Почему бесщеточные электродвигатели набирают популярность?
Все больше самых различных моделей электроинструментов применяют на себе бесщеточные электродвигатели. Дело доходит даже до отбойных молотков
Прогресс не стоит на месте, то и дело внедряются новые разработки, благодаря которым техника становится лучше и совершеннее. Так, на смену классических электрических двигателей постепенно приходят бесщеточные (вентильные). Стоит подробнее рассказать о том, по какому принципу они работают, чем отличаются от обычных и в чем их превосходят.
Принцип работы бесщеточного двигателя
В бесщеточном двигателе щеточно-коллекторный узел заменен полупроводниковым коммутатором. Он работает за счет электрических приводов, которые создают магнитное вращающееся поле. Это конструкция нового типа, в которой обмотки на статоре или элементах ротора нет. Разработка такого двигателя – результат использования материалов с большой коэрцитивной силой и уровнем магнитного насыщения, позволяющим получить сильное магнитное поле.
Отсутствие обмотки ротора и механических коммутационных элементов – те технические решения, которые позволяют создавать надежные двигатели по доступной цене. Эти решения существенно упрощают сам процесс их изготовления.
Бесщеточный двигатель может работать как на переменном, так и на непрерывном токе. В случае с непрерывным током он похож на коллекторный двигатель, но у последнего более сложная конструкция, так как основа непременно содержит электронный коммутатор.
Характерные особенности и преимущества бесщеточных двигателей
Бесщеточный двигатель имеет функционал щеточного, но превосходит его по ряду параметров. Единственным его недостатком можно назвать то, что по стоимости он пока превосходит аналоги с классическим мотором, но этот момент в полной мере компенсируется большим перечнем достоинств устройства. Основные преимущества механизма:
- эффективность;
- при намагничивании нет изменений, как и при утечке тока;
- энергонасыщенность;
- скорость вращения и вращающий момент полностью соответствуют;
- большой диапазон смены частоты вращения;
- скорость не зависит от центробежной силы;
- нет узлов, которые нужно часто обслуживать;
- в конструкции применяются легкие и небольшие магниты;
- не нужны коммутатор и обмотка возбуждения.
Сферы применения бесщеточных двигателей
Вентильные двигатели постоянного тока, как правило, применяются для оборудования с мощностью не выше 5 кВт. Для оборудования мощнее использовать такие двигатели нецелесообразно. Постоянные магниты в бесщеточных моторах очень чувствительны к воздействию мощных полей и высоких температур, что нехарактерно для щеточных и индукционных аналогов.
Бесщеточные двигатели надежны и хорошо управляемы, поэтому они используются повсеместно, как для мелких механизмов, так и для крупных. Они применяются в автомобильных приводах, электрических мотоциклах, компьютерах, электроинструменте, бытовой технике. Двигатели очень востребованы в промышленности, авиационной технике. Благодаря отсутствию коллекторного узла такие двигатели можно использовать даже в опасных условиях, местах с повышенным уровнем влажности.
Metabo выходит на новый уровень, внедряя бесщеточные двигатели в свою технику
Компания Metabo летом 2019 года презентовала широкой аудитории инновационную для отечественного рынка серию отбойных молотков и сетевых перфораторов SDS-Max. Устройства этой линейки оснащены бесщеточными двигателями, что выгодно отличает их от большинства аналогов. В сетевом инструменте такие двигатели пока применяются не слишком часто, особенно если инструмент очень мощный.
Сетевые инструменты с бесщеточными двигателями обладают всеми теми же преимуществами, что и аккумуляторные инструменты. Ключевые достоинства:
- Бесколлекторная схема повышает КПД мотора. Если сравнить бесщеточный перфоратор Metabo с обыкновенным, то при равном потреблении сетевой мощности оборудование Metabo будет меньше греться и выполнит больше функций.
- Высокая надежность. Инструмент с вентильным двигателем имеет более длительный срок эксплуатации, чем обычный, и не нуждается в частом обслуживании. В нем не нужно будет менять щетки, поэтому расходы на ремонт и обслуживания будут существенно снижены. По технике с высоким уровнем вибрации, как отбойные молотки и перфораторы, преимущество отсутствия щеток в двигателе особенно заметно.
Из-за колебаний, однозначно возникающих при долблении и бурении, срок службы щеток в разы сокращается. Бесщеточным перфораторам и отбойным молоткам Metabo это не грозит.
- Частоту вращения мотора легко регулировать и поддерживать на необходимом уровне, даже при увеличении нагрузки, перепадах напряжения, ухудшении формы напряжения. Бесщеточные перфораторы и отбойные молотки Metabo будут высокопроизводительны даже при эксплуатации в сложных условиях.
Бесщеточные двигатели обладают массой преимуществ, потому сфера их применения необычайно широка, они используются даже в космической промышленности и ракетостроении. Работающие на таких моторах механизмы с каждым днем становятся популярнее в самых разных сферах.
Бесколлекторный двигатель постоянного тока: принцип работы, варианты конструкций
Содержание:
Бесколлкторные двигатели постоянного тока (бдпт) являются разновидностью синхронных двигателей с постоянными магнитами, которые питаются от цепи постоянного тока через инвертор, управляемый контроллером с обратной связью.
Появились бесколлекторные двигатели постоянного тока как попытка избавить коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами от их слабого места – щёточно-коллекторного узла. Этот узел, представляющий собой вращающийся электрический контакт, является слабым местом у коллекторных двигателей с точки зрения надёжности и в ряде случаев ограничивает их параметры.
Принцип работы и устройство бесколлекторного двигателя
Как и остальные двигатели, бесколлекторный двигатель состоит из двух основных частей – ротора (подвижная часть) и статора (неподвижная часть).

Варианты конструкции двигателя
Обмотка двигателя может иметь различную конструкцию. Обмотка классической конструкции наматывается на стальной сердечник. Другой вариант конструкции обмотки – это обмотка без стального сердечника. Проводники этой обмотки равномерно распределяются вдоль окружности статора. Характеристики обмотки получаются различными, что отражается и на характеристиках двигателя. Кроме того, обмотки могут быть выполнены на различное число фаз и с различным количеством пар полюсов.
Бесколлекторные двигатели также могут иметь конструкции, различающиеся по взаимному расположению ротора и статора. Наиболее распространена конструкция, когда ротор охватывается статором снаружи – двигатели с внутренним ротором. Но также возможна, и встречается на практике конструкция в которой ротор расположен снаружи статора – двигатели с внешним ротором. Третий вариант – статор расположен параллельно ротору и оба располагаются перпендикулярно оси вращения двигателя.
Датчик положения, который измеряет угловое положение ротора двигателя — это важная часть приводной системы, построенной на бесколлекторном двигателе. Этот датчик может быть самым разным как по типу, так и по принципу действия. Традиционно используемый для этой цели тип датчиков – датчики Холла с логическим выходом, устанавливаемые на каждую фазу двигателя. Выходные сигналы этих датчиков позволяют определить положение ротора с точностью до 60° — достаточной реализации самых простых способов управления обмотками. Для реализации способов управления двигателем, предполагающих формирование на обмотках двигателя системы синусоидальных напряжений при помощи ШИМ необходим более точный датчик, например, энкодер. Инкрементные энкодеры, очень широко используемые в современном электроприводе, могут обеспечить достаточно информации о положении ротора только при использовании их вместе с датчиками Холла. Если бесколлекторный двигатель оснащён абсолютным датчиком положения – абсолютным энкодером или резольвером (СКВТ), то датчики Холла становятся не нужны, так как любой из этих датчиков обеспечивает полную информацию о положении ротора.
Можно управлять бесколлекторным двигателем, и не используя датчика положения ротора – бездатчиковая коммутация. В этом случае информация о положении ротора восстанавливается на основании показаний других датчиков, например, датчиков фазных токов двигателя или датчиков напряжения. Такой способ управления часто влечёт за собой ряд недостатков (ограниченный диапазон скоростей, высокая чувствительность к параметрам двигателя, специальная процедура старта), что ограничивает его распространение.
Преимущества и недостатки
Высокая надёжность вследствие отсутствия коллектора. Это основное отличие бесколлекторных двигателей от коллекторных. Щёточно-коллекторный узел, является подвижным электрическим контактом и сам по себе имеет невысокую надёжность и устойчивость к влиянию различных воздействий со стороны окружающей среды.
Отсутствие необходимости обслуживания коллекторного узла. Является особенно актуальным для двигателей среднего и крупного габарита. Для микроэлектродвигателей, проведение ремонта экономически оправдано далеко не во всех случаях, поэтому для них этот пункт не является актуальным.
Сложная схема управления. Прямое следствие переноса функции переключения токов обмотки во внешний коммутатор. Если в простейшем случае для управления коллекторным двигателем необходимо иметь только источник питания, то для бесколлекторного двигателя такой подход не работает – контроллер нужен даже для решения самых простых задач управления движением. Однако, когда речь идёт о решении для сложных случаев (например, задачи позиционирования), то контроллер становится необходим для всех типов двигателей.
Высокая скорость вращения. В коллекторных двигателях скорость перемещения щётки по коллектору ограничена, хотя и различна для различных конструкций этих двух деталей и различных используемых материалов. Предельная скорость перемещения щёток по коллектору сильно ограничивает скорость вращения коллекторных двигателей. Бесколлекторные двигатели не имеют такого ограничения, что позволяет выполнять их для работы на скоростях до нескольких сотен тысяч оборотов в минуту – цифра недостижимая для коллекторных двигателей.
Большая удельная мощность. Возможность достичь большой удельной мощности является следствием высокой скорости вращения, доступной для бесколлекторного двигателя.
Хороший отвод тепла от обмотки. Обмотка бесколлекторных двигателей неподвижно закреплена на статоре и есть возможность обеспечить хороший тепловой контакт её с корпусом, который передаёт тепло, выделяемое в двигателе, в окружающую среду. У коллекторного двигателя обмотка установлена на роторе, и её тепловой контакт с корпусом гораздо хуже, чем у бесколлекторного двигателя.
Больше проводов для подключения. Когда двигатель расположен близко от контроллера, то это конечно не повод для огорчения. Однако если условия окружающей среды, в которых работает двигатель очень сложны, то вынесение управляющей электроники на значительное расстояние (десятки и сотни метров) от двигателя является подчас единственным доступным вариантом для разработчиков системы. В таких условиях каждая дополнительная цепь для подключения двигателя, будет требовать дополнительных жил в кабеле, увеличивая его размеры и массу.
Уменьшение электромагнитных помех, исходящих от двигателя. Щёточно-коллекторный контакт создаёт при работе достаточно сильные помехи. Частота этих помех зависит от частоты вращения двигателя, что осложняет борьбу с ними. У бесколлекторного двигателя единственным источником помех является ШИМ силовых ключей, частота которого обычно постоянна.
Присутствие сложных электронных компонентов. Электронные компоненты (датчики Холла, например) более остальных составных частей двигателя уязвимы для действия жёстких условий со стороны внешней среды, будь то высокая температура, низкая температура или ионизирующие излучения. Коллекторные двигатели не содержат электроники и у них подобная уязвимость отсутствует.
Где применяются бесколлекторные двигатели
К настоящему времени бесколлекторные двигатели получили широкое распространение, как благодаря своей высокой надёжности, высокой удельной мощности и возможности работать на высокой скорости, так и из-за быстрого развития полупроводниковой техники, сделавшей доступными мощные и компактные контроллеры для управления этими двигателями.
Бесколлекторные двигатели широко применяются в тех системах где их характеристики дают им преимущество перед двигателями других типов. Например, там, где требуется скорость вращения несколько десятков тысяч оборотов в минуту. Если от изделия требуется большой срок службы, а ремонт невозможен или ограничен из-за особенностей эксплуатации изделия, то и тогда бесколлекторный двигатель будет хорошим выбором.
Читать дальше:Бесколлекторный двигатель постоянного тока: принцип работы, устройство, применение
Бытовая и медицинская техника, авиамоделирование, трубозапорные приводы газо- и нефтепроводов – это далеко не полный перечень областей применения бесколлекторных двигателей (БД) постоянного тока. Давайте рассмотрим устройство и принцип действия этих электромеханических приводов, чтобы лучше понять их достоинства и недостатки.
Общие сведения, устройство, сфера применения
Одна из причин проявления интереса к БД — это возросшая потребность в высокооборотных микродвигателях, обладающих точным позиционированием. Внутренне устройство таких приводов продемонстрировано на рисунке 2.
Как видите, конструкция представляет собой ротор (якорь) и статор, на первом имеется постоянный магнит (или несколько магнитов, расположенных в определенном порядке), а второй оборудован катушками (В) для создания магнитного поля.
Примечательно, что эти электромагнитные механизмы могут быть как с внутренним якорем (именно такой тип конструкции можно увидеть на рисунке 2), так и внешним (см. рис. 3).
Рис. 3. Конструкция с внешним якорем (outrunner)Соответственно, каждая из конструкций имеет определенную сферу применения. Устройства с внутренним якорем обладают высокой скоростью вращения, поэтому используются в системах охлаждения, в качестве силовых установок дронов и т.д. Приводы с внешним ротором используются там, где требуется точное позиционирование и устойчивость к перегрузкам по моменту (робототехника, медицинское оборудование, станки ЧПУ и т.д.).
Принцип работы
В отличие от других приводов, например, асинхронной машины переменного тока, для работы БД необходим специальный контроллер, который включает обмотки таким образом, чтобы векторы магнитных полей якоря и статора были ортогональны друг к другу. То есть, по сути, устройство-драйвер регулирует вращающий момент, действующий на якорь БД. Наглядно этот процесс продемонстрирован на рисунке 4.
Фазы работы бесколлекторного приводаКак видим, для каждого перемещения якоря необходимо выполнять определенную коммутацию в обмотке статора двигателя бесколлекторного типа. Такой принцип работы не позволяет плавно управлять вращением, но дает возможность быстро набрать обороты.
Отличия коллекторного и бесколлекторного двигателя
Привод коллекторного типа отличается от БД как конструктивными особенностями (см. рис 5.), так и принципом работы.
Рис. 5. А – коллекторный двигатель, В – бесколлекторныйРассмотрим конструктивные отличия. Из рисунка 5 видно, что ротор (1 на рис. 5) двигателя коллекторного типа, в отличие от бесколлекторного, имеет катушки, у которых простая схема намотки, а постоянные магниты (как правило, два) установлены на статоре (2 на рис. 5). Помимо этого на валу установлен коллектор, к которому подключаются щетки, подающие напряжение на обмотки якоря.
Кратко расскажем о принципе работы коллекторных машин. Когда на одну из катушек подается напряжение, происходит ее возбуждение, и образуется магнитное поле. Оно вступает во взаимодействие с постоянными магнитами, это заставляет проворачиваться якорь и размещенный на нем коллектор. В результате питание подается на другую обмотку и цикл повторяется.
Частота вращения якоря такой конструкции напрямую зависит от интенсивности магнитного поля, которое, в свою очередь, прямо пропорционально напряжению. То есть, чтобы увеличить или уменьшить обороты, достаточно повысить или снизить уровень питания. А для реверса необходимо переключить полярность. Такой способ управления не требует специального контролера, поскольку регулятор хода можно сделать на базе переменного резистора, а обычный переключатель будет работать как инвертор.
Конструктивные особенности двигателей бесколлекторного типа мы рассматривали в предыдущем разделе. Как вы помните, их подключение требует наличия специального контролера, без которого они просто не будут работать. По этой же причине эти двигатели не могут использоваться как генератор.
Стоит также отметить, что в некоторых приводах данного типа для более эффективного управления отслеживаются положения ротора при помощи датчиков Холла. Это существенно улучшает характеристики бесколлекторных двигателей, но приводит к удорожанию и так недешевой конструкции.
Как запустить бесколлекторный двигатель?
Чтобы заставить работать приводы данного типа, потребуется специальный контроллер (см. рис. 6). Без него запуск невозможен.
Рис. 6. Контроллеры бесколлекторных двигателей для моделизмаСобирать самому такое устройство нет смысла, дешевле и надежней будет приобрести готовый. Подобрать его можно по следующим характеристикам, свойственным драйверам шим каналов:
- Максимально допустимая сила тока, эта характеристика приводится для штатного режима работы устройства. Довольно часто производители указывают такой параметр в названии модели (например, Phoenix-18). В некоторых случаях приводится значение для пикового режима, который контролер может поддерживать несколько секунд.
- Максимальная величина штатного напряжения для продолжительной работы.
- Сопротивление внутренних цепей контроллера.
- Допустимое число оборотов, указывается в rpm. Сверх этого значения контроллер не позволит увеличить вращение (ограничение реализовано на программном уровне). Следует обратить внимание, что частота вращения всегда приводится для двухполюсных приводов. Если пар полюсов больше, следует разделить значение на их количество. Например, указано число 60000 rpm, следовательно, для 6-и магнитного двигателя частота вращения составит 60000/3=20000 prm.
- Частота генерируемых импульсов, у большинства контролеров этот параметр лежит в пределах от 7 до 8 кГц, более дорогие модели позволяют перепрограммировать параметр, увеличив его до 16 или 32 кГц.
Обратим внимание, что первые три характеристики определяют мощность БД.
Управление бесколлекторным двигателем
Как уже указывалось выше, управление коммутацией обмоток привода осуществляется электроникой. Чтобы определить, когда производить переключения, драйвер отслеживает положение якоря при помощи датчиков Холла. Если привод не снабжен такими детекторами, то в расчет берется обратная ЭДС, которая возникает в неподключенных катушках статора. Контроллер, который, по сути, является аппаратно-программным комплексом, отслеживает эти изменения и задает порядок коммутации.
Когда инженеры сталкиваются с проблемой проектирования электрического оборудования для выполнения механических задач, они могут подумать о том, как электрические сигналы преобразуются в энергию.Таким образом, исполнительные механизмы и двигатели относятся к устройствам, преобразующим электрические сигналы в движение. Двигатели обменивают электрическую энергию на механическую.
Самый простой тип двигателя — щеточный двигатель постоянного тока. В этом типе двигателя электрический ток проходит через катушки, которые расположены в фиксированном магнитном поле. Ток создает магнитные поля в катушках; это заставляет узел катушки вращаться, поскольку каждая катушка отталкивается от аналогичного полюса и тянется к противоположному полюсу фиксированного поля. Чтобы поддерживать вращение, необходимо постоянно реверсировать ток — так, чтобы полярность катушки постоянно менялась, заставляя катушки продолжать «преследовать» разные фиксированные полюса. Питание катушек подается через неподвижные токопроводящие щетки, которые контактируют с вращающимся коммутатором; именно вращение коммутатора вызывает изменение направления тока в катушках. Коммутатор и щетки являются ключевыми компонентами, отличающими щеточный двигатель постоянного тока от других типов двигателей. На рисунке 1 показан общий принцип работы щеточного двигателя.
Рисунок 1: Работа щеточного двигателя постоянного тока.
Неподвижные щетки подают электроэнергию на вращающийся коммутатор. Когда коммутатор вращается, он постоянно меняет направление тока в катушках, меняя полярность катушек, так что катушки поддерживают правое вращение. Коммутатор вращается, потому что он прикреплен к ротору, на котором установлены катушки.
Общие типы двигателей
Двигатели различаются по типу мощности (переменного или постоянного тока) и способу создания вращения (Рисунок 2). Ниже мы кратко рассмотрим особенности и способы использования каждого типа.
Рисунок 2: Различные типы двигателей
Электродвигатели постоянного токас щеткой, отличающиеся простой конструкцией и легким управлением, широко используются для открывания и закрывания лотков для дисков. В автомобилях они часто используются для втягивания, выдвижения и установки боковых окон с электроприводом. Низкая стоимость этих двигателей делает их пригодными для множества применений. Однако одним из недостатков является то, что щетки и коммутаторы имеют тенденцию к относительно быстрому износу в результате их постоянного контакта, что требует частой замены и периодического обслуживания.
Шаговый двигатель приводится в действие импульсами; он поворачивается на определенный угол (шаг) с каждым импульсом. Поскольку вращение точно контролируется количеством полученных импульсов, эти двигатели широко используются для выполнения позиционных регулировок. Они часто используются, например, для управления подачей бумаги в факсимильных аппаратах и принтерах, поскольку эти устройства подают бумагу с фиксированными шагами, которые легко коррелируют с количеством импульсов. Паузу также можно легко контролировать, поскольку вращение двигателя мгновенно прекращается при прерывании импульсного сигнала.
В синхронных двигателях вращение синхронно с частотой питающего тока. Эти двигатели часто используются для привода вращающихся противней в микроволновых печах; редукторы в моторном блоке можно использовать для получения подходящей скорости вращения для нагрева пищи. Скорость вращения асинхронных двигателей также зависит от частоты; но движение не синхронное. В прошлом эти двигатели часто использовались в электрических вентиляторах и стиральных машинах.
Обычно используются различные типы двигателей.На этом занятии мы рассмотрим преимущества и применение бесщеточных двигателей постоянного тока.
Почему двигатели BLDC вращаются?
Как следует из названия, в бесщеточных двигателях постоянного тока щетки не используются. В щеточных двигателях щетки подают ток через коммутатор в катушки на роторе. Так как же бесщеточный двигатель передает ток на катушки ротора? Это не так — потому что катушки не расположены на роторе. Вместо этого ротор представляет собой постоянный магнит; Катушки не вращаются, а вместо этого фиксируются на статоре.Поскольку катушки не двигаются, нет необходимости в щетках и коммутаторе. (См. Рисунок 3.)
В щеточном двигателе вращение достигается за счет управления магнитными полями, создаваемыми катушками на роторе, в то время как магнитное поле, создаваемое неподвижными магнитами, остается фиксированным. Чтобы изменить скорость вращения, вы меняете напряжение на катушках. В двигателе BLDC вращается постоянный магнит; вращение достигается за счет изменения направления магнитных полей, создаваемых окружающими неподвижными катушками.Чтобы контролировать вращение, вы регулируете величину и направление тока в этих катушках.
Рисунок 3: Двигатель BLDC.
Поскольку ротор представляет собой постоянный магнит, ему не нужен ток, что устраняет необходимость в щетках и коммутаторе. Ток в неподвижных катушках контролируется извне.
Преимущества двигателей BLDC
Двигатель BLDC с тремя катушками на статоре будет иметь шесть электрических проводов (по два на каждую катушку), отходящих от этих катушек. В большинстве вариантов реализации три из этих проводов будут соединены внутри, а три оставшихся провода отходят от корпуса двигателя (в отличие от двух проводов, отходящих от щеточного двигателя, описанного ранее). Электропроводка в корпусе двигателя BLDC более сложна, чем просто соединение положительной и отрицательной клемм силового элемента; мы более подробно рассмотрим, как работают эти двигатели, во второй части этой серии. В заключение мы рассмотрим преимущества двигателей BLDC.
Одним из больших преимуществ является эффективность, так как эти двигатели могут непрерывно управлять с максимальной силой вращения (крутящим моментом).Щеточные двигатели, напротив, достигают максимального крутящего момента только в определенных точках вращения. Для того, чтобы щеточный двигатель обеспечивал такой же крутящий момент, как и бесщеточная модель, необходимо использовать более крупные магниты. Вот почему даже небольшие двигатели BLDC могут обеспечивать значительную мощность.
Второе большое преимущество — связанное с первым — это управляемость. Двигателями BLDC можно управлять с помощью механизмов обратной связи, чтобы обеспечить точный требуемый крутящий момент и скорость вращения. Прецизионное управление, в свою очередь, снижает потребление энергии и тепловыделение, а в случаях, когда двигатели питаются от батареи, увеличивает срок ее службы.
BLDC также отличаются высокой прочностью и низким уровнем электрического шума благодаря отсутствию щеток. В щеточных двигателях щетки и коллектор изнашиваются в результате постоянного движущегося контакта, а также образуют искры в местах контакта. Электрический шум, в частности, является результатом сильных искр, которые, как правило, возникают в областях, где щетки проходят через зазоры в коммутаторе. Вот почему двигатели BLDC часто считаются предпочтительными в приложениях, где важно избегать электрических шумов.
Идеальное применение для двигателей BLDC
Мы убедились, что двигатели BLDC обладают высокой эффективностью и управляемостью, а также имеют длительный срок службы. Так для чего они нужны? Благодаря своей эффективности и долговечности они широко используются в устройствах, которые работают непрерывно. Они давно используются в стиральных машинах, кондиционерах и другой бытовой электронике; а в последнее время они появляются в вентиляторах, где их высокая эффективность способствовала значительному снижению энергопотребления.
Они также используются для привода вакуумных машин. В одном случае изменение программы управления привело к значительному скачку скорости вращения — пример превосходной управляемости, обеспечиваемой этими двигателями.
ДвигателиBLDC также используются для вращения жестких дисков, где их надежность обеспечивает надежную работу приводов в течение длительного времени, а их энергоэффективность способствует снижению потребления энергии в области, где это становится все более важным.
На пути к более широкому использованию в будущем
Мы можем ожидать, что в будущем двигатели BLDC будут использоваться в более широком диапазоне приложений. Например, они, вероятно, будут широко использоваться для управления сервисными роботами — небольшими роботами, которые предоставляют услуги не только в производстве, но и в других областях. Можно подумать, что шаговые двигатели больше подходят для этого типа приложений, где для точного управления позиционированием можно использовать импульсы. Но двигатели BLDC лучше подходят для управления силой. А с шаговым двигателем, чтобы удерживать такую конструкцию, как рука робота, потребуется относительно большой и непрерывный ток. Для двигателя BLDC все, что потребуется, — это ток, пропорциональный внешней силе, что обеспечивает более энергоэффективное управление.Двигатели BLDC могут также заменить простые щеточные двигатели постоянного тока в тележках для гольфа и мобильных тележках. Помимо большей эффективности, двигатели BLDC также могут обеспечивать более точное управление, что, в свою очередь, может еще больше продлить срок службы батарей.
BLDC также идеально подходят для дронов. Их способность обеспечивать точное управление делает их особенно подходящими для многороторных беспилотных летательных аппаратов, где положение беспилотника регулируется путем точного управления скоростью вращения каждого ротора.
На этом занятии мы увидели, как двигатели BLDC обеспечивают превосходную эффективность, управляемость и долговечность.Но тщательный и надлежащий контроль необходим для полного использования потенциала этих двигателей. На следующем занятии мы рассмотрим, как работают эти двигатели.
Список модулей
- Что такое бесщеточные двигатели постоянного тока
- Управление двигателями BLDC
- Решения Renesas для управления двигателями BLDC
Бесщеточный DC | Принцип работы двигателя BLDC
Привет, друзья, в этой статье я предоставляю вам основную информацию о бесщеточном двигателе постоянного тока i.е. Двигатель BLDC. С помощью этой информации вы можете легко понять принцип работы двигателя BLDC .
В отличие от обычного двигателя постоянного тока, бесщеточный двигатель постоянного тока имеет конструкцию «наизнанку-наружу», то есть полюса возбуждения вращаются, а якорь неподвижен. Полюса возбуждения состоят из постоянных магнитов, установленных внутри стального цилиндра, а якорь намотан на пластинчатую железную конструкцию с прорезями. Катушки якоря переключаются транзисторами или кремниевыми выпрямителями (вместо коммутатора) в правильном положении ротора для поддержания поля 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», «двигатель постоянного тока с электронной коммутацией», «самосинхронная машина» и другие.
Каждый тип двигателя описывается либо количеством фаз обмотки статора, импульсами тока, подаваемыми на обмотки транзисторами или тиристорами, либо количеством полюсов на роторе. Следующая классификация бесщеточных двигателей постоянного тока также полезна для понимания принципа работы двигателя BLDC :
Однофазный бесщеточный двигатель постоянного тока с одним импульсом
Статор этого двигателя имеет только однофазную обмотку, которая активируется транзистором один раз за электрический оборот.Выходной крутящий момент такого двигателя совершенно недостаточен, потому что в лучшем случае он может создавать только положительный крутящий момент более 180 электрических градусов. Оставшееся угловое вращение должно преодолеваться инерцией ротора или большим количеством вспомогательных моментов. (см. рисунок а)
Однофазный, двухимпульсный бесщеточный двигатель постоянного тока
Статор этого двигателя также имеет только однофазную обмотку, но принимает два импульса, то есть его обмотка возбуждается двумя импульсами тока противоположных направлений.Таким образом, результирующее распределение крутящего момента более благоприятно, чем у одноимпульсного двигателя.
По-прежнему постоянный электромагнитный момент не достигается. Есть еще небольшие участки без крутящего момента, которые необходимо перекрыть стабильными вспомогательными средствами. Преимущество этого двигателя — его простая конструкция, обеспечивающая высокий коэффициент использования материала якоря. (см. рисунок b)
Двухфазный бесщеточный двигатель постоянного тока с двумя импульсами
Статор такого двигателя имеет две фазные обмотки, которые поочередно возбуждаются двумя импульсами тока.Следовательно, создаваемый крутящий момент в основном такой же, как у однофазного двухимпульсного двигателя. Тем не менее, обмотка будет загружена только на 50 процентов.
Преимущество этого двигателя проявляется в его простой управляющей электронике. Промежутки электромагнитного момента должны перекрываться соответствующими вспомогательными средствами, как в однофазном двигателе. (см. рисунок c)
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, то есть за один электрический оборот; на статор циклически подаются три импульса тока.
Тот факт, что требуются только три силовых транзистора или тиристора, является главным преимуществом этой конструкции двигателя. Одним из недостатков является относительно низкое использование обмотки (в среднем почти 33%), а также необходимость трех датчиков положения. (см. рисунок d)
Четырехфазный, четырехимпульсный бесщеточный двигатель постоянного тока
Статор этого двигателя намотан четырехфазными обмотками, электрически смещенными в пространстве на 90 °.Фазные обмотки циклически запитываются четырьмя импульсами смородины. Это приводит к крутящему моменту без зазоров и использованию обмотки до 50%. Однако затраты на электронику вдвое больше, чем у двухимпульсной схемы. (см. рисунок e)
Статор этого двигателя имеет трехфазные обмотки, которые можно соединять как треугольником, так и звездой. Обычно нейтральная точка не используется. Обмотки возбуждаются шестью импульсами шестью силовыми транзисторами или тиристорами в циклической последовательности.
Такой двигатель не только обеспечивает равномерный выходной крутящий момент, но и оптимальное использование обмотки. Его недостаток — 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 твердотельного инвертора и датчика положения ротора, что приводит к системе, обеспечивающей линейную характеристику крутящего момента скорости, как в обычном постоянном магнитном потоке. мотор.
На рисунке схематично показан 3-фазный 6-пульсный бесщеточный двигатель постоянного тока, использующий транзисторный инвертор в качестве преобразователя постоянного тока в переменный. Там, где существуют высокие требования к мощности, вместо транзисторов используются тиристоры.
Другие функции, такие как стоимость компонентов, надежность компонентов и простота схемы инвертора (в связи с необходимостью коммутации схемы для отключения тиристоров, что не является необходимым для транзисторов), имеют большое значение там, где тиристоры и транзисторы с сопоставимыми возможностями обработки мощности имеется в наличии.
Неотъемлемой частью системы бесщеточного двигателя постоянного тока является датчик положения ротора. Хотя для определения углового положения доступно несколько методов, наиболее часто используются датчики на эффекте Холла и электрооптические датчики.
Преимущества бесщеточного двигателя постоянного тока
Бесщеточные двигатели постоянного тока имеют ряд преимуществ перед обычными двигателями постоянного или переменного тока, такими как:
- отсутствие механического переключателя и связанных с этим проблем,
- высокий КПД,
- высокоскоростная работа,
- меньше проблем, вызванных радиочастотными и электромагнитными помехами и
- долгая жизнь.
Применение бесщеточных двигателей постоянного тока
- В приложениях с большей мощностью, 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 дисковой памяти.
- Другие области применения — фонографы и ленточные накопители.
- Бесщеточные двигатели постоянного тока малой мощности используются в различных типах приводов в современных самолетах и спутниковых системах. Бесщеточные двигатели постоянного тока с интегральной мощностью
- 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 или BLDC?
Бесщеточный двигатель постоянного тока, BLDC выполняет коммутацию электронным способом, используя обратную связь по положению ротора, чтобы определить, когда следует переключать ток.Двигатель BLDC электрически коммутируется выключателями питания вместо щеток. Структура бесщеточного двигателя постоянного тока BLDC показана на рисунке ниже.
Проще говоря, BLDC не имеет щеток и коммутатора для однонаправленного крутящего момента, а для достижения однонаправленного крутящего момента используется встроенная схема инвертора / переключения. 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 по отдельности с точки зрения конструкции.
BLDC Статор:
Электродвигатели BLDC бывают трех типов:
Статор каждого типа имеет одинаковое количество обмоток. Наиболее широко используются 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 либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки вдоль каждого плеча статора, чтобы создать четыре магнитных полюса, как показано на рисунке выше.
Трехфазный двигатель BLDC имеет три обмотки. Каждая фаза включается последовательно, чтобы ротор вращался.
Ротор:
Ротор состоит из вала и ступицы с постоянными магнитами, образующими от двух до восьми пар полюсов, которые чередуются между северным и южным полюсами.На рисунке ниже показаны поперечные сечения трех типов магнитных устройств 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 течет через одну из трех обмоток статора и генерирует магнитный полюс, который притягивает ближайший постоянный магнит противоположного полюса.
Ротор будет двигаться, если ток переместится на соседнюю обмотку.Последовательная зарядка каждой обмотки заставит ротор следовать во вращающемся поле. Крутящий момент в этом примере зависит от амплитуды тока и количества 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 электродвигателем постоянного тока или асинхронным электродвигателем, электродвигатель BLDC имеет множество преимуществ:
- Повышенная эффективность и надежность
- Лучшая скорость по сравнению с крутящим моментом
Как работают бесщеточные двигатели и ESC
В этом уроке мы узнаем, как работают бесщеточный двигатель и ESC.Эта статья является первой частью следующего видео, где мы узнаем принцип работы бесщеточного двигателя постоянного тока и ESC (электронного регулятора скорости), а во второй части мы узнаем, как управлять двигателем BLDC с помощью Arduino.
РЕКОМЕНДУЕТСЯ
Как это работает
Двигатель BLDC состоит из двух основных частей: статора и ротора. На этом рисунке ротор представляет собой постоянный магнит с двумя полюсами, а статор состоит из катушек, расположенных, как показано на рисунке ниже.
Все мы знаем, что если мы пропустим ток через катушку, она будет генерировать магнитное поле, а силовые линии или полюса магнитного поля зависят от направления тока.
Итак, если мы подадим соответствующий ток, катушка будет генерировать магнитное поле, которое будет притягивать постоянный магнит ротора. Теперь, если мы активируем каждую катушку одну за другой, ротор будет продолжать вращаться из-за силового взаимодействия между постоянным током и электромагнитом.
Чтобы повысить эффективность двигателя, мы можем намотать две противоположные катушки как одну катушку таким образом, чтобы они генерировали полюса, противоположные полюсам ротора, таким образом, мы получим двойную силу притяжения.
С этой конфигурацией мы можем создать шесть полюсов статора с помощью всего трех катушек или фаз. Мы можем еще больше повысить эффективность, запитав две катушки одновременно. Таким образом, одна катушка будет притягиваться, а другая — отталкивать ротор.
Для того, чтобы ротор совершил полный цикл на 360 градусов, ему необходимо шесть шагов или интервалов.
Если мы посмотрим на форму волны тока, мы можем заметить, что в каждом интервале есть одна фаза с положительным током, одна фаза с отрицательным током и третья фаза отключена.Это дает представление о том, что мы можем соединить свободные конечные точки каждой из трех фаз вместе и поэтому мы можем разделить ток между ними или использовать один ток для одновременного питания двух фаз.
Вот пример. Если мы поднимем фазу A High или подключим ее к положительному постоянному напряжению с помощью какого-либо переключателя, например MOSFET, а с другой стороны подключим фазу B к земле, тогда ток будет течь от VCC через фаза A, нейтральная точка и фаза B, заземлены.Таким образом, с помощью всего лишь одного потока тока мы создали четыре разных полюса, которые заставляют ротор двигаться.
В этой конфигурации у нас фактически есть соединение фаз двигателя звездой, где нейтральная точка соединена внутри, а три других конца фаз выходят из двигателя, и поэтому у бесщеточного двигателя три провода выходят из него.
Итак, для того, чтобы ротор совершил полный цикл, нам просто нужно активировать правильные два MOSFET в каждом из 6 интервалов, и это то, что на самом деле все ESC.
Как работает шаговый двигатель
Из этого туториала Вы узнаете, как работает шаговый двигатель. Мы расскажем об основных принципах работы шаговых двигателей, их режимах работы и…
ESC или электронный контроллер скорости управляет движением или скоростью бесщеточного двигателя, активируя соответствующие полевые МОП-транзисторы для создания вращающегося магнитного поля, так что двигатель вращается. Чем выше частота или чем быстрее ESC проходит через 6 интервалов, тем выше будет скорость двигателя.
Однако возникает важный вопрос: как узнать, когда активировать какую фазу. Ответ заключается в том, что нам нужно знать положение ротора, и есть два общих метода, используемых для определения положения ротора.
Первый распространенный метод заключается в использовании датчиков Холла, встроенных в статор, расположенных одинаково на 120 или 60 градусов друг от друга.
Когда постоянные магниты ротора вращаются, датчики на эффекте Холла воспринимают магнитное поле и генерируют логический «высокий» для одного магнитного полюса или логический «низкий» для противоположного полюса.Согласно этой информации ESC знает, когда активировать следующую последовательность коммутации или интервал.
Второй распространенный метод, используемый для определения положения ротора, заключается в измерении обратной электродвижущей силы или обратной ЭДС. Обратная ЭДС возникает в результате прямо противоположного процесса генерации магнитного поля или когда движущееся или изменяющееся магнитное поле проходит через катушку, оно индуцирует ток в катушке.
Итак, когда движущееся магнитное поле ротора проходит через свободную катушку или ту, которая не активна, оно вызывает ток в катушке, и в результате в этой катушке происходит падение напряжения.ESC фиксирует эти падения напряжения по мере их возникновения и на их основе предсказывает или рассчитывает, когда должен произойти следующий интервал.
Итак, это основной принцип работы бесщеточных двигателей постоянного тока и ESC, и он остается неизменным, даже если мы увеличим количество полюсов как ротора, так и статора. У нас по-прежнему будет трехфазный двигатель, только количество интервалов увеличится, чтобы завершить полный цикл.
Здесь мы также можем упомянуть, что двигатели BLDC могут быть инерционными или опережающими.Бесщеточный двигатель с внутренним ходом имеет постоянные магниты внутри электромагнитов, и наоборот, двигатель с внешним рабочим ходом имеет постоянные магниты вне электромагнитов. Опять же, они используют один и тот же принцип работы, и у каждого из них есть свои сильные и слабые стороны.
Хорошо, хватит теории, теперь давайте продемонстрируем и посмотрим в реальной жизни то, что мы объяснили выше. Для этого мы подключим три фазы бесщеточного двигателя к осциллографу. Я соединил 3 резистора в одной точке, чтобы создать виртуальную нейтральную точку, а с другой стороны я подключил их к трем фазам двигателя BLDC.
Первое, что мы можем здесь заметить, — это три синусоидальные волны. Эти синусоидальные волны на самом деле являются обратным EFM, генерируемым в неактивных фазах.
Мы видим, что при изменении частоты вращения двигателя частота синусоидальных волн изменяется, а также их амплитуда. Чем выше частота вращения, тем выше частота и амплитуда синусоидальных волн обратной ЭДС. Однако на самом деле двигателем движут эти пики, которые являются активными фазами, которые генерируют изменяющееся магнитное поле.
Мы можем заметить, что в каждом интервале есть две активные и одна неактивная фазы. Например, здесь у нас активны фазы A и B, а фаза C неактивна. Затем у нас активны фазы A и C, в то время как фаза B неактивна, и так далее.
Здесь я хотел бы поблагодарить Banggood.com за предоставление мне этого осциллографа. Это Rigol DS1054Z, и это один из лучших осциллографов начального уровня в своей ценовой категории. Он имеет четыре входных канала, полосу пропускания 50 МГц, которая может быть взломана до 100 МГц, имеет частоту дискретизации 1 Гвыб / с и относительно большую глубину памяти 24 Мбайт.
Дисплей 7 дюймов, он действительно красивый и яркий. Он имеет различные математические функции, фильтры нижних и верхних частот, декодирование SPI и I2C и многое другое. Итак, еще раз большое спасибо Banggood.com и не забудьте проверить этот осциллограф в их магазине.
Тем не менее, это основной принцип работы бесщеточного двигателя. Если вам нужны более реальные живые примеры и вы узнаете, как управлять моторами с помощью Arduino, вам следует проверить вторую часть этого руководства.
Надеюсь, вам понравился этот урок и вы узнали что-то новое.