Бесколлекторные двигатели постоянного

RC Орлоплан

Бесколлекторные двигатели (что? как? почему?)

Автор: Arthur Koral

RC Heli Magazine, Выпуск 28 (Октябрь 2008)

Перевод: Андрей Пащенко

Перевод и публикация выполнены с разрешения редакции журнала RC Heli Magazine

Бесколлекторные двигатели постоянного магнитного поля

Бесколлекторные двигатели произвели революцию во многих областях – начиная с гибридных автомобилей и заканчивая радиоуправляемыми вертолетами. Бесколлекторные двигатели имеют КПД (коэффициент полезного действия) около 93% и развивают небывалую мощность. В этом выпуске мы попытаемся вникнуть в физические аспекты бесколлекторных двигателей и понять, как работает бесколлекторный двигатель. Возможно, многих из вас удивлял принцип работы электронного контролера скорости (ЭКС). А что такое тайминг? Как контролируется скорость? Что означает Kv? Мы попытаемся дать ответ на эти и другие вопросы.

Электрические моторы – Все о магнитах

Бесколлекторные двигатели постоянного постоянного тока

Электрические моторы работают благодаря магнитному полю. В электромоторах используются два типа магнитов, называемых постоянными и электромагнитами, которые притягиваются и отталкиваются друг друга. Постоянный магнит, как следует из его названия, образует магнитное поле постоянно. Электромагнит создает магнитное поле только при подаче электрического тока на его обмотки. У каждого магнита есть два полюса: южный (положительный) и северный (отрицательный). Противоположные полюса притягиваются друг к другу, одноименные – отталкиваются.

Магниты в моторе расположены таким образом, что бы благодаря притяжению и отталкиванию одного магнита от другого приводился во вращение вал двигателя. Для поддержания вращения магнитное поле, по крайней мере, одной группы магнитов, должно вращаться вместе с мотором. Вращение магнитного поля – это основа. Существует два способа создания вращающегося магнитного пола в электрических моторах: электронно (бесколлекторные двигатели) или механически (коллекторные двигатели). В коллекторных двигателях магнитное поле изменяется механически с помощью якоря и щеток, скользящих по коллектору. При этом происходит циклическое изменение тока, протекающего через электромагнитные кольца, с обратного на прямой и наоборот, благодаря чему направление магнитного поля изменяется каждый раз при смене направления тока.

Коллекторные моторы имеют преимущество, в виде возможности контроля скорости вращения с помощью простейшего переменного резистора. Недостатками коллекторных моторов являются относительно низкий КПД и необходимость регулярного обслуживания из-за трения и износа щеток.

В бесколллекторных двигателях изменение магнитного поля происходит с помощью электронного контролера скорости (ЭКС; ESC). Постоянный магнит, закрепленный на вращающемся роторе (in-runner), или на вращающемся колоколе (out-runner), притягивается каждую фазу, что приводит к его вращению вместе с его магнитным полем.

Бесколлекторные двигатели постоянного магнитного поля

Все о тайминге

Для того, что бы вращающееся магнитное поле было в фазе с корректным магнитом на роторе, электронный контролер скорости должен определить положение и скорость вращения ротора. Наиболее распространены два метода получения этих данных. Один метод основан на использовании оптических или магнитных датчиков (датчики Холла), подобно тем, которые используются в контролерах оборотов нитродвигателей (гувернерах). В другом методе (без сенсоров) для определения положения ротора и скорости его вращения проводят регистрацию обратных электромагнитных полей (back electromagnetic field pulses - EMF) генерируемых во время каждой из трех фаз. Оба метода имеют свои преимущества и недостатки. Мы рассмотрим второй метод более подробно, так как он получил наибольшее распространение в бесколлекторных двигателях, устанавливаемых на моделях вертолетов.

Обратные электромагнитные поля – Разницы между моторами и генераторами не существует.

Перед объяснением принципа работы бесколлекторных моторов без датчиков, нам необходимо обсудить обратные электромагнитные поля. Во время вращения ротора якоря с обмотками проходят рядом с магнитами, что приводит к появлению электрического тока в обмотках, подобно работе электрогенератора. В действительности, электромоторы это генераторы только наоборот. В обмотках без напряжения, вращающихся рядом с постоянными магнитами, генерируется электрический ток. Электронный контролер скорости регистрирует подаваемое на обмотку напряжение и возникающие обратные электромагнитные импульсы в процессе вращения.

Контролеры скорости без датчиков работают на основе расчета времени в каждой фазе между импульсом напряжения питания и импульса обратного электромагнитного поля. «Нулевой отсчет» - это точка начала отсчета и определяется, как отсутствие напряжения (0 В) на обмотке. Это средняя точка между подачей импульса напряжения питания и импульсом обратного электромагнитного поля. В этой точке, электронный контролер скорости точно знает положение каждого магнита и использует эту информацию для определения фазы и куда подать следующий импульс напряжения питания.

Контроль скорости – по частоте или напряжению; вот в чем вопрос.

Если необходимо увеличить скорость движения магнитов, то нужно просто увеличить силу магнитного поля. Увеличивая продолжительность каждого импульса (широтно-импульсная модуляция) магнитное поле становится сильнее, увеличивая вращательный момент, создаваемый между магнитами ротора и обмотками статора. Ротор начинает быстрее вращаться из-за увеличения вращательного момента и увеличения частоты генерируемой электронным контролером скорости, которая увеличивается для поддержания более быстрого вращения. Электронный контролер скорости с начало контролирует напряжение питания, а частота регулируется как следствие.

Kv и максимальная скорость – что тормозит

Причиной, по которой частота вращения ограничена, является обратное электромагнитное поле. При работе мотора, частота вращения ротора замедляется из-за силы необходимой для генерации обратного электромагнитного поля. Чем больше скорость вращения (до 100% от возможностей электронного контролера скорости), тем сильнее обратное электромагнитное поле, и при максимальной скорости сила вращения уравновешена обратным электромагнитным полем. Kv определяется как отношение частоты вращения (об/мин) на напряжение (В). Причина, по которой Kv являются функцией от напряжения является то, что максимальный крутящий момент, а следовательно и скорость, фиксируются при работе без нагрузки при определенном напряжении питания.

Обратное электромагнитное поле и Kv

Наверное, вы помните, что в одной из предыдущих публикаций мы разбирали авторотацию. Во время авторотации сила набегающего потока воздуха заставляет лопасти вращаться. Вращающиеся лопасти обеспечивают стабильность и замедление скорости падения. Вы можете рассматривать напряжение питания, как набегающий поток воздуха при авторотации. Напряжение заставляет мотор вращаться и при взаимодействии постоянных магнитов ротора с электромагнитами возникает обратное электромагнитное поле. Точно так же, как частота вращения лопастей ограничена тормозящим влиянием создаваемой силы тяги, так частота вращения двигателя лимитирована обратным электромагнитным полем.

Двигатель постоянного тока - коллектроный и бесколлекторный вариант

April 23, 2013

Электрические машины можно поделить на два вида по их назначению: это генератор и двигатель постоянного тока. Что примечательно, они устроены почти одинаково. Отличие лишь в том, что генератор преобразовывает механическую энергию вращения ротора в магнитном поле, создаваемом обмоткой статора, в электрическую, а двигатель – наоборот (преобразовывает электрическую энергию в энергию вращения, то есть механическую).

Двигатель постоянного тока имеет в своей конструкции якорь с уложенными в его пазы проводниками. Второй основной частью этой машины является статор и его обмотки возбуждения с несколькими полюсами. Принцип работы такого устройства достаточно прост. Пропуская по проводу верхней части якоря постоянный ток в различных направлениях (с одной стороны «от нас», а с другой «на нас»). Согласно знаменитому правилу левой руки, те проводники, что находятся вверху, начнут выталкиваться из создаваемого статором магнитного поля влево, а проводники, расположеные внизу якоря, будут отталкиваться вправо.

Так как медные проводники уложены в специальные пазы, то силы воздействия будут передаваться якорю и поворачивать его.

Когда одна часть проводника провернется и встанет напротив южного полюса статора, начнется процесс торможения (проводник начнет вдавливаться в левую сторону). Для предупреждения этого процесса необходимо изменить направление тока в проводе. Для этого используют так называемый коллектор, а двигатель с таким принципом действия получил название коллекторного двигателя постоянного тока.

Бесколлекторные двигатели постоянного постоянного тока

В нем обмотка якоря будет передавать вращающий момент на вал мотора, а тот – приводить в движение нужные механизмы оборудования. Нужно отметить, что весь принцип действия такого оборудования основан на инвертировании постоянного тока в якорной цепи.

Однако существует и бесколлекторный двигатель постоянного тока. В отличие от коллекторного, он не имеет в своем устройстве щеток, которые создают дополнительную опасность в процессе эксплуатации двигателя (щетки трутся о вращающийся ротор и могут создавать искры, что может привести к возгоранию плохо изолированных частей электрической машины).

Двигатель постоянного тока без коллектора имеет в своей конструкции подшипники и специальные контроллеры, запрограммированные на обеспечение всех процессов коммутации внутри двигателя. Кроме того, в нем есть микроприводы с высокоточным позиционированием.

Именно поэтому такое устройство будет стоить значительно дороже, чем обычный коллекторный двигатель постоянного тока. Однако использование такого двигателя вполне себя оправдывает: увеличена его износостойкость, надежность, безопасность. Значительно выше и коэффициент полезного действия (КПД), и устойчивость к перегрузкам.

В отличии от коллекторного двигателя постоянного тока, модернизация которого фактически прекращена, бесколлекторная модель постоянно обновляется. Например, совсем недавно был разработан безконтактный трехфазный двигатель постоянного тока без коллектора.

Бесколлекторные (вентильные) двигатели постоянного тока

Электропривод

В борьбе с недостатками асинхронных двигателей переменного тока родилась идея коллекторных электродвигателей, потребляющих однофазный переменный ток, но располагающих многими преимуществами электрических машин постоянного тока последовательного возбуждения. Коллекторные двигатели стало возможно включать в бытовую переменную сеть.

Но случаются и обратные ситуации: имеется сеть постоянного тока, например, сеть, питаемая аккумулятором, и желательно использовать привод, не содержащий такой ненадежный и сложный элемент, как коллекторно-щеточный аппарат. В подобных случаях все чаще используются приводы с вентильными двигателями.

Вентильные электродвигатели нередко называют синхронными двигателями постоянного тока, так как скорости вращения полей статора и ротора в них тоже всегда совпадают. Но его статор получает питание от сети постоянного тока, а ротор составлен из постоянных магнитов с общим числом пар полюсов от двух до восьми.

Для запуска и работы такого двигателя необходимо, чтобы вектор силового поля статора был перпендикулярен вектору магнитного поля возбуждения от магнитов ротора. Но ротор вращается, и направление векторов его поля меняется. Соответственно, должно меняться и направление векторов поля статора.

В коллекторных двигателях это достигается благодаря тому, что щетка перемещается и переключатся на другую контактную пластину, “пуская” постоянный ток по другой петле обмотки якоря.

В вентильных же, переключение направления тока статора производится при помощи инвертора на тиристорах или силовых транзисторах, управляемых датчиками положения ротора. Инвертор с датчиками – это сложное электронное устройство, но достоинство его перед коллекторно-щеточным аппаратом состоит в отсутствии искрения при коммутации, а также в отсутствии трущихся частей.

Статор вентильного двигателя выполняется из шихтованной стали, как у всех машин переменного тока, а статорная обмотка может быть разделена на «фазы». Количество фаз может составлять от двух до четырех – в зависимости от схемы инвертора.

Проблема использования вентильных двигателей до недавнего времени состояла в том, что технически очень сложно выполнить датчик, обладающий малой инерционностью, позволяющей вовремя производить переключения инвертора при быстром вращении ротора.

Сегодня подобные датчики разработаны, и в своей работе они используют фотоэлектрический, либо эффект Холла. Надежность этих датчиков обеспечивает вентильным двигателям оптимальные энергетические показатели в работе.

Среди других достоинств привода с вентильным бесколлекторным двигателем можно отметить очень высокую надежность в работе, сопоставимую с надежностью асинхронных приводов с короткозамкнутым ротором.

По сравнению с коллекторными электрическими машинами вентильные электродвигатели являются гораздо более безопасными в пожарном отношении за счет того, что исключено искрение и круговой огонь при коммутации.

Бесколлекторные двигатели способны работать в широком диапазоне оборотов, их характеристики отличаются жесткостью. Поэтому и сфера их применения очень широка: их используют и в бытовой технике, и в приводах игрушек, и в транспортном приводе, и в сервоприводах станков и конвейерного оборудования.

Но, разумеется, рассматриваемые двигатели не лишены и некоторых недостатков. Первым из них является сложность системы управления инвертором, да и сложность самого инвертора тоже.

Из этого недостатка следует и другой: вентильные двигатели отличаются высокой ценой. Отчасти поэтому вентильные приводы большой мощности не особенно распространены, уступая позиции асинхронным приводам, управляемым частотными преобразователями .

Теги: 

Рекомендуем также прочитать

RC Орлоплан Бесколлекторные двигатели (что? как? почему?) Автор: Arthur Koral RC Heli Magazine, Выпуск 28 (Октябрь 2008)
3006311 Сервопривод LKS 210-10 5s 1,5Nm Оплатить заказ Вы можете любым удобным способом: оплата наличными или банковской картой непосредственно в нашем офисе