Бесколлекторный электродвигатель

Бесколлекторный электродвигатель

Принцип работы трёхфазного вентильного двигателя

Вентильный электродвигатель — это синхронный двигатель, основанный на принципе частотного регулирования с самосинхронизацией, суть которого заключается в управлении вектором магнитного поля статора в зависимости от положения ротора. Вентильные двигатели (в англоязычной литературе BLDC или PMSM) ещё называют бесколлекторными двигателями постоянного тока, потому что контроллер такого двигателя обычно питается от постоянного напряжения.

Этот тип двигателя создан с целью улучшения свойств электродвигателей постоянного тока. Высокие требования к исполнительным механизмам (в частности, высокооборотных микроприводов точного позиционирования) обусловили применение специфических двигателей постоянного тока: бесколлекторных трехфазных двигателей постоянного тока (БДПТ или BLDC). Конструктивно они напоминают синхронные двигатели переменного тока: магнитный ротор вращается в шихтованом статоре с трехфазными обмотками. Но обороты являются функцией от нагрузки и напряжения на статоре. Эта функция реализована с помощью переключения обмоток статора в зависимости от координат ротора. БДПТ существуют в исполнении с отдельными датчиками на роторе и без отдельных датчиков. В качестве отдельных датчиков применяются датчики Холла. Если выполнение без отдельных датчиков, то в качестве фиксирующего элемента выступают обмотки статора. При вращении магнита, ротор наводит в обмотках статора ЭДС, в результате чего возникает ток. При выключении одной обмотки измеряется и обрабатывается сигнал, который был в ней наведен. Этот алгоритм требует процессор обработки сигналов. Для торможения и реверса БДПС не нужна мостовая схема реверса питания - достаточно подавать управляющие импульсы на обмотки статора в обратной последовательности.

В вентильном двигателе (ВД) индуктор находится на роторе (в виде постоянных магнитов), якорная обмотка находится на статоре (синхронный двигатель). Напряжение питания обмоток двигателя формируется в зависимости от положения ротора. Если в двигателях постоянного тока для этой цели использовался коллектор, то в вентильном двигателе его функцию выполняет полупроводниковый коммутатор (датчик положения ротора (ДПР) с инвертором).

Основным отличием ВД от синхронного двигателя является его самосинхронизация с помощью ДПР, в результате чего у ВД, частота вращения поля пропорциональна частоте вращения ротора.

Статор бесколлекторного электродвигателя

Статор имеет традиционную конструкцию и похож на статор асинхронной машины. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки,уложенной в пазы по периметру сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. Для самозапуска и вращения достаточно двух фаз — синусной и косинусной. Обычно ВД трёхфазные, реже- четырёхфазные.

По способу укладки витков в обмотки статора различают двигатели имеющие обратную электродвижущую силу трапецеидальной (BLDC) и синусоидальной (PMSM) формы. По способу питания фазный электрический ток в соответствующих типах двигателя также изменяется трапецеидально или синусоидально.

Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до восьми пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов - см. пример конструкции.

Вначале для изготовления ротора использовались ферритовые магниты. Они распространены и дёшевы, но им присущ недостаток в виде низкого уровня магнитной индукции. Сейчас получают популярность магниты из сплавов редкоземельных элементов, так как они позволяют получить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.

Датчик положения ротора

Бесколлекторный электродвигатель положения ротора

Датчик положения ротора (ДПР) реализует обратную связь по положению ротора. Его работа может быть основана на разных принципах — фотоэлектрический, индуктивный, на эффекте Холла, и т. д. Наибольшую популярность приобрели датчики Холла и фотоэлектрические, так как они практически безынерционны и позволяют избавиться от запаздывания в канале обратной связи по положению ротора.

Фотоэлектрический датчик, в классическом виде, содержит три неподвижных фотоприёмника, которые поочерёдно закрываются шторкой вращающейся синхронно с ротором. Это показано на рисунке. Двоичный код, получаемый с ДПР, фиксирует шесть различных положений ротора. Сигналы датчиков преобразуются управляющим устройством в комбинацию управляющих напряжений, которые управляют силовыми ключами, так, что в каждый такт (фазу) работы двигателя включены два ключа и к сети подключены последовательно две из трёх обмоток якоря. Обмотки якоря U, V, W расположены на статоре со сдвигом на 120° и их начала и концы соединены так, что при переключении ключей создаётся вращающееся магнитное поле.

Система управления ВД

Система управления содержит силовые ключи, часто тиристоры или силовые транзисторы с изолированным затвором. Из них собирается инвертор напряжения или инвертор тока. Система управления ключами обычно реализуется на основе использования микроконтроллера. Наличия микроконтроллера требует большое количество вычислительных операций по управлению двигателем.

Принцип работы ВД

Принцип работы ВД основан на том, что контроллер ВД коммутирует обмотки статора так, чтобы вектор магнитного поля статора всегда был ортогонален вектору магнитного поля ротора. С помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) контроллер управляет током, протекающим через обмотки ВД, т.е. вектором магнитного поля статора, и таким образом регулируется момент, действующий на ротор ВД. Знак у угла между векторами определяет направление момента действующего на ротор.

Градусы при расчете - электрические. Они меньше геометрических градусов в число пар полюсов ротора. Например, в ВД с ротором имеющим 3 пары полюсов оптимальный угол между векторами будет 90°/ 3 = 30°

Коммутация производится так, что поток возбуждения ротора — Ф 0 поддерживается постоянным относительно потока якоря. В результате взаимодействия потока якоря и возбуждения создаётся вращающий момент M, который стремится развернуть ротор так, чтобы потоки якоря и возбуждения совпали, но при повороте ротора под действием ДПР происходит переключение обмоток и поток якоря поворачивается на следующий шаг.

Бесколлекторный электродвигатель положения ротора

В этом случае и результирующий вектор тока будет сдвинут и неподвижен относительно потока ротора, что и создаёт момент на валу двигателя.

В двигательном режиме работы МДС статора опережает МДС ротора на угол 90°, который поддерживается с помощью ДПР. В тормозном режиме МДС статора отстаёт от МДС ротора, угол 90° так же поддерживается с помощью ДПР.

Управление двигателем

Контроллер ВД регулирует момент, действующий на ротор, меняя величину ШИМ.

В отличие от щёточного электродвигателя постоянного тока, коммутация в ВД осуществляется и контролируется с помощью электроники.

Распространены системы управления, реализующие алгоритмы широтно-импульсного регулирования и широтно-импульсной модуляции при управлении ВД.

Система, обеспечивающая самый широкий диапазон регулирования скорости — у двигателей с векторным управлением. С помощью преобразователя частоты осуществляется регулирование скорости двигателя и поддержание потокосцепления в машине на заданном уровне.

Особенность регулирования электропривода с векторным управлением — контролируемые координаты, измеренные в неподвижной системе координат преобразуются к вращающейся системе, из них выделяется постоянное значение, пропорциональное составляющим векторов контролируемых параметров, по которым осуществляется формирование управляющих воздействий, далее обратный переход.

Недостатком этих систем является сложность управляющих и функциональных устройств для широкого диапазона регулирования скорости.

Достоинства и недостатки ВД

В последнее время, этот тип двигателей быстро приобретает популярность, проникая во многие отрасли промышленности. Находит применение в различных сферах использования: от бытовых приборов до рельсового транспорта.

ВД с электронными системами управления часто объединяют в себе лучшие качества бесконтактных двигателей и двигателей постоянного тока.

Достоинства:

- Высокое быстродействие и динамика, точность позиционирования

- Широкий диапазон изменения частоты вращения

- Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих техобслуживания — бесколлекторная машина

- Возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде

- Большая перегрузочная способность по моменту

- Высокие энергетические показатели ( КПД более 90 % и cosφ б олее 0,95 )

- Большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов

- Низкий перегрев электродвигателя, при работе в режимах с возможными перегрузками

Недостатки:

- Относительно сложная система управления двигателем

- Высокая стоимость двигателя, обусловленная использованием дорогостоящих постоянных магнитов в конструкции ротора

Из-за неразвитости электроники по-прежнему во многих случаях рациональным оказывается применение асинхронного двигателя с преобразователем частоты.

Пример: 8-разрядные RISC-микроконтроллеры AVR в устройствах управления 3-фазными бесколлекторными электродвигателями постоянного тока

Трехфазные бесколлекторные электродвигатели постоянного тока обеспечивают превосходные характеристики, как при управлении с датчиками положения, так и без них.

Управление с датчиками используется, если момент сопротивления неизвестен или варьируется, а также, если необходимо достичь большого пускового момента.

Управление без датчиков, как правило, используется в вентиляторах, где позволяет избавиться от применения датчиков Холла и исключить проводные связи с ними.

Типичные сферы применения:

- Электропривод

- Холодильное/морозильное оборудование (компрессоры)

- Системы нагрева, вентиляции и кондиционирования воздуха (например, вентиляторы) 	

Управление трехфазным бесколлекторным электродвигателем постоянного тока с датчиками положения на основе датчиков Холла

выходы датчиков Холла подключены к линиям ввода-вывода микроконтроллера, которые настроены на генерацию прерываний при изменении состояния

регулировка скорости выполняется с помощью ШИМ-каналов, подключенных к нижним драйверам.

Контроль тока выполняется с помощью АЦП и аналогового компаратора

Поддерживаемые интерфейсы связи: TWI, SPI и УАПП

Управление трехфазным бесколлекторным электродвигателем постоянного тока без датчиков

Управление трехфазным бесколлекторным электродвигателем постоянного тока без датчиков по положению:

Бесколлекторные двигатели

FL86BLS-JB

Устройство, принцип работы бесколлекторного двигателя

Бесколлекторные двигатели (BLDC - brushless DC motors) или, как их еще называют, вентильные двигатели или шпиндельные двигатели, обладают высокой динамикой и точностью позиционирования, большой перегрузочной способностью двигателя к моменту, а также высоким КПД двигателя – более 90%. Благодаря отсутствию трущихся частей в бесколлекторном двигателе возможно его применения во взрывоопасной и агрессивной среде.

Бесколлекторные двигатели состоят из статора традиционной обмотки, в зависимости от способа укладки витков он бывает BLDC – для двигателей имеющих обратную электродвижущую силу и PMSM – для двигателей питающихся синусоидальным током, ротора в котором используются магниты постоянного тока и датчика положения ротора.

Датчик положения ротора, встроенный в корпус двигателя, вырабатывает сигналы управления моментами времени и последовательностью коммутации токов в обмотках статора. Все поставляемые нами бесколлекторные электродвигатели имеют по три встроенных датчика Хола (Honeywell), расположенных под углом 120 градусов друг к другу.

Все бесколлекторные двигатели мы поставляем вместе с блоками управления, производимыми на том же заводе, что и сами двигатели (Fulling Motor. Китай), что гарантирует идеальную "совместимость" блоков управления и двигателей. Некоторые наши клиенты (как правило, использующие бесколлекторные двигатели в массовой серийной продукции с большими объемами выпуска) предпочитают разрабатывать устройства управления бесколлекторным двигателем самостоятельно. При этом они имеют возможность наиболее полно учесть нюансы рабочих режимов двигателей, и максимально снизить цену (себестоимость) блока управления бесколлекторным двигателем.

Бесколлекторные двигатели не имеют недостатков, присущих асинхронным двигателям (потребление реактивной мощности, потери в роторе) и синхронным двигателям (пульсация частоты вращения, выпадение из синхронизма).

Как и у коллекторных двигателей момент бесколлекторных двигателей прямо пропорционален току, а скорость зависит от напряжения питания и нагружающего момента.

Но бесколлекторные двигатели имеют преимущество по сравнению с коллекторными - это отсутствие трущихся и истираемых частей, переключающихся контактов и т.п. и, как следствие, высокий ресурс.

Основные достоинства бесколлекторных (вентильных) двигателей:

  • высокое быстродействие и динамика, точность позиционирования
  • линейность нагрузочных характеристик
  • широкий диапазон изменения частоты вращения
  • большая перегрузочная способность по моменту
  • высокий срок службы (ресурс электродвигателя ограничен, по большому счету, только сроком службы подшипников)
  • высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов
  • низкий перегрев электродвигателя, при работе в режимах с возможными перегрузками
  • существенно более низкий уровень электромагнитных шумов по сравнению с коллекторными моторами

Области применения бесколлекторных двигателей

С силу своих достоинств бесколлекторные двигатели получили широкое распространение во многих отраслях промышленности. Незаменимыми оказываются они в медицинской технике - низкий уровень электромагнитных излучений, низкий уровень шума и высокий ресурс определили лидирующую роль бесколлекторного привода во многих узлах медицинской аппаратуры. Также бесколлекторные электродвигатели традиционно используются для работы в опасных средах. Отсутствие трущихся частей, способных вызвать искру, позволяет применять бесколлекторные двигатели в нефтегазовой промышленности, например, в качестве трубозапорных приводов для нефте- и газопроводов.

Бесколлекторный электродвигатель — что это такое?

Что такое бесколлекторный электродвигатель, понять, на первый взгляд, очень сложно. Этот двигатель отличает довольно большая цена, а также необычный способ работы. В традиционном двигателе обыкновенный ротор с обмоткой вращается внутри статора, на котором расположены постоянные магниты. При этом обмотки коммутируются специальным коллектором — в зависимости от постоянного положения ротора. Настоящий бесколлекторный электродвигатель представляет собою механизм, в котором ротор-коллектор, напротив, вращается по оси вокруг статора.

3-фазный двигатель переменного тока выглядит именно таким образом. При этом необходимо питать двигатель только постоянным током, а обороты двигателя непременно должны меняться параллельно тому, как поступает ток в механизм. Обмотки мотора нужно переключать в прямой зависимости от того, как меняется его положение. Датчики Холла в этом механизме выполняют функцию датчиков положения магнита — ротора. Именно они выступают в роли подающих сигнал и переключают положение обмотки.

Крепление данных датчиков выполнено следующим образом: благодаря удобному креплению датчики можно поворачивать вокруг оси самого двигателя, чтобы настроить наиболее удобную фазу переключения. Таким образом, бесколлекторный электродвигатель представляет собою устройство, состоящее из 3-фазного двигателя и 2-фазного мотора.

Виды устройств

Бесколлекторные двигатели бывают постоянного и переменного тока. Бесколлекторный двигатель постоянного тока очень похож на механизм с переменным током, при этом его устройство дает распределение иначе. Магнитный ротор вращается в специальном статоре с магнитными обмотками. В том случае, если двигатель создан без датчиков Холла, сам двигатель представляет собою механизм с фиксаторами в виде обмотки статора. Трехфазный бесколлекторный двигатель постоянного тока — это механизм, в котором контроль тока выполняется при помощи механизма аналогового компаратора.

Традиционно управление бесколлекторным двигателем осуществляется при помощи специального электронного блока управления. В этом блоке расположены все электронные схемы, подающие сигналы в двигатель. Схема управления бесколлекторным двигателем — очень сложный механизм. Для двигателей с маленькой мощностью используется микросхема, состоящая из 6 транзисторов, подающих электрический ток, в двигателях с большой мощностью используются сложные микросхемы.

Обыкновенный регулятор скорости бесколлекторного двигателя — это устройство, которое подключается для управления механизмом. Бесколлекторные двигатели широко используются для авиамоделей, и чтобы управлять ими, необходимо подключить регулятор скорости. Регулятор представляет собою электронное устройство, дающее возможность контролировать скорость работы любого изделия.

Отличительные особенности бесколлекторных двигателей — это их высокая мощность, большая скорость работы устройств, все чаще в связи с высокой производительностью. Такие типы двигателей применяют на производстве при внедрении новых технологий. Двигатель без коллектора отличается большой мощностью, высокой надежностью, низкой степенью износа. На производстве и в промышленности этот тип мотора незаменим. Радиоуправляемые самолеты и машинки также оснащены небольшими бесколлекторными двигателями.

Очень удобно применять такие типы двигателей в радиоуправляемых моделях вертолета. Их небольшой вес и отсутствие лишних приспособлений дает возможность разместить двигатель даже в самом тесном пространстве.

Теги: 

Рекомендуем также прочитать

Сервопривод 2.3 кВт, 220В, 15/30 Н·м, DS2-22P3-AS + MS-130ST-M15015B-22P3 Полное руководство пользователя на русском Краткое описание сервопривода DS2
Омыватели, стеклоочистители, электростеклоподъемники (ЭСП)
Коллекторные На сегодняшний день существует несколько основных типов двигателей использующихся как в простеньких дискретных игрушках, так и в моделях более высокого уровня.
Бесколлекторный электродвигатель Принцип работы трёхфазного вентильного двигателя