Принцип работы бесколлекторного двигателя постоянного тока (БКДП) был известен очень давно, и бесщёточные моторы всегда были интересной альтернативой традиционным решениям. Несмотря на это, подобные электрические машины лишь в XXI веке нашли широкое применение в технике. Решающим фактором повсеместного внедрения стало многократное снижение стоимости электроники управления приводом БДКП.
Проблемы коллекторных двигателей
На фундаментальном уровне работа любого электродвигателя заключается в преобразовании электрической энергии в механическую. Существуют два основных физических явления, лежащих в основе устройства электрических машин:
Двигатель сконструирован таким образом, что магнитные поля, создаваемые на каждом из магнитов, всегда взаимодействуют между собой, придавая ротору вращение. Традиционный электродвигатель постоянного тока состоит из четырёх основных частей:
- статор (неподвижный элемент с кольцом из магнитов);
- якорь (вращающийся элемент с обмотками);
- угольные щётки;
- коллектор.
Такая конструкция предусматривает вращение якоря и коллектора на одном валу относительно неподвижных щёток. Ток проходит от источника через подпружиненные для хорошего контакта щётки на коммутатор, который распределяет электричество между обмотками якоря. Магнитное поле, индуцированное в последних, взаимодействует с магнитами статора, что заставляет статор вращаться.
Главный недостаток традиционного двигателя в том, что механический контакт на щётках невозможно обеспечить без трения. При увеличении скорости проблема проявляет себя сильнее. Коллекторный узел изнашивается со временем и, кроме того, склонен к искрению и способен ионизировать окружающий воздух. Таким образом, несмотря на простоту и дешевизну в изготовлении, подобные электродвигатели обладают некоторыми непреодолимыми недостатками:
- износ щёток;
- электрические помехи в результате искрения;
- ограничения в максимальной скорости;
- сложности с охлаждением вращающегося электромагнита.
Появление процессорной техники и силовых транзисторов позволило конструкторам отказаться от узла механической коммутации и изменить роль ротора и статора в электромоторе постоянного тока.
Принцип работы БДКП
В бесколлекторном электродвигателе, в отличие от предшественника, роль механического коммутатора выполняет электронный преобразователь. Это позволяет осуществить «вывернутая наизнанку» схема БДКП - его обмотки расположены на статоре, что исключает необходимость в коллекторе.
Иными словами, основное принципиальное различие между классическим двигателем и БДКП в том, что вместо стационарных магнитов и вращающихся катушек последний состоит из неподвижных обмоток и вращающихся магнитов. Несмотря на то что сама коммутация в нём происходит похожим образом, её физическая реализация в бесщёточных приводах гораздо более сложна.
Главный вопрос - точное управление бесколлекторным двигателем, предполагающее правильную последовательность и частоту переключения отдельных секций обмоток. Эта задача конструктивно разрешима лишь при возможности непрерывного определения текущего положения ротора.
Необходимые данные для обработки электроникой получают двумя способами :
- детектированием абсолютного положения вала;
- измерением напряжения, индуцируемого в обмотках статора.
Для реализации контроля первым способом чаще всего используют либо оптические пары, либо закреплённые неподвижно на статоре датчики Холла, реагирующие на магнитный поток ротора. Главным достоинством подобных систем сбора информации о положении вала является их работоспособность даже при очень низких скоростях и в состоянии покоя.
Бессенсорный контроль для оценки напряжения в катушках требуется хотя бы минимального вращения ротора. Поэтому в таких конструкциях предусмотрен режим запуска двигателя до оборотов, при которых напряжение на обмотках может быть оценено, а состояние покоя тестируется с помощью анализа влияния магнитного поля на тестовые импульсы тока, проходящие через катушки.
Несмотря на все перечисленные конструктивные сложности, бесщёточные двигатели завоёвывают всё большую популярность благодаря своей производительности и недоступному для коллекторных набору характеристик. Краткий перечень основных преимуществ БДКП перед классическими выглядит так:
- отсутствие механических потерь энергии на трении щёток;
- сравнительная бесшумность работы;
- лёгкость ускорения и замедление вращения благодаря малой инерции ротора;
- точность управления вращением;
- возможность организации охлаждения за счёт теплопроводности;
- способность к работе на высоких скоростях;
- долговечность и надёжность.
Современное применение и перспективы
Существует немало устройств, для которых увеличение времени безотказной работы имеет важнейшее значение. В подобном оборудовании применение БДКП всегда оправданно, несмотря на их сравнительно высокую стоимость. Это могут быть водяные и топливные насосы, турбины охлаждения кондиционеров и двигателей и т. д. Бесщёточные моторы используются во многих моделях электрических транспортных средств. В настоящее время на бесколлекторные двигатели всерьёз обратила внимание автомобильная промышленность.
БДКП идеально подходят для малых приводов, работающих в сложных условиях или с высокой точностью: питатели и ленточные конвейеры, промышленных роботы, системы позиционирования. Существуют сферы, в которых бесколлекторные двигатели доминируют безальтернативно: жёсткие диски, насосы, бесшумные вентиляторы, мелкая бытовая техника, CD/DVD приводы. Малый вес и высокая выходная мощность сделали БДКП также и основой для производства современных беспроводных ручных инструментов.
Можно сказать, что в области электроприводов сейчас наблюдается значительный прогресс. Продолжающееся падение цен на цифровую электронику породило тенденцию на повсеместное применение бесколлекторных двигателей взамен традиционных.
Бесколлекторные двигатели обладают улучшенными показателями мощности на килограмм веса (собственного) и широким диапазоном скорости вращения; впечатляет и КПД этой силовой установки. Немаловажно, что от установки практически не излучаются радиопомехи. Это позволяет разместить рядом с ней чувствительное к помехам оборудование без опасений за корректность работы всей системы.
Расположить и использовать бесколлекторный двигатель можно в том числе и в воде, это не повлияет на него отрицательным образом. Также его конструкция предусматривает расположение и в агрессивных средах. Однако в этом случае следует заранее продумать месторасположение блока управления. Помните, что только при бережной аккуратной эксплуатации силовой установки она будет работать на вашем производстве эффективно и бесперебойно на протяжении долгих лет.
Длительный и кратковременный режим работы — основные для БД. Например для эскалатора или конвейера подходит длительный режим работы, в котором электродвигатель работает статично в течение долгого количества часов. Для длительного режима работы предусмотрена повышенная внешняя теплоотдача: тепловыделения в окружающую среду должны превышать внутренние тепловыделения силовой установки.
В кратковременном режиме работы двигатель за время своей работы не должен успеть нагреться до максимального значения температуры, т.е. должен быть выключен до наступления этого момента. Во время перерывов между включениями и работой двигателя он должен успеть остыть. Именно так работают бесколлекторные двигатели в подъемных лифтовых механизмах, электробритвах, сушилках фенах и другом современном электрооборудовании.
Сопротивление обмотки двигателя связано с коэффициентом полезного действия силовой установки. Максимального КПД можно достигнуть при наименьшем сопротивлении обмотки.
Максимальное рабочее напряжение — это предельное значение напряжения, которое можно подавать на обмотку статора силовой установки. Максимальное рабочее напряжение напрямую связано с максимальными оборотами двигателя и и максимальным значением тока обмотки. Максимальное значение тока обмотки лимитировано возможностью перегрева обмотки. Именно по этой причине необязательным, но рекомендуемым условием эксплуатации электродвигателей является отрицательная температура окружающей среды. Она позволяет значительно компенсировать перегрев силовой установки и увеличить длительность ее работы.
Максимальная мощность двигателя — это предельная мощность, которой может достигнуть система за несколько секунд. Стоит учитывать, что длительная работа электродвигателя на максимальной мощности неизбежно приведет к перегреву системы и сбою в его работе.
Номинальная мощность — это та мощность которую может развивать силовая установка в течение периодичного заявленного производителем разрешенного периода работы (одно включение).
Угол опережения фазы предусмотрен в электродвигателе из-за необходимости компенсации на задержку переключения фаз.
26 декабря 2016 в 12:07Создание и тестирование бесколлекторного мотора
- DIY или Сделай сам
В этой статье мы хотели бы рассказать о том, как мы с нуля создали электрический мотор: от появления идеи и первого прототипа до полноценного мотора, прошедшего все испытания. Если данная статья покажется вам интересной, мы отдельно, более подробно, расскажем о наиболее заинтересовавших вас этапах нашей работы.
На картинке слева направо: ротор, статор, частичная сборка мотора, мотор в сборе
Вступление
Электрические моторы появились более 150 лет назад, однако за это время их конструкция не претерпела особых изменений: вращающийся ротор, медные обмотки статора, подшипники. С годами происходило лишь снижение веса электромоторов, увеличение КПД, а также точности управления скоростью.Сегодня, благодаря развитию современной электроники и появлению мощных магнитов на основе редкоземельных металлов, удаётся создавать как никогда мощные и в то же время компактные и легкие “Бесколлекторные ” электромоторы. При этом, благодаря простоте своей конструкции они являются наиболее надежными среди когда-либо созданных электродвигателей. Про создание такого мотора и пойдет речь в данной статье.
Описание мотора
В “Бесколлекторных моторах” отсутствует знакомый всем по разборке электроинструмента элемент “Щетки”, роль которых заключается в передаче тока на обмотку вращающегося ротора. В бесколлекторных двигателях ток подается на обмотки не-двигающегося статора, который, создавая магнитное поле поочередно на отдельных своих полюсах, раскручивает ротор, на котором закреплены магниты.Первый такой мотор был напечатан нами 3D принтере как эксперимент. Вместо специальных пластин из электротехнической стали, для корпуса ротора и сердечника статора, на который наматывалась медная катушка, мы использовали обычный пластик. На роторе были закреплены неодимовые магниты прямоугольного сечения. Естественно такой мотор был не способен выдать максимальную мощность. Однако этого хватило, что бы мотор раскрутился до 20к rpm, после чего пластик не выдержал и ротор мотора разорвало, а магниты раскидало вокруг. Данный эксперимент сподвиг нас на создание полноценного мотора.
Несколько первых прототипов
Узнав мнение любителей радиоуправляемых моделей, в качестве задачи, мы выбрали мотор для гоночных машинок типоразмера “540”, как наиболее востребованного. Данный мотор имеет габариты 54мм в длину и 36мм в диаметре.
Ротор нового мотора мы сделали из единого неодимового магнита в форме цилиндра. Магнит эпоксидкой приклеили на вал выточенный из инструментальной стали на опытном производстве.
Статор мы вырезали лазером из набора пластин трансформаторной стали толщиной 0.5мм. Каждая пластина затем была тщательно покрыта лаком и затем из примерно 50 пластин склеивался готовый статор. Лаком пластины покрывались чтобы избежать замыкания между ними и исключить потери энергии на токах Фуко, которые могли бы возникнуть в статоре.
Корпус мотора был выполнен из двух алюминиевых частей в форме контейнера. Статор плотно входит в алюминиевый корпус и хорошо прилегает к стенкам. Такая конструкция обеспечивает хорошее охлаждение мотора.
Измерение характеристик
Для достижения максимальных характеристик своих разработок, необходимо проводить адекватную оценку и точное измерение характеристик. Для этого нами был спроектирован и собран специальный диностенд.
Основным элементом стенда является тяжёлый груз в виде шайбы. Во время измерений, мотор раскручивает данный груз и по угловой скорости и ускорению рассчитываются выходная мощность и момент мотора.
Для измерения скорости вращения груза используется пара магнитов на валу и магнитный цифровой датчик A3144 на основе эффекта холла. Конечно, можно было бы измерять обороты по импульсам непосредственно с обмоток мотора, поскольку данный мотор является синхронным. Однако вариант с датчиком является более надёжным и он будет работать даже на очень малых оборотах, на которых импульсы будут нечитаемы.
Кроме оборотов наш стенд способен измерять ещё несколько важных параметров:
- ток питания (до 30А) с помощью датчика тока на основе эффекта холла ACS712;
- напряжение питания. Измеряется непосредственно через АЦП микроконтроллера, через делитель напряжения;
- температуру внутри/снаружи мотора. Температура измеряется посредством полупроводникового термосопротивления;
В результате наш стенд способен измерять в произвольный момент времени следующие характеристики мотора:
- потребляемый ток;
- потребляемое напряжение;
- потребляемая мощность;
- выходная мощность;
- обороты вала;
- момент на валу;
- мощность уходящая в тепло;
- температура внутри мотора.
Бесколлекторные двигатели на сегодняшний день являются довольно распространенными. Применяются данные устройства чаще всего с электроприводами. Также их можно встретить на различном холодильном оборудовании. В промышленной сфере они задействованы в системах нагрева.
Дополнительно бесколлекторные модификации устанавливаются в обычные вентиляторы для кондиционирования воздуха. В наше время на рынке представлено множество моделей с датчиками и без них. При этом по типу регуляторов модификации довольно сильно отличаются. Однако чтобы разобраться в данном вопросе более подробно, необходимо изучить устройство простого двигателя.
Устройство бесколлекторной модели
Если рассматривать обычный трехфазный бесколлекторный двигатель, то катушка индуктивности у него устанавливается медного типа. Статоры используются как широтные, так и импульсные. Зубцы у них применяются разного размера. Как говорилось ранее, существуют модели с датчиками, а также без них.
Для фиксации статора используются колодки. Непосредственно процесс индукции происходит за счет обмотки статора. Роторы чаше всего применяются двухполюсного типа. Сердечники у них устанавливаются стальные. Для закрепления магнитов на моделях имеются специальные пазы. Непосредственно управление бесколлекторным двигателем происходит при помощи регуляторов, которые располагаются у статора. Для подачи напряжения на внешнюю обмотку в устройствах устанавливаются изолирующие затворы.
Двухразрядные модели
Безколлекторные эл. двигатели данного типа часто используются в морозильном оборудовании. При этом компрессоры для них подходят самые разнообразные. В среднем мощность модели способна достигать 3 кВт. Схема бесколлекторного двигателя катушки чаще всего включает двойного типа с медной обмоткой. Статоры устанавливаются только импульсные. В зависимости от производителя длина зубцов может меняться. Датчики используются как электрического, так и индуктивного типа. Для систем нагрева указанные модификации походят плохо.
Также следует учитывать, что сердечники в бесколлекторных двигателях встречаются в основном стальные. При этом пазы для магнитов используются довольно широкие, а расположены они очень близко друг к другу. За счет этого частотность у устройств может быть высокой. Регуляторы для таких модификаций подбираются чаще всего одноканального типа.
Трехразрядные модификации
Трехразрядный бесколлекторный двигатель отлично подходит для систем вентилирования. Датчики у него используются, как правило, электрического типа. При этом катушки устанавливаются довольно широкие. За счет этого процесс индукции осуществляется быстро. В данном случае частотность устройства зависит от статора. Обмотка у него чаще всего встречается медного типа.
Предельное напряжение трехразрядные бесколлекторные двигатели способны выдерживать на уровне 20 В. Тиристорные модификации в наше время встречаются довольно редко. Также следует отметить, что магниты в таких конфигурациях могут устанавливаться как на внешней, так и на внутренней стороне роторной пластины.
Четырехразрядные модификации своими руками
Сделать четырехразрядный бесколлекторный двигатель своими руками можно абсолютно просто. Для этого необходимо в первую очередь заготовить пластину с пазами. Толщина металла в данном случае должна составлять примерно 2.3 мм. Пазы в этой ситуации обязаны находиться на расстоянии в 1.2 см. Если рассматривать простую модель, то катушку следует подбирать диаметром в 3.3 см. При этом пороговое напряжение она обязана выдерживать на уровне 20 В.
Колодки для устройства чаще всего подбираются стальные. В данном случае многое зависит от размеров роторной пластины. Непосредственно статор надо использовать с двойной обмоткой. При этом сердечник важно заготавливать стального типа. Если рассматривать модификации без регуляторов, то закончить сборку бесколлекторного двигателя можно установкой изолирующего затвора. При этом контакты устройства необходимо вывести на внешнюю сторону пластины. Для обычного вентилятора такие бесколлекторные модели подойдут идеально.
Устройства с регулятором АВР2
Бесколлекторный двигатель с регуляторами данного типа на сегодняшний день является весьма востребованным. Подходят указанные системы больше всего для приборов кондиционирования. Также они в промышленной сфере широко используются для холодильного оборудования. Они способны работать с электроприводами различной частотности. Катушки у них чаще всего устанавливаются двойного типа. При этом статоры можно встретить только импульсные. В свою очередь, широтные модификации являются не сильно распространенными.
Датчики в бесколлекторных двигателях с регуляторами данной серии используются только индуктивные. При этом частотность устройства можно отслеживать по системе индикации. Колодки, как правило, устанавливаются контактного типа, и крепиться они могут непосредственно на статорной пластине. Регулятор бесколлекторного двигателя в данном случае позволяет менять частотность довольно плавно. Происходит данный процесс за счет изменения параметра выходного напряжения. В целом эти модификации являются очень компактными.
Двигатели с регуляторами АВР5
Бесколлекторный двигатель с регулятором данной серии часто применяется в промышленной сфере для управления различными электроприборами. В бытовых устройствах он устанавливается довольно редко. Особенностью таких бесколлекторных модификаций можно назвать повышенную частотность. При этом параметр мощности у них менять просто. Катушки в данных модификациях встречаются самые разнообразные. Также следует отметить, что магниты чаще всего устанавливаются на внешней стороне роторной коробки.
Затворы в основном используются изолированного типа. Монтироваться они могут как у статорной коробки, так и сердечника. В целом регулировка устройства происходит довольно быстро. Однако следует учитывать также и недостатки таких систем. В первую очередь они связаны с перебоями питания при низких частотах. Также важно упомянуть, что у моделей данного типа потребление электроэнергии довольно большое. При этом для управления интегральными электроприводами устройства не подходят.
Использование регуляторов АВТ6
Данного типа регулятор скорости бесколлекторного двигателя на сегодняшний день пользуется большим спросом. Отличительной его особенностью можно смело назвать универсальность. Устанавливаются регуляторы, как правило, на бесколлекторные двигатели, мощность которых не превышает 2 кВт. При этом для управления системами вентилирования указанные устройства подходят идеально. Контроллеры в данном случае могут устанавливаться самые разнообразные.
Скорость передачи сигнала в данном случае зависит от типа системы управления. Если рассматривать тиристорные модификации, то они обладают довольно высокой проводимостью. При этом проблемы с магнитными помехами у них возникают редко. Самостоятельно собрать модель данного типа довольно сложно. В этой ситуации затворы чаще всего подбираются неизолированные.
Модели с датчиками Холла
Бесколлекторные двигатели с датчиками Холла широко используются в приборах нагрева. При этом подходят они для электроприводов различного класса. Непосредственно регуляторы используются только одноканальные. Катушки в устройстве устанавливаются медного типа. При этом величина зубцов модели зависит исключительно от производителя. Непосредственно колодки для устройств подбираются контактного типа. На сегодняшний день датчики чаще всего устанавливаются со стороны статора. Однако на рынке представлены также модели с нижним их расположением. В таком случае габариты бесколлекторного двигателя будут немного большими.
Низкочастотные модификации
Низкочастотный бесколлекторный двигатель на сегодняшний день активно используется в промышленной сфере. При этом для морозильных камер он подходит идеально. В среднем параметр полезного действия у него находится на уровне 70%. Затворы у моделей чаще всего используются с изоляторами. При этом тиристорные модификации в наше время встречаются довольно часто.
Системы управления используются серии АВР. При этом частотность модели зависит от типа сердечника и не только. Также следует учитывать, что существуют модели с двойными роторами. В данном случае магниты располагаются вдоль пластины. Статоры чаще всего используются с медной обмоткой. При этом низкочастотные бесколлекторные двигатели с датчиками встречаются очень редко.
Высокочастотные двигатели
Указанные модификации наиболее востребованными считаются для резонансных электроприводов. В промышленности такие модели встречаются довольно часто. Датчики у них устанавливаются как электронного, так индуктивного типа. При этом катушки чаще всего имеются на внешней стороне пластины. Роторы монтируют как в горизонтальном, так и вертикальном положении.
Непосредственно изменение частотности у таких устройств осуществляется через контроллеры. Устанавливаются они, как правило, со сложной контактной системой. Непосредственно стартеры используются только двойного типа. В свою очередь, системы управления зависят от мощности бесколлекторного устройства.
Наверняка у каждого новичка, который впервые связал свою жизнь с электромоделями на радиоуправлении, после тщательного изучения начинки, появляется вопрос. Что такое коллекторный и ? Какой из них лучше поставить на свою радиоуправляемую электромодель?
Коллекторные моторы, которые так часто используются для приведения в движение электромоделей на радиоуправлении, имеют всего два исходящих питающих провода. Один из них «+» другой « — ». В свою очередь они подключаются к регулятору скорости вращения. Разобрав коллекторный мотор, вы всегда там найдете 2 магнита изогнутой формы, вал совместно с якорем, на который намотана медная нить (проволока), где по одну сторону вала стоит шестерня, а по другую сторону располагается коллектор, собранный из пластин, в составе которых чистая медь.
Принцип работы коллекторного мотора
Электрический ток (DC или direct current), поступая на обмотки якоря (в зависимости от их количества на каждую по очереди) создает в них электромагнитное поле, которое с одной стороны имеет южный полюс, а с другой стороны северный.
Многие знают, что, если взять два любых магнита и приставить их одноименными полюсами друг другу, то они не за что не сойдутся, а если приставить разноименными, то они прилипнут так, что не всегда возможно их разъединить.
Так вот, это электромагнитное поле, которое возникает в любой из обмоток якоря, взаимодействуя с каждым из полюсов магнитов статора, приводит в действие (вращение) сам якорь. Далее ток, через коллектор и щетки переходит к следующей обмотке и так последовательно, переходя от одной обмотки якоря к другой, вал электродвигателя совместно с якорем вращается, но лишь до тех пор, пока к нему подается напряжение.
В стандартном коллекторном моторе якорь имеет три полюса (три обмотки) – это сделано для того чтобы движок не «залипал» в одном положении.
Минусы коллекторных моторов
Сами по себе коллекторные моторы неплохо справляются со своей работой, но это лишь до того момента пока не возникает необходимость получить от них на выходе максимально высокие обороты. Все дело в тех самых щетках, о которых упоминалось выше. Так как они всегда находятся в плотном контакте с коллектором, то в результате высоких оборотов в месте их соприкосновения возникает трение, которое в дальнейшем вызовет скорый износ обоих и в последствии приведёт к потере эффективной мощности эл. двигателя. Это самый весомый минус таких моторов, который сводит на нет все его положительные качества.
Принцип работы бесколлекторного мотора
Здесь все наоборот, у моторов типа отсутствуют как щетки так и коллектор. Магниты в них располагаются строго вокруг вала и выполняют функцию ротора. Обмотки, которые имеют уже несколько магнитных полюсов, размещаются вокруг него. На роторе бесколлектоных моторов устанавливается так называемый сенсор (датчик) который будет контролировать его положение и передавать эту информацию процессору который работает в купе с регулятором скорости вращения (обмен данными о положении ротора происходит более 100 раз в секунду). На выходе мы получаем более плавную работу самого мотора с максимальной отдачей.
Бесколлекторные моторы могут быть с датчиком (сенсором) и без него. Отсутствие датчика незначительно снижает эффективность работы мотора, поэтому их отсутствие вряд ли расстроит новичка, но зато, приятно удивит ценник. Отличить друг от друга их просто. У моторов с датчиком, помимо 3-х толстых проводов питания есть еще дополнительный шлейф из тонких, которые идут к регулятору скорости. Не стоит гнаться за моторами с датчиком как новичку так и любителю, т.к их потенциал оценит только профи, а остальные просто переплатят, причем значительно.
Плюсы бесколлекторных моторов
Почти нет изнашиваемых деталей. Почему «почти», потому что вал ротора устанавливается на подшипники, которые в свою очередь имеют свойство изнашиваться, но ресурс у них крайне велик, да и взаимозаменяемость их очень проста. Такие моторы очень надежны и эффективны. Устанавливается датчик контроля положения ротора. На коллекторных моторах работа щеток всегда сопровождается искрением, что впоследствии вызывает помехи в работе радиоаппаратуры. Так вот у бесколлектоных, как вы уже поняли, эти проблемы исключены. Нет трения, нет перегрева, что так же является существенным преимуществом. По сравнению с коллекторными моторами не требуют дополнительного обслуживания в процессе эксплуатации.
Минусы бесколлекторных моторов
У таких моторов минус только один, это цена. Но если посмотреть на это с другой стороны, и учесть тот факт что эксплуатация освобождает владельца сразу от таких заморочек как замена пружин, якоря, щеток, коллекторов, то вы с легкостью отдадите предпочтение в пользу последних.
