Устройство и принцип работы вентильного двигателя

Вентильный двигатель: устройство и принцип работы. Синхронный и асинхронный двигатель

Перевод электродвигателей с коллекторного узла управления на полупроводниковые устройства контроля позволил оптимизировать силовые агрегаты. Модернизация затронула и мощностные параметры, и конструкционные характеристики. Наиболее выраженным отличием стало уменьшение габаритов, что позволило использовать такие агрегаты в небольших по размерам приборах и установках. Типичным примером реализации бесколлекторного привода является вентильный двигатель, работающий в условиях постоянного тока. Он обеспечивает существенные технико-экономические преимущества в процессе эксплуатации, но не избавлен и от недостатков.

1. Основные технические особенности вентильных двигателей

Под вентильным двигателем понимают синхронный двигатель, содержащий многофазную обмотку статора, ротор с постоянными магнитами и встроенным датчиком положения. Коммутация такого двигателя осуществляется при помощи вентильного преобразователя. Поэтому его принято называть «вентильным».

По сути, вентильный двигатель с точки зрения метода коммутации представляет собой «инвертированный» вариант коллекторной машины постоянного тока. В вентильном двигателе индуктор находится на роторе, якорная обмотка на статоре. Коммутация осуществляется путем подачи управляющего согласованного воздействия на обмотки статора в зависимости от положения ротора, определяемого с помощью интегрированных в двигатель датчиков обратной связи.

Рис. 1. Структура вентильного двигателя:
1 – задняя крышка, 2 – печатная плата датчиков, 3 – датчики Холла,
4 – втулка подшипника, 5 – подшипник, 6 – вал,
7 – магниты ротора, 8 – изолирующее кольцо, 9 – обмотка,
10 – тарельчатая пружина, 11 – промежуточная втулка, 12 – изоляция,
13 – корпус, 14 – провода.

Рассмотрим структуру вентильного двигателя на примере семейства двигателей Faulhaber (рис. 1). В данном случае в основе ротора лежит двухполюсный магнит, статора трехфазная обмотка, положение ротора определяется с помощью интегрированных в двигатель датчиков Холла. В общем случае ротор может содержать другое количество пар полюсов, а статор иметь более традиционную конструкцию, внешне сходную со статором асинхронной машины. Наиболее распространен статор с тремя обмотками, соединенными «звездой» (реже в «треугольник») без вывода средней точки. Как известно, именно трехфазная структура является наиболее эффективной при минимуме числа обмоток.

При соединении обмоток «звездой» вентильный двигатель имеет большие постоянные момента и меньшие постоянные противо­ЭДС (при соотношении ?3) по сравнению с соединением «треугольником». Поэтому соединение «звездой» используется для управления осями, требующими больших моментов, а соединение «треугольником» – для больших скоростей.

В большинстве случаев обмотки статора выполняются без насыщения, т.е. противо­ЭДС обмоток имеет синусоидальную форму. Такие двигатели зачастую называют AC brushless motor в отличие от DC brushless motor, обмотки статора которого выполняются с насыщением. Такое насыщение в DC brushless motor предназначено для снижения пульсаций тока (и соответственно момента) при применении трапецеидальной коммутации.

Но иногда термин DC brushless motor используют для двигателей с питанием через инвертор от сети постоянного тока, что не совсем корректно.

Обычно количество пар полюсов, определяемое количеством пар магнитов ротора и определяющее соотношение механического и электрического оборотов, равно 4…8. Статор может быть выполнен с железным (iron core) или безжелезным (ironless) сердечником. Конструкция статора с безжелезным сердечником обеспечивает отсутствие силы притяжения магнитов ротора и железа статорной обмотки (magnetic attraction) и зубцового эффекта (cogging), но снижает незначительно (на 10…20%) эффективность двигателя изза меньших значений постоянной момента.

Одно из самых очевидных преимуществ ротора с постоянными магнитами состоит в уменьшении диаметра ротора и, как следствие, в уменьшении момента инерции ротора. Технологически магниты могут быть встроены в ротор или расположены на его поверхности. Но пониженный момент инерции зачастую приводит к малым значениям соотношения момента инерции двигателя и приведенного к его валу момента инерции нагрузки (mismatch ratio), усложняющему настройку привода. Поэтому ряд производителей предлагает наряду со стандартным и повышенный – в 2…4 раза – момент инерции ротора.

Аверс покупка электродвигателей б/у и пришедших в негодность.

Устройство и принцип работы простейшего электродвигателя

Электродвигатель – это просто устройство для эффективного преобразования электрической энергии в механическую.

В основе этого преобразования лежит магнетизм. В электродвигателях используются постоянные магниты и электромагниты, кроме того, используются магнитные свойства различных материалов, чтобы создавать эти удивительные устройства.

См.страницу:Разведка копа заброшенных железных дорогах Москвы.

Таблица обмоток электродвигателей как разобраться? СМОТРИ ТУТ.

Существует несколько типов электродвигателей. Отметим два главных класса: AC и DC.

Электродвигатели класса AC (Alternating Current) требуют для работы источник переменного тока или напряжения (такой источник Вы можете найти в любой электрической розетке в доме).

Электродвигатели класса DC (Direct Current) требуют для работы источник постоянного тока или напряжения (такой источник Вы можете найти в любой батарейке).

Универсальные двигатели могут работать от источника любого типа.

Не только конструкция двигателей различна, различны способы контроля скорости и вращающего момента, хотя принцип преобразования энергии одинаков для всех типов.

Электродвигатели используются повсюду. Даже дома вы можете обнаружить огромное количество электродвигателей. Электродвигатели используются в часах, в вентиляторе микроволновой печи, в стиральной машине, в компьютерных вентиляторах, в кондиционере, в соковыжималке и т. д. и т. п. Ну а электродвигатели, применяемые в промышленности, можно перечислять бесконечно. Диапазон физических размеров – от размера со спичечную головку до размера локомотивного двигателя.

Показанный ниже промышленный электродвигатель работает и на постоянном, и на переменном токе. Его статор – это электромагнит, создающий магнитное поле. Обмотки двигателя поочередно подключаются через щетки к источнику питания. Одна за другой они поворачивают ротор на небольшой угол, и ротор непрерывно вращается.

Простейший электродвигатель

Простейший электродвигатель

Простейший электродвигатель работает только на постоянном токе (от батарейки). Ток проходит по рамке, расположенной между полюсами постоянного магнита. Взаимодействие магнитных полей рамки с током и магнита заставляет рамку поворачиваться. После каждого полуоборота коллектор переключает контакты рамки, подходящие к батарейке, и поэтому рамка вращается.

Типы электродвигателей

Электродвигатели, в настоящее время, это непременная составляющая любого производства. В коммунальном хозяйстве и в быту они тоже применяются очень часто. Например, это вентиляторы, кондиционеры, насосы для отопления и т.д. Поэтому, современному электрику необходимо хорошо разбираться в типах и устройстве этих агрегатов.

Итак, перечислим наиболее часто встречающиеся типы электродвигателей:

1. Электродвигатели постоянного тока, с якорем на постоянных магнитах;

2. Электродвигатели постоянного тока, с якорем, имеющим обмотку возбуждения;

3. Синхронные двигатели переменного тока;

4. Асинхронные двигатели переменного тока;

6. Линейные асинхронные двигатели;

7. Мотор-ролики, т.е. ролики, внутри которых расположены электродвигатели с редукторами;

8. Вентильные электродвигатели.

Электродвигатели постоянного тока

Этот тип двигателей ранее применялся очень широко, но в настоящее время он почти полностью вытеснен асинхронными электродвигателями, по причине сравнительной дешевизны применения последних. Новым направлением в развитии двигателей постоянного тока являются вентильные двигатели постоянного тока с якорем на постоянных магнитах.

В соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) электродвигатели постоянного тока допускается использовать только в тех случаях, когда электродвигатели переменного тока не обеспечивают требуемых характеристик приводимых механизмов либо неэкономичны.

Синхронные двигатели

Синхронные электродвигатели часто применяются для различных видов привода, работающего с постоянно скоростью, т.е. для вентиляторов, компрессоров, насосов, генераторов постоянного тока и т.д. Это двигатели мощностью 20 – 10000 кВт, для скоростей вращения 125 – 1000 об/мин.

Двигатели отличаются от генераторов конструктивно наличием на роторе, необходимой для асинхронного пуска ,дополнительной короткозамкнутой обмотки, а также относительно меньшим зазором между статором и ротором.

У синхронных двигателей к.п.д. выше, а масса на единицу мощности меньше, чем у асинхронных на ту же скорость вращения. Ценной особенностью синхронного двигателя по сравнению с асинхронным является возможность регулирования его реактивного тока, т.е. cosφ за счет изменения тока возбуждения обмотки якоря. Таким образом, можно сделать cosφ близким к единице во всех диапазонах работы и, тем самым, поднять кпд и снизить потери в электросети.

Асинхронные двигатели

В настоящее время, это наиболее часто используемый тип двигателей. Асинхронный двигатель — это двигатель переменного тока, частота вращения ротора которого ниже частоты вращения магнитного поля, создаваемого статором.

Меняя частоту и скважность подводимого к статору напряжения, можно менять скорость вращения и момент на валу двигателя. Наиболее часто используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Ротор выполняется из алюминия, что снижает его вес и стоимость.

Основные достоинства таких двигателей – это низкая цена и малый вес. Ремонт электродвигателей такого типа относительно прост и дешев.

Основные недостатки – это малый пусковой момент на валу и большой пусковой ток в 3-5 раз превышающий рабочий. Еще один большой недостаток асинхронного двигателя – это низкий кпд в режиме частичных нагрузок. Например, при нагрузке в 30% от номинальной, кпд может падать с 90% до 40-60%!

Основной способ борьбы с недостатками асинхронного двигателя – это применение частотного привода. Частотный привод преобразует напряжение сети 220/380В в импульсное напряжение переменной частоты и скважности. Тем самым удается в широких пределах менять частоту оборотов и момент на валу двигателя и избавиться практически от всех его врожденных недостатков. Единственная «ложка дегтя» в этой «бочке меда», это высокая цена частотного привода, но на практике все затраты окупаются в течение года!

Серводвигатели

Эти двигатели занимают особую нишу, они применяются там, где требуются прецизионные изменения положения и скорости движения. Это космическая техника, роботостроение, станки с ЧПУ и т.д.

Такие двигатели отличаются применением якорей малого диаметра, т.к. малый диаметр это малый вес. За счет малого веса удается добиться максимального ускорения, т.е. быстрых перемещений. Эти двигатели обычно имеют систему датчиков обратной связи, что позволяет увеличить точность движения и реализовать сложные алгоритмы перемещений и взаимодействия различных систем.

Линейные асинхронные двигатели

Линейный асинхронный двигатель создает магнитное поле, которое перемещает пластину в двигателе. Точность перемещения может составлять 0.03 мм на один метр перемещения, что в три раза меньше толщины человеческого волоса! Обычно пластина (ползун) прикрепляется к механизму, который должен передвигаться.

Такие двигатели имеют очень большую скорость перемещения (до 5 м/с), а следовательно высокую производительность. Скорость перемещения и шаг можно менять. Так как в двигателе минимум движущихся частей, он имеет высокую надежность.

Мотор-ролики

Конструкция таких роликов довольно проста: внутри ведущего ролика находится миниатюрный электродвигатель постоянного тока и редуктор. Мотор ролики применяются на различных конвейерах и сортировочных линиях.

Преимущества мотор-роликов – это низкий уровень шума, более высокий кпд по сравнению с внешним приводом, мотор-ролик практически не нуждается в техобслуживании, поскольку он работает только когда нужно переместить конвейер, его ресурс очень большой. Когда такой ролик выйдет из строя, его можно заменить другим за минимальное время.

Вентильные электродвигатели

Вентильным называют любой двигатель, в котором регулирование режимов работы производится с помощью полупроводниковых (вентильных ) преобразователей. Как правило, это синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов. Статор двигателя управляется при помощи инвертора с микропроцессорным управлением. Двигатель оснащен системой датчиков, для осуществления обратной связи по положению, скорости и ускорению.

Основные достоинства вентильных электродвигателей это:

1. Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания,

2. Высокий ресурс;

3. Большой пусковой момент и большая перегрузочная способность по моменту в (5 и более раз);

4. Высокое быстродействие по переходным процессам;

5. Огромный диапазон регулировок по частоте вращения 1:10000 и более, что минимум на два порядка выше, чем у асинхронных двигателей;

6. Самые лучшие показатели по КПД и cosφ, их КПД на всех нагрузках превышает 90%. В то время, как у асинхронных двигателей КПД на половинных нагрузках может падать до 40-60%!

7. Минимальные токи холостого тока и пусковые токи;

8. Минимальные массогабаритные показатели;

9. Минимальные сроки окупаемости.

По конструктивным особенностям такие двигатели делятся на два основных типа: бесконтактные двигатели постоянного и переменного токов.

Главным направлением совершенствования вентильных электродвигателей в настоящий момент является разработка адаптивных бездатчиковых алгоритмов управления. Это позволит снизить себестоимость и повысить надежность таких приводов.

В такой маленькой статье, конечно, невозможно отразить все аспекты развития систем электропривода, т.к. это очень интересное и быстроразвивающееся направление в технике. Ежегодные электротехнические выставки наглядно демонстрируют постоянный рост количества фирм, стремящихся освоить это направление. Лидеры этого рынка как всегда Siemens AG, General Electric, Bosch Rexroth AG, Ansaldo, Fanuc и др.

Работа электродвигателя постоянного тока

Под токосъемником простейшего двигателя две секции. Выродился барабан коллектора. Каждая контактная ламель (пластинка на валу) занимает половину оборота. Одна щетка снабжается положительным потенциалом, вторая – отрицательным, сообразно меняется направление магнитного поля полюсов. Активными в каждый момент времени являются два (в описанной выше конструкции). Статора может формироваться постоянным электрическим полем, либо металлическим магнитом. Последнее применяется детскими машинками.

Как работает электродвигатель постоянного тока. Допустим, в начальный момент времени обмотки расположены так, как показано на рисунке. В нашем примере полюсов уже не два, как обсуждали выше, – три. Минимальное число для стабильного запуска электрического двигателя постоянного тока в нужном направлении. Обмотки соединены схемой звезды, у каждой пары одна общая точка. Напряженность поля формирует два полюса отрицательных, один положительный. Постоянный магнит стоит, как показано рисунком.

Упрощенный рисунок случая постоянного тока

Каждую треть оборота происходит перераспределение поля так, что полюса сдвигаются согласно изменению напряжения питания на ламелях. На второй эпюре видим: номера обмоток сдвинулись, картина в пространстве осталась. Залог стабильности: один полюс притягивается к постоянному магниту, второй отталкивается. Если нужно получить реверс, меняется полярность подключения батарейки (аккумулятора). В результате получается два положительных полюса, один отрицательный. Вал станет двигаться против часовой стрелки.

Полагаем, принцип действия электродвигателя постоянного тока теперь понятен. Добавим, сегодня распространены двигатели вентильного типа. Многие задумались заставить поля чередоваться на статоре, ротор представлял бы постоянный магнит. В первом приближении двигатель вентильного типа. Постоянный ток подается на нужные обмотки статора через коммутируемые ключи-тиристоры. В результате создается нужное распределение поля.

Преимущества схемы в снижении количества трущихся частей, являющихся причиной необходимости обслуживания, ремонта. Тиристорный блок управления достаточно сложный. Допускается организовать коммутацию при помощи ламелей. Одновременно конструкция послужит грубым датчиком положения вала (плюс минус расстояние между контактными площадками оси вала). Вентильные двигатели не новы. Широко применяются специфическими отраслями. Помогают точно выдержать частоту вращения. В быту вентильные двигатели найти сложно. Некое подобие можно лицезреть в стиральной машине. Речь о помпе слива воды (ротор магнитный, только ток переменный).

Технические характеристики электродвигателей постоянного тока лучше, нежели при питании переменным током. Класс устройств широко применяется. Чаще электродвигатели постоянного тока используются при питании батареями различного рода. Когда нет выбора. Преимущества схемы питания позволят аккумуляторам дольше продержаться.

Обмотки статора, ротора включают последовательно, параллельно. Последнее применяется при нагруженном в исходном состоянии валу. Наблюдается резкое повышение оборотов, может привести к негативным последствиям, если ротор слишком легко идет. Упоминали о подобных тонкостях в теме конструирования двигателей своими руками.

Преимущества и недостатки

В сравнении с другими типами электрических машин, вентильный двигатель имеет ряд качественных отличий, дающих ему как выгодное, превосходство, так и определенные недостатки.

К преимуществам вентильных двигателей относят:

• Относительно небольшая величина магнитных потерь из-за отсутствия постоянно действующего поля, как в классических синхронных и асинхронных электродвигателях.
• Обеспечивает безопасное вращение даже с максимальной нагрузкой, в отличии от коллекторных электродвигателей.
• За счет встроенного преобразователя частоты коммутация вентильного преобразователя обеспечивает широкий спектр скоростей вращения, которые отличаются плавным переходом от одной к последующей.
• Хорошая динамика работы и точность позиционирования, способная создать конкуренцию шаговым двигателям.
• Относительно большая степень надежности и длительный срок эксплуатации без обслуживания за счет отсутствия скользящего контакта, в отличии от коллекторных двигателей.
• Может применяться во взрывоопасной среде, в отличии от электродвигателей постоянного и переменного тока со щетками.

К недостаткам вентильных агрегатов следует отнести их высокую себестоимость, наличие дополнительных элементов, усложняющих последующую эксплуатацию. Также существенным минусом считается сложность управления и задания логики перемещения рабочих органов трехфазных бесколлекторных двигателей в соответствии с меняющимися факторами производственного процесса.

Устройство электроинструмента для начинающих мастеров

У всех электрических инструментов есть двигатели и редукторы. В сочетании с устройствами, отвечающими за управление, и деталями для обеспечения безопасности они составляют принципиальную схему каждого электроинструмента. Для удобства работы с ручной электрической машиной она должна быть как можно более лёгкой и компактной. Таким требованиям лучше всего соответствует аппаратура, использующая постоянный ток.

Двигатели

Подобные двигатели могут быть как коллекторными, так и вентильными. В первых обязательно присутствие индуктора (статора) и якоря (ротора). Ещё одна необходимая деталь — графитовые щётки для электроинструмента. Их задачей является соединение внешней цепи и якорной обмотки.

Статор и ротор

На статоре — неподвижной стальной детали — находятся обмотки прикреплённых к нему главных и добавочных полюсов. Главные предназначены для создания магнитного поля, а добавочные — для улучшения работы двигателя.

Ротор вращается на валу, где он установлен. Основные составляющие ротора — сердечник и обмотка, которая соединена концами с коллекторными пластинами. Благодаря тесному примыканию щёток к коллектору соединяются якорная обмотка и внешняя цепь. Положение щёток — строго определённое относительно полюсов.

В основе механизма работы каждого электроинструмента лежит электромагнитная индукция. С подачей напряжения происходит замыкание графитовых щёток и ротора. Роторная обмотка начинает проводить электроток, находясь в магнитном поле, которое генерирует статор. Следовательно, ротор подвергается действию сил Ампера, противоположно направленных на его оконечностях. Это является причиной возникновения крутящего момента. При повороте на 180° момент исчезает. Чтобы он вновь возник, ток должен поменять своё направление. Это происходит при скольжении щёток по поверхностям пластин — с одной на другую.

Недостатки коллекторных и вентильных двигателей

Недостатками коллекторного двигателя являются быстрый износ графитовых щёток и сильная вибрация при работе.

В вентильном двигателях щётки отсутствуют. Изменение тока в них осуществляется электронными переключателями. Меняются и функции частей двигателя — используются роторные магниты и обмотка статора. Ток перенаправляется с помощью датчика, регистрирующего угловое положение роторного механизма.

Единственный недостаток вентильных электроинструментов — высокая цена их деталей. Поэтому данный принцип используется редко — в основном в некоторых моделях шуруповёртов производства Hitachi и Makita. Большинство остальных инструментов оснащено коллекторными двигателями.

Редуктор

Вырабатываемая в процессе электромагнитной индукции энергия передаётся на шпиндель электроинструмента через редуктор — передаточный механизм. Понижая количество оборотов, редуктор является причиной дальнейшего повышения крутящего момента. Такие передачи бывают планетарными, цепными, зубчатыми, ремёнными и т.д. Передавая энергию на выход, редукторы в большей частью заставляют рабочую поверхность вращаться. Однако в перфораторах «пьяный» подшипник преобразует вращательное движение в поступательное, а в шлифмашинах вращение подошвы с помощью эксцентрика частично преобразуется в колебание.

В новейших электрических инструментах редуктор может обладать важной функцией — переключением скоростей. Происходит это потому, что выходной вал ступенчато изменяет свою частоту вращения. Двух- или трёхскоростные модели могут демонстрировать большее число оборотов, чем электроинструменты с одной скоростью.

Устройство управления, регулирующее скорость оборотов, представляет собой либо совокупность реле для регулирования вручную, либо магнитные пускатели, кнопка которых изменяет направление вращения.

Все детали электрических инструментов в соответствии с требованиями техники безопасности должны быть тщательно изолированы.

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Применение

Благодаря высокой надёжности и хорошей управляемости вентильные двигатели применяются в широком спектре приложений: от компьютерных вентиляторов и CD/DVD-приводов до роботов и космических ракет.

Широкое применение ВД нашли в промышленности, особенно в системах регулирования скорости с большим диапазоном и высоким темпом пусков, остановок и реверса; авиационной технике, автомобильном машиностроении, биомедицинской аппаратуре, бытовой технике и пр. Также этот тип двигателей широко распространен в силовых приводах для моделей, а также на различных БПЛА, к примеру квадрокоптерах.