Бесконтактный двигатель постоянного тока принцип работы

Вентильный электродвигатель

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.

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:

1. Электрические и магнитные поля взаимосвязаны. То есть каждый движущийся заряд создаёт магнитное поле и, соответственно, магнитные поля способны производить разность потенциалов.
2. Магниты взаимодействуют между собой. Работа всех электродвигателей основана на взаимодействии магнитов. Одни из них постоянные, другие представляют собой катушку, в которой индуцируется магнитное поле прохождением через витки электрического тока.

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.

Виды БДПТ

Теперь давайте разберемся, какими бывают бесколлекторные двигатели на постоянных магнитах. Их классифицируют по форме противо-ЭДС, конструкции, а также по наличию датчиков положения ротора. Итак, два основных типа отличающихся формой противо-ЭДС, которая наводится в обмотках при вращении ротора:

• BLDC — в них трапецеидальная противо-ЭДС;
• PMSM — противо-ЭДС синусоидальная.

В идеальном случае для них нужны разные источники питания (контроллеры), но на практике они взаимозаменяемы. Но если использовать контроллер с прямоугольными или трапецеидальным выходным напряжением с PMSM-двигателем, то будут слышны характерные звуки, похожие на стук во время вращения.

А по конструкции бесколлекторные двигатели постоянного тока бывают:

• С внутренним ротором. Это более привычное представление электродвигателя, когда статор — это корпус, а вращается вал, расположенный в нём. Часто их называют английским словом «Inrunner». Такой вариант обычно применяют для высокооборотистых электродвигателей
• С внешним ротором. Здесь вращается внешняя часть двигателя с закреплённым на ней валом, в англоязычных источниках его называют «outrunner». Эту схему устройства используют, когда нужен высокий момент.

Выбирают конструкцию в зависимости от того для чего нужен бесколлекторный двигатель в конкретном применении.

Современная промышленность выпускает бесколлекторные двигатели как с датчиками положения ротора, так и без них. Дело в том, что существует множество способов управления БДПТ, для некоторых из них нужны датчики положения, другие определяют положения по ЭДС в обмотках, третьи и вовсе просто подают питание на нужные фазы и электродвигатель самостоятельно синхронизируется с таким питанием и входит в рабочий режим.

Основные характеристики бесколлекторных двигателей постоянного тока:

1. Режим работы — длительный или кратковременный.
2. Максимальное рабочее напряжение.
3. Максимальный рабочий ток.
4. Максимальная мощность.
5. Максимальные обороты, часто указывают не обороты, а KV — об/в, то есть количество оборотов на 1 вольт приложенного напряжения (без нагрузки на валу). Чтобы получить максимальные обороты — умножьте это число на максимальное напряжение.
6. Сопротивление обмотки (чем оно меньше, тем выше КПД), обычно составляет сотые и тысячные доли Ома.
7. Угол опережения фазы (timing) — время, через которое ток в обмотке достигнет своего максимума, это связано с её индуктивностью и законами коммутации (ток в индуктивности не может измениться мгновенно.

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 моделизма

Собирать 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.

Устройство и работа

В целом вентильные двигатели включают в себя три подсистемы:

1. Электронную.
2. Механическую.
3. Электрическую.

В результате получается мехатронное устройство, которое позволяет сделать корпус более компактным, избавиться от дополнительных деталей, лишних преобразователей, а соответственно сделать весь привод механизма более надежным.

Вентильный электродвигатель представляет собой измененный вариант коллекторного мотора постоянного тока. Мотор имеет индуктор, расположенный на роторе, обмотка якоря находится на статоре. Электричество подается управляющими командами на статорные обмотки, в зависимости от угла поворота ротора, который определяется встроенными датчиками Холла.

Ротор

Основу этого элемента составляет многополюсный постоянный магнит, который может иметь разное количество пар полюсов (от 2 до 8), с чередованием полюсов. Поначалу для производства роторов применяли ферритовые магниты невысокой стоимости. Однако ферритовые магниты имеют недостаток в том, что у них низкое значение магнитной индукции.

Современные конструкции роторов оснащают магнитами, изготовленными из редкоземельных элементов. Они дают возможность получить большую магнитную индукцию, а также сделать ротор более компактным.

Статор

Вентильный электродвигатель обычно имеет статор, состоящий из 3-х обмоток, соединенных «звездой» без отвода от средней точки, и внешне похожий на статор асинхронного мотора. Существуют вентильные двигатели со статором с большим количеством обмоток, а кроме схемы «звезды» их могут соединять «треугольником». Трехфазная структура обмоток считается наиболее эффективной при наименьшем количестве обмоток.

Если сравнивать две рассмотренные схемы соединения, то схема «звезды» предполагает больший момент вращения и меньшие показатели противо-ЭДС, в отличие от схемы «треугольника». Поэтому «звезду» чаще всего применяют для получения больших крутящих моментов, а «треугольник» — больших скоростей вращения.

Датчики положения и термодатчик

Этот чувствительный элемент создает обратную связь, и определяет положение ротора. Такие датчики могут работать по разным принципам – эффекта Холла, фотоэлектрическому и т.д. Большое распространение получили фотоэлектрические и датчики Холла. Они не имеют инерционности и дают возможность работы без запаздывания при определении положения ротора.

Фотоэлектрический датчик в его стандартном виде имеет три стационарных фотоприемника. Они по очереди закрываются шторкой, которая крутится синхронно ротору. Двоичный код, поступающий от датчиков, фиксирует шесть разных положений ротора. Управляющее устройство преобразует сигналы датчиков в управляющие импульсы напряжений, которые в свою очередь управляют полупроводниковыми ключами.

В каждый рабочий такт мотора включены два силовых ключа, и к электроэнергии подключены две обмотки из трех. Якорные обмотки расположены со сдвигом 120 градусов, и соединены между собой так, что при управлении силовыми ключами образуется вращающееся магнитное поле.

Дополнительно в вентильном двигателе могут иметься термодатчик, тормозной механизм. Тахогенератор используется в случае работы мотора в режиме стабилизации скорости с большой точностью.

Термодатчик служит для предохранения обмоток от перегрева, и включает в себя несколько позисторов, соединенных друг с другом между собой последовательно. Позисторы – резисторы, сопротивление которых зависит от температуры, чем больше температура, тем выше их сопротивление.

Принцип действия

Контроллер вентильного двигателя подключает обмотки статора так, что направление магнитного поля статора всегда перпендикулярно направлению поля ротора. Благодаря широтно-импульсной модуляции контроллер управляет током, который проходит по обмоткам. В результате создается момент вращения ротора, который регулируется.

Виды

Вентильные двигатели бывают постоянного и переменного тока. Кроме того, их разделяют на виды по числу фаз:

• Однофазные . Это наиболее простая конструкция вентильных двигателей с минимальным числом связей между электронной системой и мотором. К недостаткам однофазных двигателей относятся большие пульсации, невозможность пуска при некоторых положениях ротора. Однофазные моторы широко используются в механизмах, где необходима высокая скорость работы.
• Двухфазные . Такие вентильные двигатели работают в механизмах, где обязательно наличие связи обмотки и статора. К недостаткам можно отнести большой момент вращения и сильные пульсации, способные привести к отрицательным последствиям.
• Трехфазные . Эта дисковая конструкция мотора применяется для создания момента вращения, не применяя для этого большое число фаз. Этот вид моторов используется во многих отраслях промышленности, а также в бытовых условиях. Это наиболее распространенная конструкция, по сравнению с другими. Трехфазные двигатели вентильного типа, имеющие четное количество полюсов, стали хорошим вариантом для устройств, где требуется сочетание небольшой скорости и высокой мощности. Недостатками 3-фазных вентильных моторов является высокий уровень шума.
• 4-фазные . У таких двигателей значительно уменьшен момент вращения и пульсаций. Используются они достаточно редко, так как они имеют высокую стоимость.

Вентильные двигатели применяются во многих областях производства, например, на буровых установках, в системах охлаждения на химических заводах, на нефтяных скважинах.

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

Конструкция [ править ]

Конструктивно современные ВД состоят из электромеханической части (синхронной машины и датчика положения ротора) и из управляющей части (микроконтроллер и силовой мост). Упоминая о конструкции ВД, полезно иметь в виду и неконструктивный элемент системы — программу (логику) управления.

Синхронная машина, используемая в ВД, состоит из шихтованного (собранного из отдельных электрически изолированных листов электротехнической стали — для снижения вихревых токов) статора, в котором расположена многофазная (обычно двух- или трёхфазная) обмотка и ротора (обычно на постоянных магнитах).

В качестве датчиков положения ротора в БДПТ применяются датчики Холла, а в ВД — вращающиеся трансформаторы и накапливающие датчики. В т. н. «бездатчиковых» системах информация о положении определяется системой управления по мгновенным значениям фазных токов.

Информация о положении ротора обрабатывается микропроцессором, который, согласно программе управления, вырабатывает управляющие ШИМ-сигналы. Низковольтные ШИМ-сигналы микроконтроллера затем преобразуются усилителем мощности (обычно транзисторным мостом) в силовые напряжения, подаваемые на двигатель.

Совокупность датчика положения ротора и электронного узла в ВД и БДПТ можно с определённой долей достоверности сравнить с щёточно-коллекторным узлом ДПТ. Однако следует помнить, что двигатели редко применяются вне электропривода. Таким образом, электронная аппаратура характерна для ВД почти в той же степени, что и для ДПТ.

Статор [ править ]

Статор имеет традиционную конструкцию. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки, уложенной в пазы по периметру сердечника. Обмотка разбита на фазы, которые уложены в пазы таким образом, что пространственно сдвинуты друг относительно друга на угол, определяемый числом фаз. Известно, что для равномерного вращения вала двигателя машины переменного тока достаточно двух фаз. Обычно синхронные машины, применяемые в ВД, трёхфазные, однако встречаются также и ВД с четырёх- и шестифазными обмотками.

Ротор [ править ]

Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до шестнадцати пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов.

Для изготовления ротора раньше использовались ферритовые магниты, что определялось их распространённостью и дешевизной. Однако такие магниты характеризуются низким уровнем магнитной индукции. В настоящее время интенсивно используются магниты из сплавов редкоземельных элементов, поскольку они позволяют получить более высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.

Датчик положения ротора [ править ]

Датчик положения ротора (ДПР) реализует обратную связь по положению ротора. Его работа может быть основана на разных принципах — фотоэлектрическом, индуктивном, трансформаторном, на эффекте Холла и проч. Наибольшую популярность приобрели датчики Холла и фотоэлектрические датчики, обладающие низкой инерционностью и обеспечивающие малые запаздывания в канале обратной связи по положению ротора.

Обычно фотоэлектрический датчик, содержит три неподвижных фотоприёмника, между которыми находится вращающаяся маска с рисками, жёстко закреплённая на валу ротора ВД. Упрощённо датчик показан на рис. 1, где маска изображена серым цветом, а светодиоды — жёлтым. Таким образом, ДПР обеспечивает информацию о текущем положении ротора ВД для системы управления.

Система управления [ править ]

Система управления содержит микроконтроллер, контролирующий силовой инвертор согласно заданной программе управления. В качестве силовых ключей инвертора обычно применяют транзисторы MOSFET (ВД малых и средних мощностей) или IGBT (ВД средних и больших мощностей), реже тиристоры.

Основываясь на информации, полученной от ДПР, микроконтроллер формирует ШИМ-сигналы, которые усиливаются инвертором и подаются на обмотку синхронной машины.