Что такое бесколлекторный двигатель постоянного тока, как он устроен и работает

Определение

Двигатель постоянного тока называется коммутатором без коммутатора, ток в обмотках переключается с помощью специального устройства, называемого «драйвером» или «инвертором», а обмотки всегда расположены на статоре. Коммутатор состоит из 6 транзисторов, они подают ток на ту или иную обмотку, в зависимости от положения ротора.

В отечественной литературе такие двигатели называют «вентильными» (потому что полупроводниковые ключи называют «вентилями»), а по форме противоположной ЭДС такие электрические машины делятся на два типа. В зарубежной литературе такое различие сохранилось, один из них называется аналогично русскому «BLDC» (бесщеточный привод или двигатель постоянного тока), что дословно звучит как «бесщеточный двигатель постоянного тока», в их обмотках присутствует трапециевидная ЭДС. PMSM (синхронная машина с постоянным магнитом) — это название электродвигателя с синусоидальным клапаном EMF.

Устройство и принцип действия

Коллектор в PMSM служит точкой переключения тока в обмотках якоря. В безкоммутаторном двигателе постоянного тока (БДПТ) эту роль играют не щетки с ламелями, а коммутатор на полупроводниковых ключах — транзисторах. Транзисторы переключают обмотки статора, создавая вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с полем магнитов ротора. А когда ток течет по проводнику в магнитном поле, на него действует сила Ампера, в результате действия этой силы на вал электрической машины создается крутящий момент. На этом основан принцип работы любого электродвигателя.

Теперь разберемся, как устроен безколлекторный двигатель. На статоре двигателя постоянного тока обычно 3 обмотки, по аналогии с двигателями переменного тока их часто называют трехфазными. Отчасти это так: безколлекторные двигатели питаются от источника постоянного тока (чаще от батарей), но контроллер включает ток обмотки поочередно. Однако нельзя сказать, что через обмотки протекает переменный ток. Окончательная форма напряжения обмотки формируется прямоугольным импульсным управлением транзисторов.

Трехфазный безколлекторный двигатель может быть трехпроводным или четырехпроводным, где четвертый провод является ответвлением от центра (если обмотки соединены звездой).

Обмотки, или просто медная проволока, расположены в зубцах сердечника статора. Количество зубцов на статоре может варьироваться в зависимости от конструкции и назначения привода. Возможны различные варианты расположения фазных обмоток на зубцах ротора, как показано на рисунке ниже.

Обмотки каждого зубца в пределах одной фазы могут быть соединены последовательно или параллельно, в зависимости от мощности и крутящего момента проектируемого привода, а сами фазные обмотки соединены звездой или треугольником, как в трехфазных асинхронных или синхронных двигателях.

Датчики положения ротора могут быть установлены в статоре. Часто используются датчики Холла, которые подают сигнал контроллеру, когда на них действует магнитное поле магнитов ротора. Благодаря этому контроллер «знает» положение ротора и подает энергию на соответствующие обмотки. Это необходимо для повышения производительности, стабильности и, в общем, для выжатия из двигателя всей возможной мощности. Обычно устанавливается 3 датчика. Однако наличие датчиков усложняет конструкцию безколлекторного двигателя, к ним необходимо подвести дополнительные провода для линий питания и данных.

PDPT использует постоянные магниты, установленные на роторе для возбуждения, а статор является якорем. Напомним, что в коллекторных машинах все наоборот (ротор — это якорь), и для возбуждения в PDT используются как постоянные магниты, так и электромагниты (обмотки).

Магниты являются чередующимися полюсными наконечниками, поэтому количество магнитов определяет количество пар полюсов. Однако это не означает, что пар полюсов столько же, сколько магнитов. Несколько магнитов могут образовывать один полюс.Количество полюсов, как у асинхронного двигателя (и других), определяет количество оборотов в минуту. Таким образом, от одного драйвера при одной и той же настройке коллекторные двигатели с разным количеством пар полюсов будут вращаться с разной скоростью.

Виды БДПТ

А теперь давайте выясним, что такое некоммутаторные двигатели с постоянными магнитами. Классифицируются они по форме анти-ЭДС, конструкции, а также наличию датчиков положения ротора. Итак, существует два основных типа, которые различаются формой противоположной ЭДС, индуцируемой в обмотках при вращении ротора:

  • BLDC — имеют противоположную ЭДС трапециевидной формы;
  • PMSM — противоположная ЭДС синусоидальная.

В идеале для них требуются разные источники питания (драйверы), но на практике они взаимозаменяемы. Однако, если мы используем контроллер с прямоугольным или трапециевидным выходным напряжением с двигателем PMSM, мы услышим характерные звуки, похожие на стук при вращении.

Коллекторные двигатели постоянного тока по конструкции являются бесколлекторными:

  • С внутренним ротором. Это более знакомое представление электродвигателя, в котором статор представляет собой корпус, а вал внутри него вращается. Их часто называют английским словом «Inrunner». Эта версия обычно используется в высокоскоростных электродвигателях.
  • С внешним ротором. Здесь вращается внешняя часть мотора с прикрепленным к ней валом, в англоязычных источниках он называется «outrunner». Эта схема устройства используется, когда требуется высокий крутящий момент.

Конструкция выбирается в зависимости от того, какой безколлекторный двигатель нужен для конкретного применения.

Современная промышленность выпускает бесколлекторные двигатели с датчиками положения ротора и без них. Дело в том, что есть много способов управления PDPT, одни требуют датчиков положения, другие определяют положения на основе ЭДС в обмотках, третьи просто подают питание на соответствующие фазы, а сам электродвигатель синхронизируется с этой мощностью и входит в рабочий режим. .

Основные характеристики бесколлекторных двигателей постоянного тока:

  1. Режим работы — длительный или краткосрочный.
  2. Максимальное рабочее напряжение.
  3. Максимальный рабочий ток.
  4. Максимальная мощность.
  5. Максимальная скорость, которую часто называют не оборотами, а KV — r / V, то есть количеством оборотов на 1 вольт приложенного напряжения (без нагрузки на валу). Чтобы получить максимальное количество оборотов в минуту — умножьте это число на максимальное напряжение.
  6. Сопротивление обмотки (чем оно меньше, тем выше КПД) обычно составляет сотые или тысячные доли Ом.
  7. Угол опережения фазы (время) — время, по истечении которого ток в обмотке достигает своего максимума, это зависит от ее индуктивности и законов коммутации (ток в индуктивности не может измениться мгновенно.

Схема подключения

Как было сказано выше, для работы с безколлекторным двигателем необходим специальный драйвер. Комплекты с мотором и контроллером можно найти как на aliexpress, так и по отдельности. Контроллер также называется двигателем ESC или электрическим регулятором скорости. Их выбирают в зависимости от величины тока, подаваемого на нагрузку.

Обычно подключить электродвигатель к контроллеру несложно и понятно даже чайникам. Самое главное, что вам нужно знать — чтобы изменить направление вращения, вы должны изменить соединение любых двух фаз, что в основном такое же, как у трехфазных асинхронных или синхронных двигателей.

Также имеется ряд технических решений и схем, как сложных, так и для манекенов, которые можно увидеть ниже.

В этом видео автор рассказывает, как заставить работать мотор BC и ардуин.

А из этого видео вы узнаете о разных способах подключения к разным регуляторам и о том, как это можно сделать своими руками. Автор демонстрирует это на примере двигателя с HDD и нескольких сильных экземпляров — набегающей и взлетно-посадочной полосы.

Кстати, есть еще схема из фильма:

Где применяются бесколлекторные двигатели

Спектр применения таких электродвигателейон преждевременно широк. Они используются как для привода небольших механизмов: в приводах CD, DVD, жестких дисках, так и в мощных устройствах: аккумуляторных и сетевых электроинструментах (с напряжением питания около 12 В), радиоуправляемых моделях (например, квадрокоптерах), станках с ЧПУ для привода. рабочий орган (чаще всего моторы с номинальным напряжением 24В или 48В).

PDPT широко применяется в электротранспорте, практически все современные электродвигатели скутеров, велосипедов, мотоциклов и автомобилей бесколлекторные. Кстати, номинальное напряжение электродвигателей для транспорта находится в широком диапазоне, например, мотор-колесо для велосипеда часто работает от 36 В или 48 В, за редким исключением и более, а в таких автомобилях, как Toyota Prius около 120 В, а Nissan Leaf идет. до 400, с учетом зарядки от 220В (реализовано встроенным преобразователем).

На самом деле область применения бесколлекторных двигателей очень широка, отсутствие коллектора позволяет использовать их как во взрывоопасных, так и в местах с высокой проходимостью. влажность, отсутствие опасений коротких замыканий, искр или возгорания из-за дефектов щеточного узла. Благодаря высокому КПД и хорошим массогабаритным характеристикам они нашли применение и в космической промышленности.

Преимущества и недостатки

Как и другие электрические машины, безколлекторные двигатели постоянного тока имеют некоторые преимущества и недостатки.

Преимущества двигателя постоянного тока следующие:

  • Из-за возбуждения сильными постоянными магнитами (например, неодимовыми магнитами) они имеют лучший крутящий момент и мощность, а также меньшие размеры, чем асинхронные двигатели. Это решение используется большинством производителей электромобилей, от скутеров до автомобилей.
  • Нет узла искроуловителя, который требует регулярного обслуживания.
  • При использовании качественного контроллера, в отличие от того же компакт-диска, нет помех в шнуре питания, что особенно важно в радиоуправляемых устройствах и транспортных средствах с современным электронным оборудованием в бортовой сети.
  • КПД превышает 80, а часто и 90%.
  • Высокая скорость, в некоторых случаях до 100 000 об / мин.

Однако есть существенный недостаток: безкоммутаторный двигатель без драйвера — это просто кусок железа с медной обмоткой. Это никак не может работать. Контроллеры дорогие, их часто приходится заказывать в интернет-магазинах или на aliexpress. По этой причине не всегда можно использовать двигатели BC в бытовых моделях и приборах.

Теперь вы знаете, что такое бесщеточный двигатель постоянного тока, как он работает и где используется. Надеемся, что наша статья помогла вам разобраться во всех проблемах!