим максимальные обороты двигателя без нагрузки на валу.
  • Максимальный ток. Максимально допустимый ток обмотки. Как правило, указывается и время, в течение которого двигатель может выдержать указанный ток. Ограничение максимального тока связано с возможным перегревом обмотки. Поэтому при низких температурах окружающей среды реальное время работы с максимальным током будет больше, а в жару двигатель сгорит раньше.
  • Максимальная мощность двигателя. Напрямую связана с предыдущим параметром. Это пиковая мощность, которую двигатель может развить на небольшой период времени, обычно — несколько секунд. При длительной работе на максимальной мощности неизбежен перегрев двигателя и выход его из строя.
  • Номинальная мощность. Мощность, которую двигатель может развивать на протяжении всего времени включения.
  • Угол опережения фазы (timing). Обмотка статора имеет некоторую индуктивность, которая затормаживает рост тока в обмотке. Ток достигнет максимума через некоторое время. Для того, чтобы компенсировать эту задержку переключение фаз выполняют с некоторым опережением. Аналогично зажиганию в двигателе внутреннего сгорания, где выставляется угол опережения зажигания с учетом времени воспламенения топлива.
Так же следует обратить внимание на то, что при номинальной нагрузке Вы не получите максимальных оборотов на валу двигателя. Kv указывается для не загруженного двигателя. При питании двигателя от батарей следует учесть «проседание» питающего напряжения под нагрузкой, что в свою очередь также снизит максимальные обороты двигателя.

Звезда и Треугольник

Обмотки бесколлекторного двигателя соединяют по схеме звезда или треугольник (дельта).

При включении звездой ток протекает через две обмотки. Результирующее сопротивление равно сумме сопротивлений двух обмоток R=R1+R2. Соответственно максимально возможный ток, протекаемый через обмотки I=U/(R1+R2). Потребляемая мощность P=U*I Предположим, что напряжение 10 В, а сопротивление обмотки 1 ОМ. Тогда ток I=10/(1+1)=5А. Потребляемая мощность P=10*5=50 Вт.

При включении треугольником ток протекает через все обмотки. Результирующее сопротивление обмоток R=(R1*(R2+R3))/(R1+R2+R3). Соответственно, максимально возможный ток, протекаемый через обмотки I=U/((R1*(R2+R3))/(R1+R2+R3)

При таком же напряжении и сопротивлении обмоток получаем ток I=10/((1*(1+1))/(1+1+1))=15А. Потребляемая мощность P=10*15=150 Вт.

При включении треугольником вырастают и обороты двигателя. Обмотки двигателя соединенные треугольником греются больше, чем при включении звездой.

Очевидно, что простым переключением обмотки с звезды в треугольник можно получить двигатель с совершенно другими характеристиками.

В высокомоментных двигателях с длительным режимом включения целесообразно применять звезду. В двигателях, работающих в кратковременном режиме, требующих более высоких оборотов, целесообразно применять треугольник.

Иногда в электротранспорте старт и разгон выполняется при включении обмоток звездой (так как это включение обеспечивает высокий момент на валу, но меньшие обороты), после разгона выполняется переключение в треугольник (обороты выше, момент меньше). Это позволяет увеличить диапазон оборотов двигателя, сохранив стартовые характеристики.

В следующей статье будет рассмотрен алгоритм управления бесколлекторными двигателями.

Литература

Design and Prototyping Methods for Brushless Motors and Motor Control by Shane W. Colton

Вентильные электрические двигатели и приводы на их основе Овчинников И.Е.

Статьи по бесколлекторным моторам:

принцип действия, управление бесколлекторными электродвигателями. Бесколлекторный электродвигатель своими руками

Применяются бесколлекторные электродвигатели в медицинской технике, авиамоделировании, трубозапорных приводах нефтепроводов, а также во многих других отраслях. Но у них имеются свои недостатки, особенности, а также преимущества, которые порой играют ключевое значение при проектировании различных устройств. Как бы то ни было, такие электродвигатели занимают относительно малую нишу, если сравнивать их с асинхронными машинами переменного тока.

Особенности электромоторов

Одна из причин, по которой конструкторы проявляют интерес именно к бесколлекторным электродвигателям — это необходимость в высокооборотных моторах с небольшими размерами. Причём у этих двигателей очень точное позиционирование. В конструкции имеется подвижный ротор и неподвижный статор. На роторе находится один постоянный магнит или несколько, расположенных в определённой последовательности. На статоре же находятся катушки, которые создают магнитное поле.

Нужно отметить еще одну особенность — бесколлекторные электродвигатели могут иметь якорь, расположенный как внутри, так и на внешней стороне. Следовательно, два типа конструкции могут иметь определенное применение в различных сферах. При расположении якоря внутри получается добиться очень высокой скорости вращения, поэтому такие моторы очень хорошо работают в конструкциях систем охлаждения. В том случае, если устанавливается привод с внешним расположением ротора, можно добиться очень точного позиционирования, а также высокой устойчивости к перегрузкам. Очень часто такие моторы используются в робототехнике, медицинском оборудовании, в станках с частотным программным управлением.

Как работают моторы

Для того чтобы привести в движение ротор бесколлекторного электродвигателя постоянного тока необходимо использовать специальный микроконтроллер. Его не получится запустить таким же образом, как синхронную или асинхронную машину. При помощи микроконтроллера получается включить обмотки двигателя так, чтобы направление векторов магнитных полей на статоре и якоре были ортогональны.

Другими словами, при помощи драйвера получается регулировать момент вращения, который действует на ротор бесколлекторного двигателя. Чтобы переместить якорь необходимо осуществить правильную коммутацию в обмотках статора. К сожалению, обеспечить плавное управление вращением не получается. Зато можно очень быстро увеличить скорость вращения ротора электродвигателя.

Отличия коллекторных и бесколлекторных двигателей

Основное отличие заключается в том, что на бесколлекторных электродвигателях для моделей отсутствует обмотка на роторе. В случае с коллекторными электромоторами, на их роторах имеются обмотки. А вот постоянные магниты устанавливаются на неподвижной части двигателя. Кроме того, на роторе устанавливается специальной конструкции коллектор, к которому производится подключение графитовых щёток. С их помощью подается напряжение на обмотку ротора. Принцип работы бесколлекторного электродвигателя тоже существенно отличается.

Как работает коллекторная машина

Чтобы произвести запуск коллекторного двигателя, потребуется подать напряжение на обмотку возбуждения, которая расположена непосредственно на якоре. При этом образуется постоянное магнитное поле, которое взаимодействует с магнитами на статоре, в результате чего проворачиваются якорь и коллектор, закрепленный на нём. При этом подается питание на следующую обмотку, происходит повтор цикла.

Скорость вращения ротора зависит напрямую от того, насколько интенсивно магнитное поле, а последняя характеристика зависит напрямую от величины напряжения. Следовательно, чтобы увеличить или уменьшить частоту вращения, необходимо изменить напряжение питания.

Для реализации реверса потребуется только лишь изменить полярность подключения мотора. Для такого управления не нужно использовать специальные микроконтроллеры, изменять частоту вращения можно при помощи обычного переменного резистора.

Особенности бесколлекторных машин

Но вот управление бесколлекторным электродвигателем невозможно без использования специальных контроллеров. Исходя из этого, можно сделать вывод, что в качестве генератора моторы такого типа применяться не могут. Для эффективности управления можно отслеживать положение ротора с помощью нескольких датчиков Холла. При помощи таких несложных устройств получается значительно улучшить характеристики, но стоимость электродвигателя увеличится в несколько раз.

Запуск бесколлекторных моторов

Изготавливать микроконтроллеры самостоятельно нет смысла, намного лучшим вариантом окажется покупка готового, пусть и китайского. Но необходимо придерживаться следующих рекомендаций при выборе:

  1. Учитывайте максимально допустимую силу тока. Этот параметр обязательно пригодится для различных видов работы привода. Характеристика часто указывается производителями непосредственно в названии модели. Очень редко указываются значения, характерные для пиковых режимов, в которых микроконтроллер не может работать продолжительное время.
  2. Для продолжительной работы необходимо учитывать и максимальную величину напряжения питания.
  3. Обязательно учитывайте сопротивление всех внутренних цепей микроконтроллера.
  4. Обязательно нужно учитывать максимальное число оборотов, которое характерно для работы этого микроконтроллера. Обратите внимание на то, что он не сможет увеличить максимальную частоту вращения, так как ограничение сделано на уровне программного обеспечения.
  5. Дешёвые модели микроконтроллерных устройств имеют частоту генерируемых импульсов в интервале 7…8 кГц. Дорогие экземпляры можно перепрограммировать, и этот параметр увеличивается в 2-4 раза.

Старайтесь подбирать микроконтроллеры по всем параметрам, так как они влияют на мощность, которую может развить электродвигатель.

Как осуществляется управление

Электронный блок управления позволяет провести коммутацию обмоток привода. Для определения момента переключения при помощи драйвера отслеживается положение ротора по датчику Холла, установленном на приводе.

В том случае, если нет таких устройств, необходимо считывать обратное напряжение. Оно генерируется в катушках статора, не подключенных на данный момент времени. Контроллер — это аппаратно-программный комплекс, он позволяет отслеживать все изменения и максимально точно задавать порядок коммутации.

Трехфазные бесколлекторные электродвигатели

Очень много бесколлекторных электродвигателей для авиамоделей выполняется под питание постоянным током. Но существуют и трехфазные экземпляры, в которых устанавливаются преобразователи. Они позволяют из постоянного напряжения сделать трехфазные импульсы.

Работа происходит следующим образом:

  1. На катушку «А» поступают импульсы с положительным значением. На катушку «В» — с отрицательным значением. В результате этого якорь начнет двигаться. Датчики фиксируют смещение и подаётся сигнал на контроллер для осуществления следующей коммутации.
  2. Происходит отключение катушки «А», при этом импульс положительного значения поступает на обмотку «С». Коммутация обмотки «В» не претерпевает изменений.
  3. На катушку «С» попадается положительный импульс, а отрицательный поступает на «А».
  4. Затем вступает в работу пара «А» и «В». На них и подаются положительные отрицательные значения импульсов соответственно.
  5. Затем положительный импульс опять поступает на катушку «В», а отрицательный на «С».
  6. На последнем этапе происходит включение катушки «А», на которую поступает положительный импульс, и отрицательный идет к С.

И после этого происходит повтор всего цикла.

Преимущества использования

Изготовить своими руками бесколлекторный электродвигатель сложно, а реализовать микроконтроллерное управление практически невозможно. Поэтому лучше всего использовать готовые промышленные образцы. Но обязательно учитывайте достоинства, которые получает привод при использовании бесколлекторных электродвигателей:

  1. Существенно больший ресурс, нежели у коллекторных машин.
  2. Высокий уровень КПД.
  3. Мощность выше, нежели у коллекторных моторов.
  4. Скорость вращения набирается намного быстрее.
  5. Во время работы не образуются искры, поэтому их можно использовать в условиях с высокой пожарной опасностью.
  6. Очень простая эксплуатация привода.
  7. При работе не нужно использовать дополнительные компоненты для охлаждения.

Среди недостатков можно выделить очень высокую стоимость, если учитывать еще и цену контроллера. Даже кратковременно включить для проверки работоспособности такой электродвигатель не получится. Кроме того, ремонтировать такие моторы намного сложнее из-за их особенностей конструкции.

clover/lesson5.md at master · CopterExpress/clover · GitHub

Принцип работы бесколлекторного электродвигателя

Бесколлекторные двигатели постоянного тока называют так же вентильными, в зарубежной литературе BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) или PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor).

Конструктивно бесколлекторный двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками, в отличие от коллекторного двигателя, где обмотки находятся на роторе. Из конструкции двигателя удаляется довольно сложный, требующий обслуживания тяжелый и искрящий узел – коллектор. Конструкция двигателя существенно упрощается. Двигатель получается легче и компактнее. Значительно уменьшаются потери на коммутацию, поскольку контакты коллектора и щетки заменяются электронными ключами. В итоге получаем электродвигатель с наилучшими показателями КПД и показателем мощности на килограмм собственного веса, с наиболее широким диапазоном изменения скорости вращения. На практике бесколлекторные двигатели греются меньше, чем их коллекторные братья. Переносят большую нагрузку по моменту. Применение мощных неодимовых магнитов сделали бесколлекторные двигатели еще более компактными. Конструкция бесколлекторного двигателя позволяет эксплуатировать его в воде и агрессивных средах (разумеется, только двигатель, регулятор мочить будет очень дорого). Бесколлекторные двигатели практически не создают радиопомех.

Единственным недостатком считают сложный дорогостоящий электронный блок управления (регулятор или ESC). Однако, если вы хотите управлять оборотами двигателя, без электроники никак не обойтись. Если вам не надо управлять оборотами бесколлекторного двигателя, без электронного блока управления все равно не обойтись. Бесколлекторный двигатель без электроники – просто железка. Нет возможности подать на него напряжение и добиться нормального вращения как у других двигателей.

Применение датчиков

Двигатели с датчиками положения более предпочтительны с технической точки зрения. Алгоритм управления такими двигателями значительно проще. Однако есть и свои минусы: требуется обеспечить питание датчиков и прокладку проводов от датчиков в двигателе к управляющей электронике; в случае выхода со строя одного из датчиков, двигатель прекращает работу, а замена датчиков, как правило, требует разборки двигателя.

В тех случаях, когда конструктивно невозможно разместить датчики в корпусе двигателя, используют двигатели без датчиков. Конструктивно такие двигатели практически не отличаются от двигателей с датчиками. А вот электронный блок должен уметь управлять двигателем без датчиков. При этом блок управления должен соответствовать характеристикам конкретной модели двигателя. Если двигатель должен стартовать с существенной нагрузкой на валу двигателя (электротранспорт, подъёмные механизмы и т.п.) – применяют двигатели с датчиками.

Если двигатель стартует без нагрузки на валу (вентиляция, воздушный винт, применяется центробежная муфта сцепления и т.п.), можно применять двигатели без датчиков. Запомните: двигатель без датчиков положения должен стартовать без нагрузки на валу. Если это условие не соблюдается, следует использовать двигатель с датчиками. Кроме того, в момент старта двигателя без датчиков возможны вращательные колебания оси двигателя в разные стороны. Если это критично для Вашей системы, применяйте двигатель с датчиками.

Три фазы

Трехфазные бесколлекторные двигатели приобрели наибольшее распространение. Но они могут быть и одно, двух, трех и более фазными. Чем больше фаз, тем более плавное вращение магнитного поля, но и сложнее система управления двигателем. 3-х фазная система наиболее оптимальна по соотношению эффективность/сложность, поэтому и получила столь широкое распространение. Далее будет рассматриваться только трехфазная схема, как наиболее распространенная. Фактически фазы – это обмотки двигателя. Поэтому если сказать “трехобмоточный”, думаю, это тоже будет правильно. Три обмотки соединяются по схеме “звезда” или “треугольник”. Трехфазный бесколлекторный двигатель имеет три провода – выводы обмоток.

Двигатели с датчиками имеют дополнительных 5 проводов (2-питание датчиков положения, и 3 сигналы от датчиков).

В трехфазной системе в каждый момент времени напряжение подается на две из трех обмоток. Таким образом, есть 6 вариантов подачи постоянного напряжения на обмотки двигателя, как показано на рисунке ниже.

Это позволяет создать вращающееся магнитное поле, которое будет проворачиваться “шагами” на 60 градусов при каждом переключении.

Основные характеристики контроллеров

Для управления двигателем применяется электронный регулятор. В зарубежной литературе Speed Controller или ESC (Electronic speed control).

Максимальный постоянный (сontinius) ток – указывает, какой ток контроллер способен держать продолжительное время. Как правило, этот параметр входит в обозначение контроллера (например Jes -18, Phoenix -10). Иногда указывают величину «кратковременного» тока, допустимого в течении нескольких секунд. «Кратковременный» ток способны держать выходные транзисторы контроллера, но рассеивать выделяемое при этом токе количество тепла контроллер не в состоянии.

Максимальное рабочее напряжение — указывается, с каким количеством NiCd или литий-полимерных банок можно использовать контроллер. Для контроллеров с ВЕС-ом, эта величина может быть разная, в зависимости от количества сервомашинок. Это связано с рассеиванием тепла стабилизатором схемы ВЕС — при большем числе банок максимальный ток нагрузки BEC и, следовательно, количество сервомашинок меньше. Как правило, если используется ВЕС, количество банок не превышает 12. Если вы хотите работать с большим количеством банок, то придется ставить или отдельную батарею питания приемника, или использовать внешний ВЕС. Но в любом случае нельзя превышать максимальное напряжение, допустимое для контроллера.

Максимальные обороты (maximum rpm) — программное ограничение максимальных оборотов. Всегда указывается для двухполюсного двигателя. Для многополюсных моторов это число надо разделить на количество пар полюсов. Например, если указано 63000 rpm, то для мотора с 12-ю магнитами максимальные обороты будут 63000/6=10500 rpm, а это уже не так много… Данная функция не дает мотору набрать большее, чем указано количество оборотов, некоторые контроллеры при превышении этого значения на холостом ходу начинают сбоить, вызывая значительные броски тока — мотор начинает резко дергаться. Этот эффект не является признаком неисправности мотора ли контроллера.

Внутреннее сопротивление – полное сопротивление силовых ключей контроллера, без учета проводов. Чем мощнее контроллер, тем меньше его внутреннее сопротивление. Как правило, сопротивление проводов сравнимо с внутренним сопротивлением контроллера и вносит до 30% потерь. Для примера, внутреннее сопротивление контроллера Castle Creations Phoenix-25 13 mOhm, а сопротивление 30 см провода сечением 1кв.мм – 6 mOhm, то есть почти треть потерь приходится на провода.

Частота импульсов контроллера (PWM Frequency) — как правило, составляет 7-8 Кгц. У «продвинутых» контроллеров частоту регулирования можно программировать на другие значения- 16 и 32 Кгц. Эти значения применяется в основном для высокооборотных 3-4-х витковых моторов с малой индуктивностью, при этом улучшается линейность регулирования частоты вращения.

Особенности подключения

Провода — не такое простое дело, как может показаться на первый взгляд. Есть несколько важных аспектов.

Самое главное — нельзя делать провода от контроллера до аккумулятора большой длины! Дело в том, что стартовые токи беколлекторных моторов намного больше, чем аналогичных коллекторных, и при работе моторов возникают большие броски тока. Конденсаторы, всегда стоящие на входе контроллера, должны быть специального типа, но многие производители ставят обычные.

При удлинении проводов от контроллера до батареи начинает сказываться их индуктивность, и может возникнуть ситуация, когда уровень помех по напряжению питания на входе контроллера станет настолько высок, что контроллер не сможет правильно определить положение ротора мотора (иногда при этом еще и «повисает» процессор контроллера). Известно несколько случаев полного «выгорания в дым» контроллеров, при удлинении проводов со стороны аккумулятора до 30см. Если необходимо увеличить длину проводов (например, двигатель стоит в хвосте модели), то надо увеличивать длину проводов от мотора до контроллера. Как правило, контроллеры поставляются с проводами до батареи длиной 13-16см. Такая длина вполне достаточна для надежной работы контроллера, и не следует ее увеличивать более чем на 5см.

Кроме того, длинные провода до батареи могут вызывать проблемы при резком старте мотора — контроллер может не перейти от режима старта к рабочему режиму при слишком резком прибавлении “газа”. Для предотвращения этого эффекта во многих контроллерах есть специальные настройки.

Настройки

Практически все современные контроллеры имеют множество программных настроек. От них зависит режим работы, надежность, а иногда и работоспособность контроллера в паре с тем или иным мотором. Здесь мы попробуем перечислить основные настройки, и объяснить, как и на что они влияют.

Напряжение выключения мотора (cut-off voltage) – при каком минимальном напряжении на батарее мотор будет выключен. Эта функция предназначена для сохранения работоспособности аппаратуры при разряде батареи и для защиты самой батареи от переразряда (последнее особенно важно для литий- полимерных аккумуляторов). На некоторых контроллерах (например, Jeti серии “ Advansed ”) нет установки напряжения на конкретное число банок в случае использования литиевых батарей, количество банок при этом определяется автоматически.

Тип выключения мотора (cut-off voltage) – как правило имеет 2 значения — плавный (soft cut-off) и жесткий (hard cut-off). При плавном выключении мотора контроллер сбрасывает обороты постепенно, не позволяя напряжению на батарее упасть ниже заданного, при этом контроль над моделью сохраняется до последнего. При жестком — мотор немедленно останавливается если зафиксированно падение напряжения ниже заданного. Жесткое отключение может доставить некоторые неудобства при разряженном аккумуляторе: манипулируя газом, вместо небольшой прибавки оборотов иногда получается полный останов мотора.

Тормоз (brake) – торможение мотора после установки газа в «ноль». Может иметь значения включен/выключен, на некоторых контроллерах есть еще программируемая величина тормоза 50-100% и задержка включения тормоза после полного сброса газа. Это необходимо для защиты шестеренок редуктора в случае использования больших и тяжелых пропеллеров. В некоторых контроллерах, например том же Jeti серии «Advanced» тормоз и плавное выключения мотора – установки взаимоисключающие – для включения плавного отключения мотора надо выключить тормоз и наоборот… Намудрили чехи, однако.

Опережение (Timing) – параметр, от которого зависит мощность и КПД двигателя. Может находится в пределах от 0° до 30°. Физически это электрический угол опережения коммутации обмоток.

Режим старта (start mode) — не имеет как правило каких-то числовых значений, описывается только как мягкий, (soft) жесткий (hard), быстрый (fast) и пр. Быстрый старт рекомендуется для моторов без редукторов и для использования в соревнованиях. При использовании быстрого старта в моторах с редукторами возможно повреждение шестерен. Плавный старт обеспечивает меньшие пусковые токи в момент старта и позволяет избежать возможных перегрузок по току контроллера, но время раскрутки мотора до полных оборотов увеличивается.

Время акселерации или задержка акселерации (acceleration time или acceleration delay) – устанавливает время набора оборотов после старта до максимума. Устанавливается меньше для моторов с легкими пропеллерами без редукторов и больше для моторов с редукторами и в случае срабатывания защиты по току при резком прибавлении газа.

Ограничение тока (Current limiting) – уровень срабатывания защиты по току. Устанавливается более чувствительным в случае применения моторов с большим стартовым током и батарей с высоким внутренним сопротивлением. При этом желательно установить плавное отключение мотора, в противном случае при резких манипуляциях газом мотор будет останавливаться. Не рекомендуется отключать защиту по току, если вы не уверены ,что ток мотора не может превысить максимально допустимое значение для контроллера. Это может привести к повреждению контроллера большими стартовыми токами.

Режим газа (throttle type или throttle mode) – устанавливает зависимость оборотов мотора от ручки газа. Может иметь значения автокалибровки ( auto calibrating ) – при этом контроллер самостоятельно определяет положение малого и полного газа, а также фиксированный ( fixed ) — когда характеристика задана производителем.

Также в некоторых контроллерах присутствует режим «гувернер» (governor), он предназначен для вертолетов, когда положению ручки газа соответствуют определенные обороты, а не мощность двигателя, контроллер в данном режиме работает как автоматическая система поддержания оборотов, прибавляя мощность при увеличении нагрузки на двигатель.

Реверс (reverse) — смена направления вращения. Обычно для изменения направления вращения двигателя надо поменять местами любые два провода от мотора. Но в продвинутых контроллерах, возможно изменить направление вращения мотора программно.

Возможные проблемы

Как показывает практика — 70% проблем при использовании контроллеров связано со стартом двигателей. Если мотор у вас плохо стартует, то есть начинает вращаться, а потом останавливается — большинство причин кроется в больших бросках тока и как следствие, провалах питающего напряжения. В первую очередь проверьте провода до батареи. Пробную проверку лучше производить на той длине проводов, которые даны изготовителем, или короче.

Далее — попробуйте снять нагрузку с мотора и проверить его на холостом ходу. Если на хостом ходу все в порядке, а при установке пропеллера мотор упорно не желает крутится, только дергается в одном направлении, попробуйте поставить мягкий старт или увеличить время акселерации. Также здесь поможет установка плавного выключения мотора. Контроллеры, у которых есть ограничение тока, всегда имеют индикацию этого режима — опять же читайте инструкцию, чтобы установить, произошло срабатывание токовой защиты или нет…

Старые «золотые» Jeti серия Jes 18, отличаются, например одной особенностью — у них нет плавного выключения, и при попытке работы мотора с большими пусковыми токами от старых аккумуляторов, при резком движении ручкой газа мотор останавливается, если напряжение упало до 5.2 вольта. Это не неисправность контроллеров, это у них такой алгоритм выключения мотора: напряжение упало — мотор остановился…

Иногда бывает, что мотор стартует в другую сторону, набирает примерно 20-30% оборотов, потом «одумывается», и резко начинает крутится в нужном направлении. Останов и реверс сопровождаются резким броском тока, иногда срабатывает токовая защита. Данная ситуация происходит только с 2-3х витковыми двухполюсными спортивными моторами при наличии резкого старта. Причем мотор ведет так себя не всегда, примерно в 10% случаев. Выход из этой ситуации — опять же использование плавного старта.

Контрольные вопросы

  1. Зачем нужны датчики в бесколлекторных электродвигателях?
  2. На что влияет количество фаз в бесколлекторном электродвигателе?
  3. Перечислите основные характеристики контроллеров.
  4. Какие ошибки при подключении контроллеров возможно допустить?
  5. К каким последствиям могут привести эти ошибки?
  6. Перечислите возможные настройки контроллера.

Как работает бесколлекторный двигатель постоянного тока

Добавлено 16 июля 2019 в 22:15

Сохранить или поделиться

Узнайте обо всех достоинствах бесколлекторных двигателей, а также о преимуществах и недостатках выбора этого типа двигателей для вашего проекта.

Если вы работаете над проектом, в котором есть движущаяся часть, вы, вероятно, будете искать двигатель, чтобы сделать это движение возможным. В этой серии статей мы рассмотрим наиболее популярные типы двигателей, которые используют разработчики. Сначала мы рассмотрели коллекторные двигатели постоянного тока. Теперь давайте посмотрим на их ближайший аналог: бесколлекторный двигатель постоянного тока.

Чтобы узнать, для каких проектов лучше всего подходят бесколлекторные двигатели постоянного тока, ознакомьтесь с обзором:

Обзор бесколлекторных двигателей постоянного тока

Бесколлекторные двигатели – это новая технология двигателей, быстро внедряемая в высокотехнологичных приборах и электромобилях (например, Tesla Model S) в качестве замены коллекторных двигателей постоянного тока. Они также чрезвычайно распространены в любительских летательных аппаратах, включая многомоторные. Поскольку бесколлекторные двигатели постоянного тока не имеют коллектора и щеток (что очевидно), они работают без многих ограничений коллекторных двигателей постоянного тока.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока обычно используются в многомоторных летательных аппаратах из-за их высокой скорости и эффективности

Как они работают?

Бесколлекторные двигатели постоянного тока обычно используются в многомоторных летательных аппаратах из-за их высокой скорости и эффективности.

Оценка характеристик бесколлекторных двигателей

Как и коллекторные двигатели постоянного тока, бесколлекторные двигатели работают путем изменения полярности обмоток внутри двигателя. Магнитные поля, создаваемые при возбуждении обмоток, оказывают толкающее воздействие на постоянные магниты, расположенные вокруг внешнего корпуса.

На бесколлекторном двигателе постоянного тока вращается не вал двигателя, а внешний корпус. Поскольку центральный вал, к которому прикреплены обмотки, является неподвижным, питание может подаваться непосредственно на обмотки, что устраняет необходимость в щетках и коллекторе.

Без щеток бесколлекторные двигатели изнашиваются намного менее быстро, чем коллекторные двигатели постоянного тока. Они работают с гораздо меньшим звуковым и электрическим шумом и способны работать на гораздо более высоких скоростях.

Из чего состоит бесколлекторный двигатель постоянного тока

Бесколлекторные двигатели постоянного тока только недавно начали использоваться в потребительских товарах и любительских проектах, потому что их сложно контролировать.

В то время как коллекторные двигатели постоянного тока для изменения полярности обмоток используют просто вращение самого двигателя, бесколлекторные двигатели постоянного тока управляются активно и требуют сложной схемы управления обмоткой, которая также должна масштабироваться при увеличении скорости.

Только благодаря тому, что микроконтроллеры стали дешевле и доступнее, стало возможным, чтобы недорогие системы могли удерживать правильную частоту вращения, необходимую для работы двигателя.

Достоинства бесколлекторных двигателей постоянного тока

Низкий износ

Единственным физическим интерфейсом между вращающейся внешней стороной корпуса двигателя и стационарными обмотками внутри являются шарикоподшипники, что означает, что бесколлекторные двигатели постоянного тока изнашиваются очень медленно.

Высокая скорость

Бесколлекторные двигатели имеют намного меньшее трение, чем коллекторные двигатели постоянного тока, поэтому они могут работать на более высоких скоростях.

Высокая эффективность

По сравнению с другими типами двигателей бесколлекторные двигатели обладают очень высокой эффективностью работы, что означает более низкое энергопотребление при той же выходной мощности по сравнению с коллекторными двигателями постоянного тока.

Недостатки бесколлекторных двигателей постоянного тока

Очень высокая сложность управления

Бесколлекторные двигатели постоянного тока для правильной работы требуют специализированных контроллеров и сложных алгоритмов управления.

Высокая цена

Стоимость самих двигателей не слишком высока, но когда добавляется стоимость контроллера, общая стоимость использования бесколлекторного двигателя постоянного тока в проекте становится относительно высокой.

Необходимость специализированных передач

В таких приложениях, как вакуумные пылесосы Dyson, бесколлекторные двигатели постоянного тока должны быть снабжены передачей для преобразования высоких скоростей до нужной скорости.

Оригинал статьи:

Теги

Бесколлекторный двигательДвигательЭлектродвигатель

Сохранить или поделиться

принцип работы, управление бесколлекторными электродвигателями. Бесколлекторный электродвигатель своими руками

Двигатели в мультироторных аппаратах бывают двух типов: коллекторные и бесколлекторные. Их главное отличие в том, что у коллекторного двигателя обмотки находятся на роторе (вращающейся части), а у бесколлекторного — на статоре. Не вдаваясь в подробности скажем, что бесколлекторный двигатель предпочтительнее коллекторного поскольку наиболее удовлетворяет требованиям, ставящимся перед ним. Поэтому в этой статье речь пойдёт именно о таком типе моторов. Подробно о разнице между бесколлекторными и коллекторными двигателями можно прочесть в .

Несмотря на то, что применяться БК-моторы начали сравнительно недавно, сама идея их устройства появилась достаточно давно. Однако появление транзисторных ключей и мощных неодимовых магнитов сделало возможным их коммерческое использование.

Устройство БК — моторов

Конструкция бесколлекторного двигателя состоит из ротора на котором закреплены магниты и статора на котором располагаются обмотки. Как раз по взаиморасположению этих компонентов БК-двигатели делятся на inrunner и outrunner.

В мультироторных системах чаще применяется схема Outrunner, поскольку она позволяет получать наибольший вращательный момент.

Плюсы и минусы БК — двигателей

Плюсы:

  • Упрощённая конструкция мотора за счёт исключения из неё коллектора.
  • Более высокий КПД.
  • Хорошее охлаждение
  • БК-двигатели могут работать в воде! Однако не стоит забывать, что из-за воды на механических частях двигателя может образоваться ржавчина и он сломается через какое-то время. Для избежания подобных ситуаций рекомендуется обрабатывать двигатели при помощи водоотталкивающей смазки.
  • Наименьшие радиопомехи

Минусы:

Из минусов можно отметить только невозможность применения данных двигателей без ESC (регуляторы скорости вращения). Это несколько усложняет конструкцию и делает БК-двигатели дороже коллекторных. Однако если сложность конструкции является приоритетным параметром, то существуют БК-двигатели с встроенными регуляторами скорости.

Как выбрать двигатели для коптера?

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

  • Максимальный ток — эта характеристика показывает какой максимальный ток может выдержать обмотка двигателя за небольшой промежуток времени. Если превысить это время, то неизбежен выход двигателя из строя. Так же этот параметр влияет на выбор ESC.
  • Максимальное напряжение — так же как и максимальный ток, показывает какое напряжение можно подать на обмотку в течение короткого промежутка времени.
  • KV — количество оборотов двигателя на один вольт. Поскольку этот показатель напрямую зависит от нагрузки на вал мотора, то его указывают для случая, когда нагрузки нет.
  • Сопротивление — от сопротивления зависит КПД двигателя. Поэтому чем сопротивление меньше — тем лучше.

Как только я начал заниматся авиамоделизмом, мне сразу стало интересно почему у двигателя три провода, почему он такой маленький и в то же время такой мощный и зачем ему нужен регулятор скорости… Прошло время, и я во всем разобрался. И дальше поставил перед собой задачу сделать своими руками бесколлекторный двигатель.

Принцип работы электрического двигателя:
В основу работы любой электрической машины положено явление электромагнитной индукции. Поэтому если в магнитное поле поместить рамку с током, то на неё подействует сила Ампера , которая создаст вращательный момент. Рамка начнет поворачиваться и остановится в положении отсутствия момента, создаваемого силой Ампера.


Устройство электрического двигателя:
Любой электрический двигатель состоит из неподвижной части — Статора и подвижной части — Ротора . Для того чтобы началось вращение, нужно по очереди менять направление тока. Эту функцию и выполняет Коллектор (щетки).

Бесколлекторный двигатель — это двигатель ПОСТОЯННОГО ТОКА без коллектора, в котором функции коллектора выполняет электроника. (Если у двигателя три провода, это не значит что он работает от трехфазного переменного тока! А работает он от «порций» коротких импульсов постоянного тока, и не хочу вас шокировать, но те же двигатели которые используются в кулерах, тоже бесколлекторные, хоть они и имеют всего два провода питания постоянного тока)

Устройство бесколлекторного двигателя:
Inrunner
(произносится как «инраннер»). Двигатель имеет расположенные по внутренней поверхности корпуса обмотки, и вращающийся внутри магнитный ротор.


Outrunner
(произносится как «аутраннер»). Двигатель имеет неподвижные обмотки (внутри) вокруг которых вращается корпус с помещенным на его внутреннюю стенку постоянными магнитами.

Принцип работы:
Для того чтобы бесколлекторный двигатель начал вращаться, напряжение на обмотки двигателя надо подавать синхронно. Синхронизация может быть организованна с использованием внешних датчиков (оптические или датчики холла), так и на основе противоЭДС (бездатчиковый), которая возникает в двигателе при его вращении.

Бездатчиковое управление:
Существуют бесколлекторные двигатели без каких либо датчиков положения. В таких двигателях определение положения ротора выполняется путем измерения ЭДС на свободной фазе. Мы помним, что в каждый момент времени к одной из фаз (А) подключен «+» к другой (В) «-» питания, одна из фаз остается свободной. Вращаясь, двигатель наводит ЭДС (т.е. в следствии закона электромагнитной индукции в катушке образуется индукционный ток) в свободной обмотке. По мере вращения напряжение на свободной фазе (С) изменяется. Измеряя напряжение на свободной фазе, можно определить момент переключения к следующему положению ротора.
Что бы измерить это напряжение изпользуется метод «виртуальной точки». Суть заключается в том, что, зная сопротивление всех обмоток и начальное напряжение, можно виртуально «переложить провод» в место соединения всех обмоток:
Регулятор скорости бесколлекторного двигателя:
Бесколлекторный двигатель без электроники — просто железка, т.к. при отсутствии регулятора, мы не можем просто подключить напряжение на него, чтоб он просто начал нормальное вращение. Регулятор скорости — это довольно сложная система радиокомпонентов, т.к. она должна:
1) Определять начальное положение ротора для запуска электродвигателя
2) Управлять электродвигателем на низких скоростях
3) Разгонять электродвигатель до номинальной (заданной) скорости вращения
4) Поддерживать максимальный момент вращения

Принципиальная схема регулятора скорости (вентильная):


Бесколлекторные двигатели были придуманы на заре появления электричества, однако систему управления к ним никто не мог сделать. И только с развитием электроники: с появлением мощных полупроводниковых транзисторов и микроконтроллеров, бесколлекторные двигатели стали применятся в быту (первое промышленное использование в 60-х годах).

Достоинства и недостатки бесколлекторных двигателей:

Достоинства:
-Частота вращения изменяется в широком диапазоне
-Возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде
-Большая перегрузочная способность по моменту
-Высокие энергетические показатели (КПД более 90 %)
-Большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов

Недостатки:
-Относительно сложная система управления двигателем
-Высокая стоимость двигателя, обусловленная использованием дорогостоящих материалов в конструкции ротора (магниты, подшипники, валы)
Разобравшись с теорией, перейдем к практике: спроектируем и сделаем двигатель для пилотажной модели МХ-2.

Список материалов и оборудования:
1) Проволока (взятая из старых трансформаторов)
2) Магниты (купленные в интернете)
3) Статор (барашек)
4) Вал
5) Подшипники
6) Дюралюминий
7) Термоусадка
8) Доспуп к неограниченному техническому хламу
9) Доступ к инструментам
10) Прямые руки:)

Ход работы:
1) С самого начала решаем:

Для чего делаем двигатель?
На что он должен быть рассчитан?
В чем мы ограничены?

В моем случае: я делаю двигатель для самолета, значит пускай он будет внешнего вращения; рассчитан он должен на то, что он должен выдать 1400 грамм тяги при трех-баночном аккумуляторе; ограничен я в весе и в размере. Однако с чего же начать? Ответ на этот вопрос прост: с самой трудной детали, т.е. с такой детали, которую легче просто найти, а все остальное подгонять под неё. Я так и поступил. После многих неудачных попыток сделать статор из листовой мягкой стали, мне стало понятно, что лучше найти её. Нашел я её в старой видеоголовке от видеорекоудора.

2) Обмотка трехфазного бесколлекторного двигателя выполняется изолированным медным проводом, от сечения которого зависит значение силы тока, а значит и мощность двигателя. Незабываем что, чем толще проволока, тем больше оборотов, но слабее крутящий момент. Подбор сечения:

1А — 0.05мм; 15А — 0.33мм; 40А — 0.7мм

3А — 0.11мм; 20А — 0.4мм; 50А — 0.8мм

10А — 0.25мм; 30А — 0.55мм; 60А — 0.95мм


3) Начинаем наматывать на полюса проволоку. Чем больше витков (13) намотано на зуб, тем большее магнитное поле. Чем сильнее поле, тем больший крутящий момент и меньшее количество оборотов. Для получения высоких оборотов, необходимо мотать меньшее количество витков. Но вместе с этим падает и крутящий момент. Для компенсации момента, обычно на мотор подают более высокое напряжение.
4) Дальше выбираем способ соединения обмотки: звездой или треугольником. Соединение звездой дает больший крутящий момент, но меньшее количество оборотов, чем соединение треугольником в 1.73 раз. (впоследствии было выбрано соединение треугольник)

5) Выбираем магниты. Количество полюсов на роторе должно быть четным (14). Форма применяемых магнитов обычно прямоугольная. Размер магнитов зависит от геометрии двигателя и характеристик мотора. Чем сильнее применяемые магниты, тем выше момент силы, развиваемый двигателем на валу. Также чем больше количество полюсов, тем больше момент, но меньше оборотов. Магниты на роторе закрепляются с помощью специального термоклея.

Испытания данного двигателя я проводил на созданной мной витномоторной установке, которая позволяет измерить тягу, мощность и обороты двигателя.

Чтобы увидеть отличия соединений «звезда» и «треугольник» я соединял по разному обмотки:

В итоге получился двигатель соответствующий характеристикам самолета, масса которого 1400 грамм.

Характеристики полученного двигателя:
Потребляемый ток: 34.1А
Ток холостого хода: 2.1А
Сопротивление обмоток: 0.02 Ом
Количество полюсов: 14
Обороты: 8400 об/мин

Видеоотчет испытания двигателя на самолете… Мягкой посадки:D

Расчет КПД двигателя:


Очень хороший показатель… Хотя можно было еще выше добиться…

Выводы:
1) У бесколлекторных двигателей высокая эффективность и КПД
2) Бесколлекторные двигатели компактны
3) Бесколлекторные двигатели можно использовать во взрывоопасных средах
4) Соединение звездой дает больший крутящий момент, но меньшее количество оборотов в 1.73 раза, чем соединение треугольником.

Таким образом, изготовить собственный бесколлекторный мотор для пилотажной модели самолета- задача выполнимая

Если у вас есть вопросы или вам что-то не понятно, задавайте мне вопросы в комметариях этой статьи. Удачи всем)

Это разновидность электродвигателя переменного тока, у которого коллекторно-щеточный узел заменен бесконтактным полупроводниковым коммутатором, управляемым датчиком положения ротора. Иногда можно встретить такую аббревиатуру: BLDС — это brushless DC motor. Для простоты буду называть его двигатель-бесколлекторник или просто БК.

Бесколлекторные двигатели достаточно популярны из-за своей специфики: отсутствуют расходные материалы типа щеток, отсутствует угольная/металлическая пыль внутри от трения, отсутствуют искры (а это огромное направление взрыво и огне безопасных приводов/насосов). Используются начиная от вентиляторов и насосов заканчивая высокоточными приводами.
Основное применение в моделизме и любительских конструкциях: двигатели для радиоуправляемых моделей.

Общий смысл этих двигателей — три фазы и три обмотки (или несколько обмоток соединенных в три группы) управление которыми осуществляется сигналом в виде синусоиды или приближенной синусоиды по каждой из фаз, но с некоторым сдвигом. На рисунке простейшая иллюстрация работы трехфазного двигателя.

Соответственно, одним из специфичных моментов управления БК двигателями является применение специального контроллера-драйвера, который позволяет регулировать импульсы тока и напряжения по каждой фазе на обмотках двигателя, что в итоге дает стабильную работу в широком диапазоне напряжений. Это так называемые ESC контроллеры.

БК моторы для р/у техники бывают различных типоразмеров и исполнения. Одни из самых мощных это серии 22 мм, 36 мм и 40/42 мм. По конструкции они бывают с внешним ротором и внутренним (Outrunner, Inrunner). Моторы с внешним ротором по факту не имеют статичного корпуса (рубашки) и являются облегченными. Как правило, используют в авиамоделях, в квадракоптерах и т.п.
Двигатели с внешним статором проще сделать герметичными. Подобные применяют для р/у моделей, которые подвергаются внешним воздействиям тип грязи, пыли, влаги: багги, монстры, краулеры, водные р/у модели).
Например, двигатель типа 3660 можно запросто установить в р/у модель автомобиля типа багги или монстра и получить массу удовольствия.

Также отмечу различную компоновку самого статора: двигатели 3660 имеют 12 катушек, соединенных в три группы.
Это позволяет получить высокий момент на валу. Выглядит это примерно так.


Соединены катушки примерно вот так


Если разобрать двигатель и извлечь ротор, то можно увидеть катушки статора.
Вот что внутри 3660 серии


еще фото

Любительское применение подобным двигателей с высоким моментом — в самодельных конструкциях, где требуется малогабаритный мощный оборотистый двигатель. Это могут быть вентиляторы турбинного типа, шпиндели любительских станков и т.п.

Так вот, с целью установки в любительский станок для сверления и гравировки был взят набор бесколлекторного двигателя вместе с ESC контроллером
GoolRC 3660 3800KV Brushless Motor with ESC 60A Metal Gear Servo 9.0kg Set


Плюсом в наборе был сервопривод на 9 кг, что очень удобно для самоделок.

Общие требования при выборе мотора были следующие:
— Количество оборотов/вольт не менее 2000, так как планировалось использование с низковольтными источниками (7.4…12В).
— Диаметр вала 5мм. Рассматривал варианты с валом 3.175 мм (это серия 24 диаметра БК двигателей, например, 2435), но тогда бы пришлось докупать новый патрон ER11. Есть варианты еще мощнее, например, двигатели 4275 или 4076, с валом 5 мм, но они соответственно дороже.

Характеристики бесколлекторного мотора GoolRC 3660:
Модель: GoolRC 3660
Мощность: 1200W
Рабочее напряжение: до 13V
Предельный ток: 92A
Обороты на вольт (RPM/Volt): 3800KV
Максимальные обороты: до 50000
Диаметр корпуса: 36mm
Длина корпуса: 60mm
Длина вала: 17mm
Диаметр вала: 5mm
Размер установочных винтов: 6 шт * M3 (короткие, я использовал М3*6)
Коннекторы: 4mm позолоченные «бананы» male
Защита: от пыли и влаги

Характеристики ESC контроллера:
Модель: GoolRC ESC 60A
Продолжительный ток: 60A
Пиковый ток: 320A
Применяемый аккумуляторные батареи: 2-3S Li-Po / 4-9S Ni-Mh Ni-Cd
BEC: 5.8V / 3A
Коннекторы (Вход): T plug male
Коннекторы (вызод.): 4mm позолоченные «бананы» female
Размеры: 50 х 35 х 34mm (без учета длины кабелей)
Защита: от пыли и влаги

Характеристики сервомашинки:
Рабочее напряжение: 6.0V-7.2V
Скорость поворота (6.0V): 0.16sec/60° без нагрузки
Скорость поворота (7.2V): 0.14sec/60° без нагрузки
Момент удержания (6.0V): 9.0kg.cm
Момент удержания (7.2V): 10.0kg.cm
Размеры: 55 х 20 х 38mm (Д * Ш * В)

Параметры комплекта:
Размер упаковки: 10.5 х 8 х 6 см
Масса упаковки: 390 гр
Фирменная упаковка с логотипом GoolRC

Состав комплекта:
1 * GoolRC 3660 3800KV Motor
1 * GoolRC 60A ESC
1 * GoolRC 9KG Servo
1 * Информационный листок


Размеры для справки и внешний вид двигателя GoolRC 3660 с указанием основных моментов

Теперь несколько слов о самой посылке.
Посылка пришла в виде небольшого почтового пакета с коробкой внутри


Доставлялась альтернативной почтовой службой, не почтой России, о чем и гласит транспортная накладная


В посылке фирменная коробочка GoolRC


Внутри комплект бесколлекторного двигателя типоразмера 3660 (36х60 мм), ESC-контроллера для него и сервомашинки с комплектом


Теперь рассмотрим весь комплект по отдельным составляющим. Начнем с самого главного — с двигателя.

БК двигатель GoolRC представляет собой цилиндр из алюминия, размеры 36 на 60 мм. С одной стороны выходят три толстых провода в силиконовой оплетке с «бананами», с другой стороны вал 5 мм. Ротор с двух сторон установлен на подшипниках качения. На корпусе присутствует маркировка модели


Еще фотография. Внешняя рубашка неподвижная, т.е. тип мотора Inrunner.


Маркировка на корпусе


С заднего торца видно подшипник


Заявлена защита от брызг и влаги
Выходят три толстых, коротких провода для подключения фаз: u v w. Если будете искать клеммы для подключения — это бананы 4 мм


Провода имеют термоусадку разного цвета: желтый, оранжевый и синий


Размеры мотора: диаметр и длина вала совпадают с заявленными: Вал 5х17 мм


Габариты корпуса двигателя 36х60 мм


Сравнение с коллекторным 775 двигателем


Сравнение с б/к шпинделем на 300Вт (и ценой около $100). Напоминаю, что у GoolRC 3660 заявлена пиковая мощность 1200Вт. Даже если использовать треть мощности, все равно это дешевле и больше, чем у этого шпинделя


Сравнение с другими модельными двигателями


Для корректной работы двигателя потребуется специальный ESC контроллер (который есть в комплекте)

ESC контроллер — это плата драйвера двигателя с преобразователем сигнала и мощными ключами. На простых моделях вместо корпуса используется термоусадка, на мощных — корпус с радиатором и активным охлаждением.


На фото контроллер GoolRC ESC 60A по сравнению с «младшим» братом ESC 20A


Обратите внимание: присутствует тумблер выключения-выключения на отрезке провода, который можно встроить в корпус устройства/игрушки


Присутствует полный комплект разъемов: входные Т-коннекторы, 4 мм бананы-гнезда, 3-пиновый вход управляющего сигнала


Силовые бананы 4 мм — гнезда, маркируются аналогично по цветам: желтый, оранжевый и синий. При подключении перепутать можно только умышленно


Входные Т-коннекторы. Аналогично перепутать полярность можно если вы очень сильный)))))


На корпусе присутствует маркировка с названием и характеристиками, что очень удобно


Охлаждение активное, работает и регулируется автоматически.

Для оценки размеров приложил PCB ruller

В наборе также присутствует сервомашинка GoolRC на 9 кг.


Плюс как и для любой другой сервомашинки в комплекте идет набор рычагов (двойной, крест, звезда, колесо) и крепежная фурнитура (понравилось, что есть проставки из латуни)


Макрофото вала сервомашинки


Пробуем закрепить крестообразный рычаг для фотографии


На самом деле интересно проверить заявленные зарактеристики — это металлический комплект шестерен внутри. Разбираем сервомашинку. Корпус сидит на герметике по кругу, а внутри присутствует обильная смазка. Шестерни и правда металлические.


Фото платы управления сервой

Для чего все это затевалось: для того, чтобы попробовать БК двигатель как сверлилку/гравировалку. Все таки заявлена пиковая мощность 1200Вт.
Я выбрал проект сверлильного станка для подготовки печатных плат на . Там есть множество проектов для изготовления светильного настольного станка. Как правило, все эти проекты малогабаритные и предназначены для установки небольшого двигателя постоянного тока.


Я выбрал один из и доработал крепление в части держателей двигателя 3660 (родной двигатель был меньше и имел другие размеры креплений)

Привожу чертеж посадочных мест и габаритов двигателя 3660


В оригинале стоит более слабый двигатель. Вот эскиз крепления (6 отверстий для М3х6)


Скрин из программы для печати на принтере


Заодно напечатал и хомут для крепления сверху


Мотор 3660 с установленным цанговым патроном типа ER11


Для подключения и проверки БК мотора потребуется собрать следующую схему: источник питания, сервотестер или плата управления, ESC-контроллер двигателя, двигатель.
Я использую самый простой сервотестер, он также дает нужный сигнал. Его можно использовать для включения и для регулировки оборотов двигателя


При желании можно подключить микроконтроллер (Ардуино и т.п.). Привожу схему из интернета с подключением аутраннера и 30А контроллера. Скетчи найти не проблема.


Соединяем все, по цветам.


Источник показывает, что холостой ток контроллера небольшой (0.26А)


Теперь сверлильный станок.
Собираем все и крепим на стойку


Для проверки собираю без корпуса, потом допечатаю корпус, куда можно установить штатный выключатель, крутилку сервотестера


Еще одно применение подобного 3660 БК двигателя — в качестве шпинделя станков для сверления и фрезеровки печатных плат


Про сам станок обзор доделаю чуть позже. Будет интересно проверить гравировку печатных плат с помощью GoolRC 3660

Заключение

Двигатель качественный, мощный, крутящий момент с запасом подойдет под любительские цели.
Конкретно живучесть подшипников при боковом усилии при фрезеровки/гравировки покажет время.
Определенно существует выгода применения модельных двигателей в любительских целях, а также простота работы и сборки конструкций на них по сравнению с шпинделями для ЧПУ, которые дороже и требуют специального оборудования (источники питания с регулировкой оборотов, драйверы, охлаждение и т.п.).

При заказе пользовался купоном SALE15 со скидкой 5% на все товары магазина.

Спасибо за внимание!

Планирую купить +59 Добавить в избранное Обзор понравился +92 +156

Когда я начал разрабатывать блок управления бесколлекторным двигателем (мотор-колесом), было много вопросов о том, как сопоставить реальный двигатель с абстрактной схемой из трех обмоток и магнитов, на которой, как правило, все объясняют принцип управления бесколлекторными двигателями.

Когда я реализовал управление по датчикам Холла я еще не очень понимал, что происходит в двигателе дальше абстрактных трех обмоток и двух полюсов: почему 120 градусов и почему алгоритм управления именно такой.

Все встало на место, когда я начал разбираться в идее бездатчикового управления бесколлекторным двигателем — понимание процесса, происходящего в реальной железке, помогло разработать аппаратную часть и понять алгоритм управления.

Ниже я постараюсь расписать свой путь к пониманию принципа управления бесколлекторным двигателем постоянного тока.


Для работы бесколлекторного двигателя необходимо чтобы постоянное магнитное поле ротора увлекалось за вращающемся электромагнитным полем статора, как и в обычном ДПТ.

Вращение магнитного поля статора осуществляется коммутацией обмоток с помощью электронного блока управления.
Конструкция бесколлекторного двигателя схожа с конструкцией синхронного двигателя, если подключить бесколлекторный двигатель в трехфазную сеть переменного тока, удовлетворяющую электрическим параметрам двигателя, он будет работать.

Определенная коммутация обмоток бесколлекторного двигателя позволяет управлять им от источника постоянного тока. Чтобы понять, как составить таблицу коммутаций бесколлекторного двигателя необходимо рассмотреть управление синхронной машиной переменного тока.

Синхронная машина
Синхронная машина управляется от трехфазной сети переменного тока. Двигатель имеет 3 электрические обмотки, смещенные между собой на 120 электрических градусов.

Запустив трехфазный двигатель в генераторном режиме, постоянным магнитным полем будет наводиться ЭДС на каждую из обмоток двигателя, обмотки двигателя распределены равномерно, на каждую из фаз будет наводиться синусоидальное напряжение и данные сигналы будут смещены между собой на 1/3 периода (рисунок 1). Форма ЭДС меняется по синусоидальному закону, период синусоиды равен 2П(360), поскольку мы имеем дело с электрическими величинами (ЭДС, напряжение, ток) назовем это электрическими градусами и будем измерять период в них.

При подаче на двигатель трехфазного напряжения в каждый момент времени на каждой обмотке будет некое значение силы тока.


Рисунок 1. Вид сигнала трехфазного источника переменного тока.

Каждая обмотка формирует вектор магнитного поля пропорциональный току на обмотке. Сложив 3 вектора можно получить результирующий вектор магнитного поля. Так как с течением времени ток на обмотках двигателя меняется по синусоидальному закону, меняется величина вектора магнитного поля каждой обмотки, а результирующий суммарный вектор меняет угол поворота, при этом величина данного вектора остается постоянной.


Рисунок 2. Один электрический период трехфазного двигателя.

На рисунке 2 изображен один электрический период трехфазного двигателя, на данном периоде обозначено 3 произвольных момента, чтобы построить в каждом из этих моментов вектора магнитного поля отложим данный период, 360 электрических градусов, на окружности. Разместим 3 обмотки двигателя сдвинутые на 120 электрических градусов относительно друг друга (рисунок 3).


Рисунок 3. Момент 1. Вектора магнитного поля каждой обмотки (слева) и результирующий вектор магнитного поля (справа).

Вдоль каждой из фаз построен вектор магнитного поля, создаваемый обмоткой двигателя. Направление вектора определяется направлением постоянного тока в обмотке, если напряжение, прикладываемое к обмотке положительно, то вектор направлен в противоположную сторону от обмотки, если отрицательное, то вдоль обмотки. Величина вектора пропорциональна величине напряжения на фазе в данный момент.
Чтобы получить результирующий вектор магнитного поля необходимо сложить данные вектора по закону сложения векторов.
Аналогично построение для второго и третьего моментов времени.


Рисунок 4. Момент 2. Вектора магнитного поля каждой обмотки (слева) и результирующий вектор магнитного поля (справа).

Так, с течение времени, результирующий вектор плавно меняет свое направление, на рисунке 5 изображены получившиеся вектора и изображен полный поворот магнитного поля статора за один электрический период.


Рисунок 5. Вид вращающегося магнитного поля формируемого обмотками на статоре двигателя.

За этим вектором электрического магнитного поля увлекается магнитное поле постоянных магнитов ротора в каждый момент времени (рисунок 6).


Рисунок 6. Постоянный магнит (ротор) следует направлению магнитного поля формируемого статором.

Так работает синхронная машина переменного тока.

Имея источник постоянного тока необходимо самостоятельно формировать один электрический период со сменой направлений тока на трех обмотках двигателя. Поскольку бесколлекторный двигатель по конструкции такой же, как синхронный, в генераторном режиме имеет идентичные параметры, необходимо отталкиваться от рисунка 5, где изображено сформированное вращающееся магнитное поле.

Постоянное напряжение
Источник постоянного тока имеет только 2 провода «плюс питания» и «минус питания» это значит, что есть возможность подавать напряжение только на две из трех обмоток. Необходимо аппроксимировать рисунок 5 и выделить все моменты, при которых возможно скоммутировать 2 фазы из трех.

Число перестановок из множества 3 равняется 6, следовательно, имеется 6 вариантов подключения обмоток.
Изобразим возможные варианты коммутаций и выделим последовательность, при которой вектор будет шаг за шагом проворачиваться далее пока не дойдет до конца периода и не начнет сначала.

Электрический период будем отсчитывать от первого вектора.


Рисунок 7. Вид шести векторов магнитного поля которые можно создать от источника постоянного тока коммутацией двух из трех обмоток.

На рисунке 5 видно, что при управлении трехфазным синусоидальным напряжением имеется множество векторов плавно проворачивающихся с течением времени, а при коммутации постоянным током возможно получить вращающееся поле только из 6 векторов, то есть переключение на следующий шаг должно происходить каждые 60 электрических градусов.
Результаты из рисунка 7 сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Полученная последовательность коммутаций обмоток двигателя.

Вид получившегося управляющего сигнала в соответствии с таблицей 1 изображен на рисунке 8. Где -V коммутация на минус источника питания (GND), а +V коммутация на плюс источника питания.


Рисунок 8. Вид управляющих сигналов от источника постоянного тока для бесколлекторного двигателя. Желтый – фаза W, синий – U, красный – V.

Однако реальная картина с фаз двигателя будет похожа на синусоидальный сигнал из рисунка 1. У сигнала образуется трапециевидная форма, так как в моменты, когда обмотка двигателя не подключена, постоянные магниты ротора наводят на нее ЭДС (рисунок 9).


Рисунок 9. Вид сигнала с обмоток бесколлекторного двигателя в рабочем режиме.

На осциллографе это выглядит так:


Рисунок 10. Вид окна осциллографа при измерении одной фазы двигателя.

Конструктивные особенности
Как было сказано ранее за 6 переключений обмоток формируется один электрический период 360 электрических градусов.
Необходимо связать данный период с реальным углом вращения ротора. Двигатели с одной парой полюсов и трехзубым статором применяются крайне редко, двигатели имеют N пар полюсов.
На рисунке 11 изображены модели двигателя с одной парой полюсов и с двумя парами полюсов.


а. б.
Рисунок 11. Модель двигателя с одной (a) и с двумя (б) парами полюсов.

Двигатель с двумя парами полюсов имеет 6 обмоток, каждая из обмоток парная, каждая группа из 3 обмоток смещена между собой на 120 электрических градусов. На рисунке 12б. отложен один период для 6 обмоток. Обмотки U1-U2, V1-V2, W1-W2 соединены между собой и в конструкции представляют 3 провода вывода фаз. Для простоты рисунка не отображены соединения, но следует запомнить, что U1-U2, V1-V2, W1-W2 одно и то же.

На рисунке 12, исходя из данных таблицы 1, изображены вектора для одной и двух пар полюсов.


а. б.
Рисунок 12. Схема векторов магнитного поля для двигателя с одной (a) и с двумя (б) парами полюсов.

На рисунке 13 изображены вектора, созданные 6 коммутациями обмоток двигателя с одной парой полюсов. Ротор состоит из постоянных магнитов, за 6 шагов ротор провернется на 360 механических градусов.
На рисунке обозначены конечные положения ротора, в промежутках между двумя соседними положениями ротор проворачивается от предыдущего к следующему скоммутированному состоянию. Когда ротор достигает данного конечного положения, должно происходить следующее переключение и ротор будет стремиться к новому заданному положению, так чтобы его вектор магнитного поля стал сонаправлен с вектором электромагнитного поля статора.


Рисунок 13. Конечные положения ротора при шестиступенчатой коммутации бесколлекторного двигателя с одной парой полюсов.

В двигателях с N парами полюсов необходимо пройти N электрических периодов для полного механического оборота.
Двигатель с двумя парами полюсов будет иметь два магнита с полюсами S и N, и 6 обмоток (рисунок 14). Каждая группа из 3 обмотки смещены друг относительно друга на 120 электрических градусов.


Рисунок 14. Конечные положения ротора при шестиступенчатой коммутации бесколлекторного двигателя с двумя парами полюсов.

Определение положения ротора бесколлекторного двигателя
Как было сказано ранее для работы двигателя необходимо в нужные моменты времени подключать напряжение на нужные обмотки статора. Подавать напряжение на обмотки двигателя нужно в зависимости от положения ротора, так чтобы магнитное поле статора всегда опережало магнитное поле ротора. Для определения положения ротора двигателя и коммутаций обмоток используют электронный блок управления.
Отслеживание положения ротора возможно несколькими способами:
1. По датчикам Холла
2. По обратной ЭДС
Как правило, датчиками Холла производители оснащают двигатель при выпуске, поэтому это самый распространённый метод управления.
Коммутирование обмоток в соответствии с сигналами обратной ЭДС позволяет отказаться от датчиков встроенных в двигатель и использовать в качестве датчика анализ свободной фазы двигателя, на которую будет наводиться магнитным полем противо-ЭДС.

Управление бесколлекторным двигателем с датчиками Холла
Чтобы коммутировать обмотки в нужные моменты времени необходимо отслеживать положение ротора в электрических градусах. Для этого применяются датчики Холла.
Поскольку имеется 6 состояний вектора магнитного поля необходимо 3 датчика Холла, которые будут представлять один абсолютный датчик положения с трехбитным выходом. Датчики Холла устанавливаются также как обмотки, смещенные между собой на 120 электрических градусов. Это позволяет использовать магниты ротора в качестве воздействующего элемента датчика.


Рисунок 15. Сигналы с датчиков Холла за один электрический оборот двигателя.

Для вращения двигателя необходимо чтобы магнитное поле статора опережало магнитное поле ротора, положение, когда вектор магнитного поля ротора сонаправлен с вектором магнитного поля статора является конечным для данной коммутации, именно в этот момент должно происходить переключение на следующую комбинацию, чтобы не давать ротору зависать в стационарном положении.
Cопоставим сигналы с датчиков Холла с комбинацией фаз которые необходимо скоммутировать (таблица 2)

Таблица 2. Сопоставление сигналов датчиков Холла с коммутацией фаз двигателя.

Положение двигателя HU(1) HV(2) HW(3) U V W
0 0 0 1 0 +
1 0 1 + 0
1 0 0 + 0
1 1 0 0 +
0 1 0 + 0
360/N 0 1 1 0 +

При равномерном вращении двигателя с датчиков поступает сигнал смещенный на 1/6 периода, 60 электрических градусов (рисунок 16).


Рисунок 16. Вид сигнала с датчиков Холла.

Управление с помощью сигнала обратной ЭДС
Существуют бесколлекторный двигатели без датчиков положения. Определение положения ротора осуществляется с помощью анализа сигнала ЭДС на свободной фазе двигателя. В каждый момент времени к одной из фаз подключен «+» к другой «-» питания, одна из фаз остается свободной. Вращаясь, магнитное поле ротора наводит ЭДС в свободной обмотке. По мере вращения напряжение на свободной фазе изменяется (рисунок 17).


Рисунок 17. Изменение напряжения на фазе двигателя.

Сигнал с обмотки двигателя разбит на 4 момента:
1. Обмотка подключена к 0
2. Обмотка не подключена (свободная фаза)
3. Обмотка подключена к питающему напряжению
4. Обмотка не подключена (свободная фаза)
Сопоставив сигнал с фаз с управляющим сигналом, видно, что момент перехода на следующее состояние можно детектировать пересечением средней точки (половины питающего напряжения) с фазой, которая в данный момент не подключена (рисунок 18).


Рисунок 18. Сопоставление управляющего сигнала с сигналом на фазах двигателя.

После детектирования пересечения необходимо выдержать паузу и включать следующее состояние. По данному рисунку составлен алгоритм переключений состояний обмоток (таблица 3).

Таблица 3. Алгоритм переключения обмоток двигателя

Текущее состояние U V W Следующее состояние
1 + 2
2 + 3
3 + Ожидание пересечения средней точки из + в — 4
4 + Ожидание пересечения средней точки из — в + 5
5 Ожидание пересечения средней точки из + в — + 6
6 + Ожидание пересечения средней точки из — в + 1

Пересечение средней точки проще всего детектировать компаратором, на один вход компаратора подается напряжение средней точки, а на второй текущее напряжение фазы.


Рисунок 19. Детектирование средней точки компаратором.

Компаратор срабатывает в момент перехода напряжения через среднюю точку и генерирует сигнал для микроконтроллера.

Обработка сигнала с фаз двигателя
Однако сигнал с фаз при регулировании скорости ШИМ отличается видом, и имеет импульсный характер (рисунок 21), в таком сигнале невозможно детектировать пересечение со средней точкой.


Рисунок 20. Вид сигнала фазы при регулировании скорости ШИМ.

Поэтому данный сигнал следует отфильтровать RC фильтром чтобы получить огибающую, а так же разделить под требования компаратора. По мере увеличения скважности шим сигнал будет возрастать по амплитуде (рисунок 22).


Рисунок 21. Схема делителя и фильтра сигнала с фазы двигателя.


Рисунок 22. Огибающая сигнала при изменении скважности ШИМ.

Схема со средней точкой


Рисунок 23. Вид виртуальная средней точки. Картинка взята с avislab.com/

С фаз снимаются сигналы через токограничительные резисторы и объединяются, получается вот такая картина:


Рисунок 24. Вид осциллограммы напряжения виртуальной средней точки.

Из-за ШИМ, напряжение средней точки не постоянно, сигнал так же необходимо фильтровать. Напряжение средней точки после сглаживания будет достаточно большим (в районе питающего напряжения двигателя), его необходимо разделить делителем напряжения до значения половины питающего напряжения.
бесколлекторный двигатель

  • ЭДС
  • BLDC
  • Добавить метки

    Задача электрического двигателя создать вращение, что приводит в движение радиоуправляемые модели.Часто одни и те же радиоуправляемые модели — автомодели, авиамодели, судомодели — сильно отличаются друг от друга по цене — почти в 2 раза. Эти модели могут быть укомплектованы коллекторными и бесколлекторными двигателями и соответственными регуляторами. Нужно понять, какой двигатель выбрать.

    Существует 2 основных типа электродвигателей, использующихся в радиоуправляемых моделях: коллекторные и бесколлекторные.

    (brushed, щеточные) дешеле, но модели с такими двигателями развивают меньшую скорость и такие моторы менее надежны.

    Определяющей особенностей коллекторных двигателей является наличие щеточно-коллекторного узла, который обеспечивает движение радиоуправляемой модели. Главным внешним отличием коллекторного двигателя от бесколлекторного является наличие у него двух проводов вместо трех. Коллекторный двигатель состоит из подвижной части — ротор и неподвижной — статор (корпус). Коллектор — набор контактов, расположены на роторе и щётки — скользящие контакты, расположены вне ротора и прижаты к коллектору. Ротор с обмотками вращается внутри статора. Щётки используются, чтобы передавать электрическую энергию на катушки вращающихся обмоток ротора. Обычные коллекторные электродвигатели, имеют всего два провода (положительный и отрицательный), которыми двигатель подключается к регулятору скорости.

    Коллекторные двигатели, используемые в радиоуправляемых моделях, работают от постоянного тока. К примеру, подав на два провода двигателя соответствующее напряжение от источника постоянного тока, например, обычной батарейки или аккумулятора, приводим вал двигателя в движение. Схема регулятора для коллекторного двигателя простая, что так же уменьшает стоимость такой комплектации. Ротор двигателя разгоняет магнитное поле, создаваемое на обмотках. Величина этого поля зависит от напряжения приложенного к обмоткам, чем большее магнитное поле будет создано, тем быстрее будет крутиться ротор. На двигателе обычно указывается число оборотов обмотки двигателя, чем меньше число, тем выше скорость вращения вала двигателя.
    Среди преимуществ коллекторных двигателей радиоуправляемых моделей можно выделить: малые размеры, вес, а также относительно низкая стоимость. Поэтому такой тип двигателя наиболее часто применяется в бюджетных комплектациях моделей или в моделях начального уровня. Если говорить о надежности коллекторного двигателя, то он сильно уступает бесколлекторному. При всей их простоте, у них один огромный недостаток — ограниченный ресурс. Наличие щеточно-коллекторного узла подразумевает механическую систему подвижных контактов, то есть механическая работа щеточек и коллектора может привести к искрению при перегреве и быстрый износ при неблагоприятных условиях эксплуатации (влага, грязь, пыль). В процессе работы коллекторных двигателей происходит постепенный износ графитовых щеток и металла коллектора, по которым щетки скользят и рано или поздно они выходят из строя. Перед началом эксплуатации модели, двигатель желательно обкатать при пониженной нагрузке для того, чтобы щетки правильно притерлись к коллектору. При агрессивной (может быть 2 заезда) или длительной эксплуатации модели замена коллекторного моторчика – это частое и обыденное явление.

    Бесколлекторные двигатели (brushless, бесщёточные) – дороже, но способны развить большую скорость, а также более износостойкие. Модель, оборудованная современной бесколлекторной системой, ездит и быстрее, и дольше.

    Высокая эффективность (коэффициент полезного действия) и износостойкость достигается благодаря отсутствию щеточно-коллекторного узла. Бесколлекторные моторы являются более мощными, чем коллекторные моторы того же размера. Главным внешним отличием бесколлекторного мотора от коллекторного является наличие у него трёх проводов вместо двух. У бесколлекторного двигателя подвижной частью является как раз статор (корпус) с постоянными магнитами, а неподвижной частью — ротор с трехфазной обмоткой. Переключение обмоток происходит за счет относительно сложной электронной схемы — регулятора.

    Бесколлекторный двигатель приводится во вращение трёхфазным переменным током, поэтому для их работы необходим специальный контроллер скорости (регулятор), преобразующий постоянный ток от аккумулятора в переменный. Как бесколлекторный двигатель, так и регулятор для бесколлекторного двигателя имеет более сложную конструкцию, в силу чего, стоимость возрастает.

    Двигатели, используемые в моделях, имеют закрытый корпус, что делает их устойчивыми к влаге, пыли, грязи. Можно сказать, что бесколлекторные моторы практически не изнашиваются. Изнашиваться могут только подшипники. Единственная возможность разбить мотор — в столкновении. Еще можно сжечь контроллер — как и любой регулятор, но при наличии в контроллере защиты по току он тоже прослужит долго.

    Значения характеристик двигателя для радиоуправляемых моделей
    .

    Помимо деления на коллекторные и бесколлекторные, двигатели делятся по следующим значимым характеристикам: мощности, КV, напряжению, максимальному току.

    По размерам . Для коллекторного двигателя — эта характеристика называется класс, где цифрой, к примеру, 280, 300,400, 480, 500, 600, 650, 700, 720, 820, 900, обозначается длина корпуса двигателя. Существует набор классов.
    Пример: класс двигателя определяется его длиной — если мы говорим о двигателе 400-го класса, то речь идет о моторе с длиной корпуса 400мм. У Бесколлектоных двигателей важной характеристикой яляется его размер — длина и ширина. Различия в размерах дает представление о мощности бесколлекторного электромотора. Чем больше размер — тем выше мощность.
    Пример: Двигатель 4274 означает:
    диаметр — 42 мм,
    длина — 74 мм.

    Например, двигатель с такими размерами один из самых мощных, он подойдет на автомодель масштаба 1:8.

    Мощность двигателя (power, watt) — определяет работу, которую двигатель может выполнить в единицу времени. Самая важная характеристика мотора. Зная мощность, можно определить максимальную нагрузку которую может выдержать двигатель по формуле.
    Мощность (Ватт) = Напряжение питания (Вольт) * Сила тока (Ампер).
    Зная мощность можно подобрать аккумулятор и регулятор по максимальной силе тока, получаемой из формулы.

    Обороты , об/В (KV, RPM) — обороты на вольт.
    Важный параметр указывает скорость вращения вала двигателя. Обороты в минуту определяются количеством вращений в минуту, проще говоря как быстро вращается мотор. Скорость вращения ротора, измеряется в KV. Так принято обозначать коэффициент отношения частоты вращения оборотов мотора (об/мин) к напряжению питания мотора (В). Грубо говоря kV показывает насколько быстро будут вращаться разные моторы при одинаковом напряжении.
    Максимальные обороты = KV * Напряжение питания двигателя.
    Например: мотор мощностью 980 KV, на который подаются 11.1V от батарейки будет вращаться при 980 x 11.1 = 10878 оборотах в минуту без нагрузки.
    Показания тока могут представлять максимальный непрерывный ток и предельные значения тока, который может подаваться на двигатель. Выбирая аккумулятор и регулятор, выбирайте те, на которых указаны значения максимального непрерывного тока равного и больше, чем значения тока на моторе.
    Для разных моделей, разных используемых шестеренок и пропеллеров требуемый kV мотора подбирается и вычисляется индивидуально. По этому параметру можно подобрать применение мотора, аккумулятор и пропеллер. Так моторы с KV больше 2000, как правило, применяют на вертолетах либо на скоростных моделях. Мотор с высоким KV можно использовать с батарей из меньшего количества банок и он более эффективен с пропеллером с меньшим шагом. Моторы этого класса чаще используют на летающих крыльях. Моторы с меньшим KV позволяют ставить аккумуляторы с большим количеством банок, таким образом несколько набирая вес, но увеличивая продолжительность полета — не за счет емкости, а за счет снижения максимальных токов при той же работе выполняемой мотором. Чем выше KV моторов, тем компактнее должны быть винты. Винты небольшого размера обеспечивают более высокую скорость, но снижают эффективность. Конфигурацию с винтами большого размера и, соответственно, моторы с более низким значением KV проще заставить стабильно летать, она расходует меньше энергии, позволяет поднять большую массу.
    KV — значимая характеристика для бесколлекторных моторов. У коллекторных моторов обычно на KV не смотрят. Если моделист принял решение заменить коллекторный мотор, то обычно меняет на точно такой же.

    Напряжение питания, В (cell count, volts)
    Напряжение, к которому приспособлен двигатель. Определяет количество банок аккумулятора, которое можно использовать с мотоустановкой. При превышении резко уменьшается время жизни мотора.
    Например, имеются моторы с рабочим напряжением 4,8 вольта, 6 вольт, и 7,2 вольта. Эти цифры указывают, с каким количеством банок в батарее предназначен работать этот двигатель. Напряжение на одной банке NiMH (никель-металгидридном) аккумулятора составляет 1,2 вольта — мотор с рабочим напряжением 4,8 вольт предназначен для работы от 4-х баночного аккумулятора. Эти цифры ориентировочные, моторы способны работать и при повышенных напряжениях.
    Напряжение и KV связаны.

    , А (max load, peak current, max amps, surge current)
    Сила тока, которую способен без повреждения выдержать двигатель и регулятор. Максимальный ток тем больше,чем больше физические размеры бесколлекторного двигателя. , А (current load, continuous current)
    Количество ампер длительно и без перегрузки пропускаемое мотором при номинальном напряжении. Позволяет посчитать, сколько времени прослужит аккумулятор с этим мотором.

    Максимальная эффективность , % (max efficiency)
    КПД — то количество энергии, которое мотор переводит непосредственно в полезную работу. Чем выше — тем лучше.

    По конструкции бесколлекторные моторы делятся на две группы: inrunner и outrunner. Эта характеристика говорит о конструктивной особенности мотора.
    Двигатели Inrunner имеют расположенные по внутренней поверхности корпуса обмотки, и вращающийся внутри магнитный ротор. Большенству радиоуправляемых моделей — машин и лодок требуются бесколлекторный мотор Inrunner.
    Двигатели Outrunner имеют неподвижные обмотки, внутри двигателя, вокруг которых вращается корпус с помещенными на его внутреннюю стенку постоянными магнитами, т. е. в аутраннерах вращается внешняя часть мотора. Аутранеры выбирают для авиамоделей, т. к. они в силу своей конструкции лучше охлаждаются и у них больше вариаций, как их можно прикрепить. Моторы Outrunner имеют меньшие значения в Киловольтах, что означает, что они движутся с меньшей скоростью, но с большим крутящим (вращающим) моментом. Обычно мощность Аутранеров не определяют по внешним габаритам. Аутраннеры благодаря своей конструкции позволяют использовать большее число магнитных полюсов.

    Количество полюсов магнитов , используемых в бесколлекторных двигателях, может быть разным.
    По количеству полюсов можно судить о крутящем моменте и оборотах и двигателя. Моторы с двухполюсными роторами имеют наибольшую скорость вращения при наименьшем крутящем моменте. Моторы с большим количеством полюсов имеют меньшую скорость вращения, но зато больший крутящий момент.

    Также бесколлекторные двигатели бывают сенсорные и бессенсорные.
    Сенсорные лучше, так как сенсор обеспечивает более плавную работу двигателя, быстрый и плавный старт, более рациональное использование энергии.

    Что такое бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC)? Строительство и работа

    Конструкция, работа и применение BLDC (бесщеточный двигатель постоянного тока)

    Бесколлекторные двигатели постоянного тока (BLDC) были в центре внимания многих производителей двигателей, поскольку эти двигатели все чаще используются во многих приложениях, особенно в области технологий управления двигателями. Двигатели BLDC превосходят щеточные двигатели постоянного тока во многих отношениях, таких как способность работать на высоких скоростях, высокий КПД и лучшее рассеивание тепла.

    Они являются неотъемлемой частью современной приводной техники, чаще всего используемой для приводов, станков, электрических двигателей, робототехники, компьютерной периферии, а также для производства электроэнергии. С развитием бездатчиковой технологии, помимо цифрового управления, эти двигатели стали настолько эффективными с точки зрения общей стоимости системы, размера и надежности.

    Что такое бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC)?

    Бесщеточный двигатель постоянного тока (известный как BLDC) представляет собой синхронный электродвигатель с постоянными магнитами , который приводится в действие электричеством постоянного тока (DC) и реализует систему коммутации с электронным управлением (коммутация — это процесс создания крутящего момента в двигателе путем изменения фазные токи через него в соответствующие моменты времени) вместо системы механической коммутации.Двигатели BLDC также называют двигателями с трапециевидными постоянными магнитами.

    В отличие от обычного двигателя постоянного тока щеточного типа, в котором щетки механически контактируют с коммутатором на роторе, образуя электрический путь между источником постоянного тока и обмотками якоря ротора, в бесконтактном двигателе постоянного тока используется электрическая коммутация с ротором с постоянными магнитами и статором с последовательность катушек. В этом двигателе вращается постоянный магнит (или полюса поля) и закреплены проводники с током.

    Обмотки якоря переключаются электронным способом с помощью транзисторов или кремниевых выпрямителей при правильном положении ротора таким образом, что поле якоря находится в пространственной квадратуре с полюсами поля ротора. Следовательно, сила, действующая на ротор, заставляет его вращаться. Датчики Холла или энкодеры чаще всего используются для определения положения ротора и располагаются вокруг статора. Обратная связь о положении ротора от датчика помогает определить, когда следует переключать ток якоря.

    Это электронное коммутационное устройство устраняет коллекторное устройство и щетки в двигателе постоянного тока и, следовательно, достигается более надежная и менее шумная работа. Благодаря отсутствию щеток двигатели BLDC способны работать на высоких скоростях. КПД двигателей постоянного тока BLDC обычно составляет от 85 до 90 процентов, тогда как эффективность двигателей постоянного тока коллекторного типа составляет от 75 до 80 процентов. Доступны самые разные двигатели BLDC, начиная от малого диапазона мощности и заканчивая дробной мощностью, интегральной мощностью и большими диапазонами мощности.

    Конструкция двигателя BLDC Двигатели

    BLDC могут иметь различные физические конфигурации. В зависимости от обмоток статора они могут быть сконфигурированы как однофазные, двухфазные или трехфазные двигатели. Однако чаще всего используются трехфазные двигатели BLDC с ротором на постоянных магнитах.

    Конструкция этого двигателя во многом похожа на трехфазный асинхронный двигатель, а также на обычный двигатель постоянного тока. Этот двигатель имеет части статора и ротора, как и все другие двигатели.

    Статор электродвигателя постоянного тока, состоящий из стальных пластин, несущих обмотки. Эти обмотки размещены в пазах, прорезанных в осевом направлении по внутренней периферии статора. Эти обмотки могут быть расположены либо звездой, либо треугольником. Однако большинство двигателей BLDC имеют трехфазный статор, соединенный звездой.

    Каждая обмотка состоит из множества соединенных между собой витков, при этом в каждый паз помещается один или несколько витков. Для образования четного числа полюсов каждая из этих обмоток распределяется по периферии статора.

    Статор должен быть выбран с правильным номинальным напряжением в зависимости от мощности источника питания. Для робототехники, автомобилей и небольших исполнительных механизмов предпочтительны двигатели BLDC с напряжением 48 В или менее. Для промышленных применений и систем автоматизации используются двигатели с номинальным напряжением 100 В и выше.

    Ротор

    Двигатель BLDC включает в себя постоянный магнит в роторе. Количество полюсов в роторе может варьироваться от 2 до 8 пар полюсов с чередованием южных и северных полюсов в зависимости от требований применения.Для достижения максимального крутящего момента в двигателе плотность потока материала должна быть высокой. Для создания необходимой плотности магнитного поля необходим соответствующий магнитный материал для ротора.

    Ферритовые магниты

    недороги, однако имеют низкую магнитную индукцию для данного объема. Магниты из редкоземельных сплавов обычно используются для новых конструкций. Некоторыми из этих сплавов являются самарий-кобальт (SmCo), неодим (Nd) и феррит и бор (NdFeB). Ротор может иметь различные конфигурации сердечника, такие как круглый сердечник с постоянным магнитом на периферии, круглый сердечник с прямоугольными магнитами и т. д.

    Датчики Холла Датчик Холла

    предоставляет информацию для синхронизации возбуждения якоря статора с положением ротора. Поскольку коммутация двигателя BLDC управляется электронным способом, обмотки статора должны быть запитаны последовательно, чтобы двигатель вращался. Перед включением определенной обмотки статора необходимо подтвердить положение ротора. Таким образом, датчик Холла, встроенный в статор, определяет положение ротора.

    Большинство двигателей BLDC оснащены тремя датчиками Холла, встроенными в статор.Каждый датчик генерирует сигналы Low и High всякий раз, когда полюса ротора проходят рядом с ним. Точная последовательность коммутации обмотки статора может быть определена на основе комбинации отклика этих трех датчиков.

    Принцип работы и работа двигателя постоянного тока BLDC Двигатель

    BLDC работает по тому же принципу, что и обычный двигатель постоянного тока, то есть по закону силы Лоренца, который гласит, что всякий раз, когда проводник с током помещается в магнитное поле, на него действует сила.Вследствие силы реакции магнит будет испытывать равную и противоположную силу. В случае двигателя BLDC проводник с током неподвижен, а постоянный магнит движется.

    Когда катушки статора электрически переключаются источником питания, он становится электромагнитом и начинает создавать однородное поле в воздушном зазоре. Хотя источником питания является постоянный ток, коммутация заставляет генерировать сигнал переменного напряжения трапециевидной формы. За счет силы взаимодействия статора электромагнита и ротора с постоянными магнитами ротор продолжает вращаться.

    Рассмотрим рисунок ниже, на котором статор двигателя возбуждается в зависимости от различных состояний переключения. При переключении обмоток как высокого и низкого сигналов соответствующие обмотки запитываются как северный и южный полюса. Ротор с постоянными магнитами с северным и южным полюсами совпадает с полюсами статора, заставляя двигатель вращаться.

    Обратите внимание, что двигатель создает крутящий момент из-за развития сил притяжения (при выравнивании север-юг или юг-север) и сил отталкивания (при выравнивании север-север или юг-юг).Таким образом, двигатель движется по часовой стрелке.

    Здесь может возникнуть вопрос, откуда мы знаем, какая катушка статора должна быть под напряжением и когда это делать. Это потому что; непрерывное вращение двигателя зависит от последовательности переключения катушек. Как обсуждалось выше, датчики Холла передают информацию о положении вала в электронный блок управления.

    На основе этого сигнала от датчика контроллер принимает решение о включении определенных катушек. Датчики Холла генерируют сигналы низкого и высокого уровня всякий раз, когда полюса ротора проходят рядом с ним.Эти сигналы определяют положение вала.

    Бесщеточный двигатель постоянного тока

    Как описано выше, схема электронного контроллера подает питание на соответствующую обмотку двигателя, поворачивая транзистор или другие полупроводниковые переключатели для непрерывного вращения двигателя. На рисунке ниже показана простая схема привода двигателя BLDC , которая состоит из моста MOSFET (также называемого инверторным мостом), электронного контроллера, датчика Холла и двигателя BLDC.

    Здесь датчики Холла используются для обратной связи по положению и скорости.Электронный контроллер может быть блоком микроконтроллера или микропроцессором, или процессором DSP, или блоком FPGA, или любым другим контроллером. Этот контроллер получает эти сигналы, обрабатывает их и отправляет управляющие сигналы в схему драйвера MOSFET.

    В дополнение к переключению номинальной скорости двигателя дополнительная электронная схема изменяет скорость двигателя в зависимости от требуемого применения. Эти блоки управления скоростью обычно реализуются с ПИД-контроллерами для точного управления.Также можно обеспечить работу двигателя в четырех квадрантах, сохраняя при этом хороший КПД при изменении скорости с использованием современных приводов.

    Сопутствующие электрические приводы Статьи

    Преимущества двигателя BLDC Двигатель BLDC

    имеет несколько преимуществ по сравнению с обычными двигателями постоянного тока, некоторые из них

    .
    • У него нет механического коммутатора и связанных с ним проблем
    • Высокая эффективность благодаря использованию ротора с постоянными магнитами
    • Высокая скорость работы даже в загруженном и ненагруженном состоянии за счет отсутствия щеток, ограничивающих скорость
    • Меньшая геометрия двигателя и меньший вес, чем у щеточных двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей переменного тока
    • Долгий срок службы, поскольку коллекторная система не требует осмотра и обслуживания
    • Более высокая динамическая характеристика благодаря малой инерции и несущим обмоткам в статоре
    • Меньше электромагнитных помех
    • Тихая работа (или низкий уровень шума) из-за отсутствия щеток
    Недостатки бесщеточного двигателя
    • Эти двигатели дорогие
    • Электронный контроллер требует управления этим двигателем, это дорого
    • Недостаточная доступность многих интегрированных электронных решений для управления, особенно для крошечных двигателей BLDC
    • Требуется сложная схема привода
    • Необходимость дополнительных датчиков

    Вы также можете прочитать: Подключение трехфазного двигателя звезда/треугольник (Y-Δ) назад/вперед с таймером питания и схема управления

    Применение бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC)

    Бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) используются для широкого круга требований, таких как переменные нагрузки, постоянные нагрузки и позиционирование в областях промышленного управления, автомобилестроения, авиации, систем автоматизации, медицинского оборудования и т. д.Некоторые конкретные применения двигателей BLDC:

    .
    • Компьютерные жесткие диски и проигрыватели DVD/CD
    • Электромобили, гибридные автомобили и электрические велосипеды
    • Промышленные роботы, станки с ЧПУ и простые системы с ременным приводом
    • Стиральные машины, компрессоры и сушилки
    • Вентиляторы, насосы и воздуходувки

    Похожие сообщения

    Конструкция и принцип работы BLDC Motor

    Конструкция и принципы работы бесщеточных двигателей постоянного тока 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.

    Конструкция двигателя постоянного тока Конструкция двигателя BLDC

    Как и любой другой электродвигатель, двигатель BLDC также имеет статор и ротор.

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

    В зависимости от конструкции могут быть два типа BLDC двигателей:

    1. Конструкция внутреннего ротора BLDC

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

    2.Конструкция внешнего ротора BLDC

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

    Принцип работы BLDC Motor

    Обмотки статора асинхронного электродвигателя постоянного тока подключены к цепи управления (интегральной схеме переключения). 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.

    Коммутатор

    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 называют «двигателями 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. Это делает двигатель BLDC потенциально менее прочным.

    Преимущества бесщеточных двигателей постоянного тока по сравнению с щеточными двигателями

    преимущества двигателя BLDC по сравнению с щеточными двигателями перечислены ниже,

    • Повышенная эффективность
    • Надежность
    • Увеличенный срок службы
    • Без искрения и меньше шума
    • Больше крутящего момента на вес и т. д.

    Бесщеточный DC | Принцип работы двигателя BLDC

    Привет, друзья, в этой статье я предоставляю вам некоторую базовую информацию о бесщеточном двигателе постоянного тока, то есть двигателе BLDC. С помощью этой информации вы можете легко понять принцип работы двигателя постоянного тока BLDC .

    В отличие от обычного двигателя постоянного тока, бесщеточный двигатель постоянного тока имеет конструкцию «наизнанку», то есть полюса возбуждения вращаются, а якорь неподвижен. Полюса возбуждения состоят из постоянных магнитов, установленных внутри стального цилиндра, а якорь намотан на многослойной железной конструкции с прорезями.Катушки якоря переключаются транзисторами или кремниевыми выпрямителями (вместо коммутатора) при правильном положении ротора, чтобы поддерживать поле якоря в пространственной квадратуре с полюсами поля.

     
    Терминология для описания бесщеточных двигателей постоянного тока еще не стандартизирована. Их называют даже разными именами, такими как «бесколлекторный двигатель постоянного тока», «электронно-коммутируемый двигатель постоянного тока», «самосинхронная машина» и другие.
     
    Каждый тип двигателя описывается либо числом фаз обмотки статора, импульсами тока, подаваемыми на обмотки транзисторами или тринисторами, либо числом полюсов ротора.Следующая классификация бесщеточных двигателей постоянного тока также полезна для понимания принципа работы двигателя BLDC :
     

    .

    Однофазный одноимпульсный бесщеточный двигатель постоянного тока

     
    Статор этого двигателя имеет только однофазную обмотку, которая питается от транзистора один раз за электрический оборот. Выходной крутящий момент такого двигателя совершенно недостаточен, потому что в лучшем случае он может создавать положительный крутящий момент только выше 180 электрических градусов. Оставшееся угловое вращение должно преодолеваться инерцией ротора или силами вспомогательных моментов.(см. рис. а)
     

    Однофазный двухимпульсный бесщеточный двигатель постоянного тока

     
    Статор этого двигателя также имеет только однофазную обмотку, но получает два импульса, то есть его обмотка питается двумя импульсами тока противоположных направлений. Таким образом, результирующее распределение крутящего момента является более благоприятным, чем у одноимпульсного двигателя.
     
    Непрерывный электромагнитный крутящий момент не достигается. Есть еще небольшие участки без крутящего момента, которые необходимо шунтировать стабильными вспомогательными средствами.Преимуществом этого двигателя является его простая конструкция, обеспечивающая высокий коэффициент использования материала якоря. (см. рис. б)

     

    Двухфазный, двухимпульсный бесщеточный двигатель постоянного тока

     
    Статор такого двигателя имеет две фазные обмотки, которые поочередно запитываются двумя импульсами тока. Следовательно, создаваемый крутящий момент в основном такой же, как у однофазного двухимпульсного двигателя. Тем не менее, обмотка будет использована только на 50 процентов.
     
    Преимущество этого двигателя заключается в его простой управляющей электронике.Промежутки электромагнитного момента должны быть шунтированы подходящими вспомогательными средствами, как и в случае с однофазным двигателем. (см. рис. в)
     

    Трехфазный трехимпульсный бесщеточный двигатель постоянного тока

     
    Этот двигатель имеет статор с трехфазной обмоткой, которая смещена в пространстве на 120 o электрических. Каждая фазная обмотка возбуждается одним импульсом, т. е. за электрический оборот; на статор циклически подаются три импульса тока.
     
    Тот факт, что требуется всего три силовых транзистора или тринистора, является основным преимуществом этой конструкции двигателя.Недостатком является относительно низкий коэффициент использования обмотки (в среднем около 33%), а также необходимость трех датчиков положения. (см. рис. г)
     

    Четырехфазный четырехимпульсный бесщеточный двигатель постоянного тока

     
    Статор этого двигателя намотан четырехфазными обмотками, смещенными в пространстве на 90° электрических. Фазные обмотки запитываются циклически четырьмя импульсами тока. Это приводит к крутящему моменту без зазоров и использованию обмотки до 50 процентов.Однако затраты на электронику в два раза выше, чем у двухимпульсной конструкции. (см. рис. e)
     

     
    Статор этого двигателя намотан трехфазными обмотками, которые могут быть соединены как в треугольник, так и в звезду. Как правило, нейтральная точка не используется. Обмотки возбуждаются шестью импульсами шестью силовыми транзисторами или тринисторами в циклической последовательности.
     
    Такой двигатель не только обеспечивает равномерный выходной крутящий момент, но и обеспечивает оптимальное использование обмотки.Его недостатком является относительно высокая стоимость датчиков положения и управляющей электроники.

    Это приводит к наиболее распространенному бесщеточному двигателю постоянного тока — комбинации трехфазного синхронного двигателя с постоянными магнитами, трехфазного полупроводникового инвертора и датчика положения ротора, что приводит к системе, обеспечивающей линейную характеристику крутящего момента скорости, как в обычном двигателе постоянного тока с постоянными магнитами. мотор.
     
    На рисунке схематически представлен трехфазный 6-пульсный бесщеточный двигатель постоянного тока, использующий транзисторный инвертор в качестве преобразователя постоянного тока в переменный.Там, где существуют требования к высокой мощности, вместо транзисторов используются тиристоры.
     
    Другие характеристики, такие как стоимость компонентов, надежность компонентов и простота схемы инвертора (связанная с необходимостью схемы коммутации для отключения тиристоров, функция, не нужная для транзисторов), имеют важное значение, когда тиристоры и транзисторы с сопоставимыми возможностями управления мощностью доступный.
     
    Неотъемлемой частью бесщеточного двигателя постоянного тока является датчик положения ротора. Хотя существует несколько методов определения углового положения, наиболее часто используемыми являются датчики на эффекте Холла и электрооптические датчики.
     

    Преимущества бесщеточного двигателя постоянного тока

     
    Бесщеточные двигатели постоянного тока имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными двигателями постоянного тока или двигателями переменного тока, такими как:

    • отсутствие механического коммутатора и связанных с ним проблем,
    • высокая эффективность,
    • высокоскоростная работа,
    • меньше проблем, вызванных радиочастотными и электромагнитными помехами и
    • долгая жизнь.

     

    Применение бесщеточных двигателей постоянного тока

     

    • В более мощных приложениях, включая тяговые, бесщеточные двигатели быстро заменяют обычные двигатели постоянного тока.
    • Типичное применение малой мощности — вентиляторы постоянного тока для охлаждения электронного оборудования.
    • Еще одно важное применение — шпиндельные приводы для дисковых запоминающих устройств.
    • Другие применения в фонографах и ленточных накопителях.
    • Бесколлекторные двигатели постоянного тока мощностью в доли лошадиных сил использовались в различных типах приводов в современных самолетах и ​​спутниковых системах.
    • Бесщеточные двигатели постоянного тока
    • мощностью 1 л.с. были разработаны для силовых установок и прецизионных сервосистем.

    Спасибо, что прочитали о «Принципе работы двигателя BLDC».
     

    Двигатели постоянного тока | Все сообщения

     

    Бесщеточный двигатель постоянного тока

    — конструкция, принцип работы и преимущества

    Что такое бесщеточный двигатель постоянного тока или бесщеточный двигатель постоянного тока?

    Бесщеточный двигатель постоянного тока BLDC выполняет коммутацию электронным способом, используя обратную связь о положении ротора, чтобы определить, когда следует переключать ток. Электродвигатель BLDC электрически коммутируется силовыми выключателями вместо щеток.Структура бесщеточного двигателя постоянного тока BLDC показана на рисунке ниже.

    Проще говоря, BLDC не имеет щеток и коммутатора для получения однонаправленного крутящего момента, а для достижения однонаправленного крутящего момента используется встроенный инвертор/переключающая схема. Вот почему эти двигатели иногда также называют двигателями с электронной коммутацией .

    Конструкция двигателя BLDC:

    Как и любой другой электродвигатель, двигатель BLDC также имеет статор и ротор.Здесь мы рассмотрим статор и ротор отдельно с точки зрения конструкции.

    Статор BLDC:

    Существует три типа двигателей BLDC:

    Статор для каждого типа имеет одинаковое количество обмоток. Наибольшее распространение получили однофазные и трехфазные двигатели. Упрощенное поперечное сечение однофазного и трехфазного двигателя BLDC показано на рисунке ниже. Ротор имеет постоянные магниты, образующие две пары магнитных полюсов, и окружает статор с обмотками.

    Однофазный двигатель имеет одну обмотку статора, намотанную по часовой стрелке или против часовой стрелки вдоль каждого плеча статора, образуя четыре магнитных полюса, как показано на рисунке выше.

    Трехфазный двигатель BLDC имеет три обмотки. Каждая фаза включается последовательно, чтобы заставить ротор вращаться.

    Ротор:

    Ротор состоит из вала и ступицы с постоянными магнитами, образующими от двух до восьми пар полюсов, чередующихся между северным и южным полюсами.На рисунке ниже показаны поперечные сечения трех видов расположения магнитов в роторе.

     

    Как работает бесщеточный двигатель постоянного тока?

    BLDC Работа двигателя основана на притяжении или отталкивании между магнитными полюсами. При использовании трехфазного двигателя, как показано на рисунке ниже, процесс начинается, когда ток протекает через одну из трех обмоток статора и создает магнитный полюс, который притягивает ближайший постоянный магнит противоположного полюса.

    Ротор будет двигаться, если ток сместится на соседнюю обмотку.Последовательная зарядка каждой обмотки заставит ротор следовать во вращающемся поле. Крутящий момент в этом примере зависит от амплитуды тока и числа витков на обмотках статора, силы и размера постоянных магнитов, воздушного зазора между ротором и обмотками и длины вращающегося плеча.

    Анимация для лучшего понимания двигателя BLDC:

    Преимущество двигателя BLDC:

    По сравнению с щеточным двигателем постоянного тока или асинхронным двигателем BLDC двигатель имеет много преимуществ:

    • Более высокая эффективность и надежность
    • Лучшее соотношение скорости и крутящего момента

    Как работает бесщеточный двигатель?

    (Добро пожаловать в блог Linquip.Вот еще одна исчерпывающая статья об еще одном инженерно-электронном устройстве. Сегодня мы хотим предоставить вам некоторые полезные данные о бесколлекторных двигателях постоянного тока. Вопрос «Как работает бесщеточный двигатель?». Чтобы ответить на этот вопрос, во-первых, нам нужно дать определение бесколлекторным двигателям.

    На следующем этапе мы расскажем вам о принципе работы бесщеточного двигателя, объяснив принцип работы коллекторного двигателя. В следующем разделе, чтобы лучше понять бесщеточные двигатели постоянного тока, мы поместим щеточные и щеточные двигатели постоянного тока.бесщеточный и упомянуть некоторые из наиболее важных плюсов и минусов. И, наконец, мы подошли к последней части, где мы поговорим о применении бесколлекторных двигателей.

    Наша команда собрала всю необходимую информацию об этом устройстве, чтобы избавиться от необходимости читать разнообразный контент на других сайтах. Оставайтесь с нами до конца, чтобы найти ответ на свой вопрос по этой теме. Давайте начнем с некоторых основных определений в начале.

    Что такое бесщеточный двигатель?

    Чтобы получить ответ на вопрос «Как работает бесколлекторный двигатель?» нам нужно знать, что это такое и для какой цели оно было разработано.Итак, давайте разберемся в этом очень кратко.

    Бесщеточные двигатели постоянного тока широко используются везде, где вы думаете, особенно в промышленных приложениях. Если мы хотим более подробно остановиться на теме электродвигателей, то должны сказать, что на самом базовом уровне есть щеточные и бесщеточные двигатели, а также двигатели постоянного и переменного тока. Как следует из названия, бесщеточные двигатели постоянного тока не содержат щеток и используют постоянный ток.

    Бесколлекторные двигатели имеют множество конкретных преимуществ по сравнению с другими типами электродвигателей, которые мы подробно рассмотрим в следующих разделах.Но выходя за рамки основ Как работает бесщеточный двигатель и для чего он используется?

    На каком принципе работает бесщеточный двигатель постоянного тока?

    Поскольку коллекторные двигатели были построены задолго до бесщеточных двигателей и долгое время использовались в различных областях и областях, лучше начать со строения и конструкции коллекторных двигателей, чтобы понять, как работают бесщеточные двигатели.

    Коллекторный двигатель постоянного тока имеет постоянные магниты снаружи своей конструкции и вращающийся якорь внутри.Постоянные магниты, неподвижные снаружи, называются статором. Якорь, который вращается и содержит электромагнит, называется ротором. Пока так легко.

    В коллекторном двигателе постоянного тока при подаче электрического тока на якорь ротор вращается на 180 градусов. Чтобы двигаться дальше и заставить двигатель работать непрерывно, полюса электромагнита должны поменяться местами. Щетки, когда ротор вращается, вступают в контакт со статором, переворачивая магнитное поле и позволяя ротору вращаться на полные 360 градусов.

    Бесщеточный двигатель постоянного тока, по сути, представляет собой другую версию щеточного двигателя, но перевернутую наизнанку, что устраняет необходимость в щетках для отражения электромагнитного поля. В бесщеточных двигателях постоянного тока постоянные магниты находятся на роторе, а электромагниты — на статоре. Затем компьютер заряжает электромагниты в статоре, чтобы ротор повернулся на полные 360 градусов.

    Чем отличаются бесщеточные и щеточные двигатели постоянного тока?

    В предыдущем разделе мы каким-то образом получили ответ на вопрос «как работает бесколлекторный двигатель?» в следующем разделе мы намерены сосредоточиться на различиях между щеточными и бесщеточными двигателями, чтобы создать для вас более яркое представление о бесщеточных двигателях.

    Как мы упоминали ранее, в типичном двигателе постоянного тока снаружи есть постоянные магниты, а внутри вращающаяся часть или якорь. Постоянные магниты являются неподвижными, называемыми статором. Вращение якоря называется ротором.

    Якорь содержит электромагнит. когда электричество поступает в этот электромагнит, оно создает магнитное поле в якоре, которое притягивает и отталкивает противоположные полюса магнитов в статоре. Итак, якорь раскручивается на 180 градусов, а мотору, чтобы он продолжал вращаться, приходится менять полюса электромагнита.Щетки управляют этим изменением полярности. Они вступают в контакт с двумя вращающимися электродами, прикрепленными к якорю, и меняют магнитную полярность электромагнита при его вращении.

    Эта конструкция работает просто и дешево в производстве. Однако у него много проблем, которые мы перечислим ниже:

    • Щетки со временем изнашиваются и теряют свою эффективность.
    • Сами щетки ограничивают скорость двигателя.
    • Расположение электромагнита в центре двигателя затрудняет его охлаждение.
    • Использование щеток ограничивает количество полюсов арматуры.

    С появлением дешевых компьютеров и силовых транзисторов стало возможным выворачивать двигатель наизнанку. Это преобразование устраняет кисти. В бесщеточном двигателе постоянного тока (BLDC) постоянные магниты помещаются на ротор, а электромагниты перемещаются на статор. Затем вы используете компьютер, подключенный к мощным транзисторам, чтобы заряжать электромагниты при вращении вала. Эта система имеет много преимуществ по сравнению с предыдущей структурой, которую мы перечисляем ниже:

    • Она более точная, так как компьютер управляет двигателем вместо механических щеток.Компьютер также может учитывать скорость двигателя в уравнении, что повышает эффективность.
    • Искрообразование отсутствует, а электрические шумы сведены к минимуму.
    • Нет щеток, а это означает, что на одну деталь меньше, что делает его более прочным .
    • Эта конструкция с электромагнитами на статоре очень легко охлаждается.
    • На статоре можно разместить множество электромагнитов для более точного управления.

    Единственным недостатком бесщеточного двигателя, который мы можем отметить, является его более высокая начальная стоимость.Эти первоначальные затраты могут быть возмещены за счет большей эффективности в течение всего срока службы двигателя.

    Узнайте больше о коллекторном двигателе постоянного тока Linquip

    : подробное объяснение принципа работы, деталей и типов

    Для чего используются бесщеточные двигатели постоянного тока?

    В предыдущем разделе мы упомянули некоторые недостатки щеточных и преимущества бесщеточных двигателей. В этом разделе мы поговорим об эффективности этих двух типов и приведем доказательства того, почему бесколлекторные двигатели стали более популярными и чаще используются в разных областях.

    Бесщеточные двигатели постоянного тока обычно имеют КПД 85–90 %, тогда как для щеточных двигателей этот показатель составляет 75–80 %. Щетки со временем изнашиваются и иногда вызывают опасное искрообразование, что ограничивает срок службы щеточного двигателя. Бесщеточные двигатели постоянного тока тише, легче и имеют гораздо более длительный срок службы. Поскольку компьютеры контролируют электрический ток, бесщеточные двигатели постоянного тока могут обеспечить гораздо более точное управление движением даже на более высоких скоростях.

    Из-за всех этих преимуществ бесщеточные двигатели часто используются в современных устройствах, где требуется низкий уровень шума и малое тепловыделение, особенно в машинах, работающих в непрерывном режиме.Это могут быть стиральные машины, кондиционеры и другие электроприборы. Они могут быть даже основным источником питания для сервисных роботов, что потребует очень тщательного контроля силы из соображений безопасности.

    Бесщеточные двигатели обладают рядом явных преимуществ по сравнению с другими типами электродвигателей, поэтому они используются во многих предметах домашнего обихода и, возможно, являются основным фактором роста числа сервисных роботов внутри и за пределами промышленного сектора.

    Заключение

    В этой статье мы постарались дать вам всю необходимую и исчерпывающую информацию, чтобы получить ответ на вопрос «как работает бесколлекторный двигатель?».мы привели основные определения. Затем мы перешли к принципу работы, на котором основаны бесщеточные двигатели.

    На следующем этапе мы обсудили основные различия между щеточными и бесщеточными двигателями и рассказали о некоторых преимуществах и недостатках, чтобы облегчить понимание темы. В заключительном разделе мы говорили о том, почему бесколлекторные двигатели используются чаще всего. Все, что мы сделали в этой статье, — это попытка облегчить вам понимание того, как работает бесколлекторный двигатель постоянного тока.

    Если у вас есть опыт использования различных типов бесколлекторных двигателей и вы знаете о них больше, мы будем очень рады вашим отзывам в комментариях на нашем сайте Linquip. Более того, если у вас есть какие-либо вопросы по этой теме, вы можете зарегистрироваться на нашем сайте и дождаться ответа наших специалистов на ваши вопросы. Надеюсь, вам понравилось читать эту статью.

    Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) — конструкция и работа

    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 нашего приложения. Бесщеточный двигатель постоянного тока или двигатель BLDC — это тип, который наиболее подходит для приложений, требующих высокой надежности, высокой эффективности, большего крутящего момента на единицу веса и т. д. В этой статье подробно рассказывается о двигателях BLDC.

    Конструкция двигателя BLDC

    Расположение коллекторных щеток помогает достичь однонаправленного крутящего момента в типичном двигателе постоянного тока. Очевидно, что в бесщеточном двигателе постоянного тока отсутствует коллектор и щеточное устройство.Здесь для достижения однонаправленного крутящего момента используется встроенный инвертор/схема переключения. Вот почему эти двигатели иногда также называют «двигателями с электронной коммутацией» .

    Как и любой другой электродвигатель, BLDC двигатель также состоит из двух основных частей — статора и ротора. Постоянные магниты установлены на роторе бесконтактного двигателя постоянного тока, а статор намотан на определенное количество полюсов. Также к обмотке статора подключена цепь управления. В большинстве случаев инвертор/схема управления или контроллер встроены в узел статора.Это основное конструктивное различие между бесщеточным двигателем и типичным двигателем постоянного тока.

    Типичный контроллер обеспечивает трехфазное частотно-регулируемое питание обмотки статора. Источник питания управляется логическими схемами управления и подает питание на определенные полюса статора в определенный момент времени. Это можно понять из приведенных ниже анимаций о работе двигателей BLDC.

    Типы двигателей BLDC

    Существует два типа двигателей BLDC в зависимости от их конструкции/конструкции: (i) конструкция с внутренним ротором и (ii) конструкция с внешним ротором.Независимо от этих типов, обратите внимание, что постоянные магниты всегда установлены на роторе, а обмотка на статоре.

    1. Конструкция с внутренним ротором (inrunner): это обычная конструкция, в которой ротор расположен в сердечнике (в центре), а обмотка статора окружает его.
      Двигатель постоянного тока с внутренним ротором (Фото: Kaspars Dambis — flickr)
    2. Конструкция с внешним ротором (аутраннер): В этой конфигурации ротор является внешним.т. е. обмотки статора расположены на сердечнике, а ротор с постоянными магнитами окружает статор.
      Внешний ротор BLDC двигатель

    Как работает двигатель BLDC?

    Обмотки статора асинхронного электродвигателя постоянного тока подключены к цепи управления (интегральная коммутационная схема или схема инвертора). Схема управления подает питание на соответствующую обмотку в нужное время по схеме, которая вращается вокруг статора.Постоянные магниты на роторе пытаются выровняться с возбужденными электромагнитами статора, и как только он выровняется, следующие электромагниты будут под напряжением. Таким образом, ротор продолжает вращаться. Приведенные ниже анимации дадут вам четкое представление о том, как работает бесщеточный двигатель постоянного тока ?


    Внутренний ротор BLDC Motor работают анимация
    Внешний роторный BLDC Motor работают анимация

    Бесщеточный против.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. Это делает двигатель BLDC потенциально менее прочным.
    • Преимущества двигателя BLDC по сравнению с щеточными двигателями: повышенная эффективность, надежность, более длительный срок службы, отсутствие искрения и меньший уровень шума, больший крутящий момент на единицу веса и т. д.

    Применение двигателей постоянного тока BLDC

    Двигатели

    BLDC соответствуют многим требованиям, предъявляемым к щеточным двигателям постоянного тока. Но поскольку они требуют сложной схемы управления и из-за соображений стоимости, они еще не полностью заменили коллекторные двигатели постоянного тока, особенно в недорогих приложениях. Несмотря на это, во многих случаях преобладают двигатели BLDC —

    .
    • Бытовая электроника – компьютерные жесткие диски, небольшие охлаждающие вентиляторы, CD/DVD-плееры и т. д.а также в современных приборах, где требуется бесшумная работа, таких как стиральные машины, кондиционеры и т. д.
    • Электромобили — многие электромобили, включая электрические и гибридные автомобили, электрические велосипеды используют двигатели BLDC.
    • Они имеют широкий спектр применения во многих других областях, включая робототехнику, промышленность, системы управления движением и т. д.

    Что такое бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC)?

    Всем привет, я Роуз. Сегодня я познакомлю вас с BDLC.Бесщеточный двигатель постоянного тока состоит из корпуса двигателя и привода и представляет собой типичное мехатронное изделие. Бесщеточный двигатель относится к двигателю без щеток и коллекторов (или коллекторных колец), также известный как бесколлекторный двигатель.

    Ⅰ. Что такое БЛДК?

    Благодаря более высокому электрическому КПД и соотношению крутящего момента к весу, чем двигатели с механической коммутацией, двигатели с электронной коммутацией (также известные как «бесщеточные» двигатели) набирают популярность (т.е. «бесщеточные» двигатели).

    Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) обычно определяется как синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM) с сосредоточенными обмотками, создающими трапециевидную противоЭДС. В этом его отличие от других двигателей PMSM, в которых используются рассеянные обмотки статора для создания синусоидальной противоЭДС.


    Анимация MATLAB, демонстрирующая различия между работой BLDC и двигателя PMSM. Анимация основана на результатах моделирования модели Simscape Electrical.

    Трапециевидное управление обычно используется в бесщеточных двигателях постоянного тока , но также используется управление с ориентацией поля. Обычные двигатели PMSM, с другой стороны, почти всегда используют управление, ориентированное на поле. В управлении трапециевидным двигателем BLDC одновременно участвуют только две фазы, для управления крутящим моментом требуется только ПИД-регулятор, и, в отличие от полевого управления, оно не требует преобразования координат с использованием преобразований Парка и Кларка.

     

    Анимация MATLAB, демонстрирующая работу двигателя BLDC с двумя полюсами и двигателя BLDC с двумя полюсами.Анимация основана на результатах моделирования модели Simscape Electrical.

     

    Ⅱ. Конструкция BLDC

    Замена механических коммутаторов электронными схемами переключения является основным отличием конструкции коллекторных и бесщеточных двигателей. Бесщеточный двигатель постоянного тока является синхронным двигателем, поскольку магнитные поля, создаваемые статором и ротором, вращаются с одинаковой частотой.

    Бесщеточные двигатели доступны в однофазном, двухфазном и трехфазном исполнении.Наиболее распространен среди них трехфазный BLDC .

    Поперечное сечение двигателя BLDC   показано на изображении ниже.

    Бесщеточный двигатель состоит из двух основных компонентов, как показано на схеме: статора и ротора.

    Статор

    Конструкция бесщеточного двигателя аналогична конструкции статора асинхронного двигателя. Он состоит из слоистых листов кремнистой стали с осевыми канавками для намотки. Обмотки бесщеточного двигателя немного отличаются от обмотки обычного асинхронного двигателя.

    Большинство двигателей BLDC   имеют три обмотки статора, соединенные звездой или звездой (без нейтрали). Обмотки статора также делятся на приводные двигатели с трапециевидным током и приводные двигатели с синусоидальным током на основе катушек.

    Как управляющий ток, так и противо-ЭДС двигателя с трапецеидальным приводом имеют трапецеидальную форму (синусоиду в случае двигателя с синусоидальным приводом). Двигатели с номинальным напряжением 48 В (или меньше) обычно используются в автомобилестроении и робототехнике (гибридные автомобили и роботы-манипуляторы).

    Ротор

    Постоянные магниты, в основном магниты из редкоземельных сплавов, таких как неодим (Nd), Sa-кобальт (SmCo), а также неодим, феррит и сплав бора, составляют часть ротора бесчисленных электрических машин (NdFeB).

    Количество полюсов может варьироваться от 2 до 8, с чередованием северного (N) и южного (S) расположения в зависимости от применения. На схеме ниже показаны три различных расположения магнитных полюсов. В первом примере магниты расположены на внешней окружности ротора.

    Электромагнитный встроенный ротор представляет собой вторую конфигурацию, в которой прямоугольные постоянные магниты встроены в сердечник ротора. Магниты вводятся в железный сердечник ротора в третьем положении.

    Датчик положения (датчик Холла)

    Коммутация в бесщеточном двигателе управляется электронным способом, поскольку щетки отсутствуют. Обмотки статора должны находиться под напряжением, чтобы двигатель вращался, а положение ротора (т.е. северный и южный полюса ротора) должны быть известны, чтобы точно запитать определенный набор обмоток статора.

    Датчик положения, например датчик Холла, используется для обнаружения и преобразования положения ротора в электрический сигнал (работающий по принципу эффекта Холла). Для определения положения ротора в большинстве двигателей BLDC используются три датчика Холла, размещенные в статоре.

    В зависимости от того, находится ли северный полюс ротора на юге или рядом с северным полюсом, выходной сигнал датчика Холла будет высоким или низким.Точную последовательность включения питания можно установить, объединив выводы трех датчиков.

     

    Ⅲ. Принцип работы BLDC

    Рассмотрим шаги ниже для установки трех обмоток в статоры A, B и C. Давайте заменим ротор одним магнитом, чтобы было проще понять.

    Мы знаем, что когда ток проходит через катушку, создается магнитное поле, и направление силовых линий магнитного поля (т.е. полюса получившегося магнита) определяется направлением тока.

    Если мы подадим ток на катушку А, она создаст магнитное поле и притянет магнит ротора, согласно этой концепции. Магниты ротора будут иметь небольшое смещение по часовой стрелке и будут выровнены с A.

    Магниты ротора будут вращаться по часовой стрелке, если вы теперь пропускаете ток через катушки B и C одну за другой (в этом порядке).

    Для повышения эффективности мы можем обернуть противоположные катушки одинарной катушкой, что приведет к двойному притяжению.Чтобы еще больше повысить эффективность, обе катушки могут быть запитаны одновременно, при этом одна катушка притягивает магнит, а другая отталкивает его. Третий в это время будет простаивать.

    Шесть различных комбинаций катушек A, B и C могут использоваться для полного оборота магнита ротора на 3600, как показано на временной диаграмме ниже.

    Мы всегда можем гарантировать, что одна фаза положительная, другая отрицательная, а третья неактивна на основе приведенной выше схемы (или плавающей).Согласно приведенной выше схеме, у нас есть две фазы переключения, зависящие от входа датчика Холла.

     

    Ⅳ. Преимущества BLDC

    Поскольку бесщеточные двигатели имеют электронную коммутацию, они имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными щеточными двигателями постоянного тока:

    Отсутствие износа (из-за отсутствия щеток)

    высокая эффективность

    Улучшенные характеристики скорости и крутящего момента

    долговечность

    Малошумная работа или бесшумная работа

    более высокая скорость

     

    Ⅴ.Применение BLDC

    Некоторые из областей применения бесщеточных двигателей упоминаются ниже:

    Односкоростное приложение

    Приложение скорости

    Управляйте положения

    Низкоудоходные приложения

    Высокоскоростные приложения

    ⅵ. Как спроектировать BLDC?

    Инженер по управлению двигателем должен выполнить следующие действия, чтобы разработать контроллер двигателя BLDC с использованием трапециевидного подхода:

    · Создать архитектуру контроллера для внутреннего контура тока/напряжения, использующего один ПИ-регулятор.

    · Создайте ПИ-регулятор для внешнего контура скорости или положения.

    · Для удовлетворения требований к производительности отрегулируйте коэффициенты усиления всех ПИ-регуляторов.

    · Проектирование логики обнаружения ошибок и защиты для управления SVM

    · Производительность контроллера в различных рабочих ситуациях проверяется и подтверждается.

    · Использование микропроцессора для реализации контроллера с фиксированной или плавающей запятой

     

    Ⅶ. Проектирование BLDC с помощью Simulink

    Перед тестированием оборудования вы можете использовать Simulink® для проектирования управления двигателем BLDC для разработки, настройки и проверки алгоритмов управления, а также для обнаружения и устранения проблем во всем рабочем диапазоне двигателя.

    Моделирование Simulink может помочь вам сэкономить время и деньги, сократив время тестирования прототипа и подтвердив устойчивость вашего алгоритма управления к сценариям отказов, которые трудно протестировать на оборудовании. Вы можете сделать следующее:

    · Моделирование трапециевидной или произвольной обратной ЭДС для БКЭП Двигатели  

    · Контроллеры тока, регуляторы скорости и модуляторы — все это примеры модельных контроллеров тока.

    · Моделирование силовой электроники инвертора

    · Чтобы отрегулировать коэффициенты усиления системы управления двигателем BLDC, используйте подходы к проектированию линейного управления, такие как диаграммы Боде и диаграммы корневого вектора, а также такие методы, как автоматическая настройка ПИД-регулятора.

    · Для обеспечения безопасной работы, запуска модели, отключения и режимов ошибок, а также логики снижения номинальных характеристик и защиты.

    · Разработка алгоритмов формирования и обработки сигналов канала ввода-вывода

    · Для проверки производительности системы в нормальных и нештатных ситуациях запустите моделирование двигателей и контроллеров с обратной связью.

    · Для быстрого прототипирования, аппаратного тестирования и производства автоматически генерируйте код ANSI, ISO или C, оптимизированный для процессора, и HDL.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.