Бесколлекторный двигатель постоянного тока принцип работы

Коллекторные и бесколлекторные электродвигатели постоянного тока. Устройство и принцип работы

Подписка на рассылку

• ВКонтакте
• Facebook
• ok
• Twitter
• YouTube
• Instagram
• Яндекс.Дзен
• TikTok

Трудно себе представить современное производство без различного оборудования и без электродвигателей, которые приводят его в действие. Исправная работа электродвигателя – гарантия качественного производственного процесса в любой промышленной отрасли.

Устройство электродвигателя постоянного тока таково, что он может работать только от постоянного тока. Данный вид электродвигателей разделяются на двигатели с коллектором и без него.

Коллекторный двигатель

Этот двигатель имеет коллектор, ротор, индуктор, статор, якорь, щетки. Ротор вращается, в отличие от статора, который неподвижен. Частью коллекторного устройства является индуктор, который создает магнитный поток и организует время, когда происходит возбуждение двигателя. Индуктор обладает обмоткой или магнитами. Якорь также является частью коллекторного двигателя. Частью устройства является пара щеток. Электрический ток, поступающий от источника питания, подходит к якорю через щетки. Изготавливают их из графита, хотя могут использоваться и другие материалы. Обычно коллекторные электродвигатели постоянного тока имеют две щетки, но, могут быть и исключения, когда используется несколько пар. Одну щетку соединяют с плюсом источника питания, а другая соединяется с минусом.Коллектор является частью двигателя, который непосредственно контактирует с парой щеток – вместе они распределяют электрический ток по якорным обмоточным катушкам.

Электродвигатель на постоянных магнитах имеет относительно невысокую стоимость и используется во многих промышленных сферах, поскольку имеют широчайший диапазон мощностей, начиная с сотых долей Ватта, заканчивая десятками МегаВатт. Большим размахом обладает и частота вращения.

Используют электродвигатель на постоянных магнитах в устройстве бытовой техники, часто его устанавливают и в детские игрушки.

Коллекторные электродвигатели используют там, где необходима высокая скорость рабочих элементов: пылесосы, миксеры и т.п.

Бесколлекторный двигатель

Этот вид двигателей появился на рынке сравнительно недавно. Они не имеют коллекторно-щеточного узла — это является большим преимуществом, поскольку такой двигатель не создает радиопомех.

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока обладает высоким КПД – намного выше, чем у коллекторного собрата. При этом намного проще устроена сама конструкция двигателя, так как в ней отсутствует узел со щетками. Более того, бесколлекторные моторы имеют очень низкую степень изнашивания.

Бесколлекторные двигатели имеют подшипники, что влияет на их стоимость – она несколько выше стоимости коллекторных собратьев.

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока обладает самосинхронизацией. В основе его работы лежит принцип частотного регулирования – оно происходит вследствие управления вектором (направлением) магнитного поля, создаваемое статором, на которое оказывает влияние место положения ротора.

Такое влияние возможно из-за того, что ротор не что иное, как постоянные магниты, которые создают постоянное магнитное поле, а индуктор находится на роторе, т.е. в зоне влияния поля. Обмотка якоря находится на статоре. В зависимости от положения ротора формируется напряжение, питающее обмотки двигателя. Контроллер осуществляет управление током при помощи широтно-импульсной модуляции, которая протекает через обмотки двигателя.

Бесколлекторные двигатели

Бесколлекторный 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. Данный тип двигателей был создан с целью улучшения свойств коллекторных электродвигателей постоянного тока.
Бесколлекторный двигатель объединяет в себе лучшие качества бесконтактных двигателей и двигателей постоянного тока.

FL42BLS

Крутящий момент 0.62

Скорость 4000 об/мин

FL57BLS

Крутящий момент 0.55

Скорость 4000 об/мин

FL86BLS

Крутящий момент 3.5

Скорость 3000 об/мин

FL57BLS-JB

Крутящий момент 3.5

Скорость 26.6 — 1333 об/мин

FL86BLS-JB

Крутящий момент до 50 кг×см

Скорость 20 — 1000 об/мин

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.

Тел: +7 (812) 716-28-88
Факс: +7 (812) 622-05-40

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

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.

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.

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.

— 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

— 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:

— 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:

— положение ротора определяется с помощью дифференциального АЦП;

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

Токовая перегрузка определяется с помощью АЦП или аналогового компаратора.

Поддерживаемые коммуникационные интерфейсы: TWI, SPI и УАПП.

Рекомендуемые микроконтроллеры: ATmega64, AT90PWM3.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока

В чем отличия бесколлекторных двигателей от синхронных двигателей с постоянными магнитами?

Конструктивно двигатели этих типов очень схожи друг с другом. Основные отличия в способах управления двигателями. Так, синхронные двигатели – это довольно большой класс двигателей, включающий в себя широкий спектр различных видов двигателей, в том числе и такие, которые работают напрямую от стандартной промышленной сети переменного тока, или, как например, синхронные сервоприводы, работают при подаче напряжения различной частоты, что требует применения специализированных блоков, преобразующих частоту.
Бесколлекторные двигатели работают только при подаче на свои обмотки синхронизированных напряжений специальной формы, что требует применения электронных модулей генерации и коммутации таких сигналов.

Еще одним различием является форма питающего напряжения. В отличии от синхронных двигателей, запитываемых синусоидальным напряжением, бесколлекторные двигатели способны работать от переменного напряжения сложной ступенчатой формы.

Особенности конструкции

В настоящее время доступны различные конструкции бесколлекторных двигателей, в зависимости от технологии изготовления обмоток существуют традиционные обмотки на сердечниках и полые обмотки цилиндрической формы.

Обмотки на сердечниках имеют большие, относительно полых цилиндрических обмоток, индуктивность, постоянную времени, момент инерции и момент магнитной фиксации, а также более низкий КПД.
Лишенные крупных металлических сердечников двигатели с полыми обмотками имеют лучшие динамические характеристики изменения тока, что позволяет более гибко управлять моментом. При этом следует учитывать, что такие двигатели требуют дополнительных мер по фильтрации пульсаций тока (применение крупногабаритных дросселей) в случае, если управление ими реализовано от контроллеров с широтно-импульсной модуляцией на низкой частоте.

Двигатель постоянного тока — это электрический двигатель, питание которого обеспечивает постоянный ток. Бесколлекторный вид ДПТ — это замкнутая система, состоящая из ротора с постоянными магнитами, выполненного медным проводом, и статора с трехфазной обмоткой, выполненного из нескольких сложенных вместе листов магнитопроводящей стали. Двигатель представляет собой синхронное устройство, принцип работы которого основан на вращении магнитного поля. Для создания такого поля на обмотку статора подается трехфазная система напряжения, которая может быть сформирована в различных формах и различными способами. Контроллер двигателя формирует питающие напряжения (коммутация обмоток).

Точное управление бесколлекторным двигателем предполагает правильную последовательность и частоту переключения отдельных секций обмоток. Обмотки поочередно подключаются к источнику постоянного напряжения и, после того, как ротор поворачивается по направлению вектора магнитного поля обмотки статора, происходит подключение напряжения к другой паре обмоток. После, вектор магнитного поля статора занимает другое положение, а вращение ротора продолжается. Для необходимой возможности непрерывного определения текущего положения ротора используется специальный датчик, наиболее распространенным вариантом является датчик Холла, а также используют энкодеры и резольверы. При правильном расположении датчиков на статоре, они реагируют на магнитное поле. На датчики должны воздействовать магниты ротора, а угол между датчиками должен быть равен 120° эл.

Виды бесколлекторных двигателей

На данный момент существует огромное множество вариантов бесколлекторных двигателей в виду возможности сборки разнообразных конструкций.

По исполнению статорной обмотки выделяют два типа конструкции:

• Зубцовая (Slotted)
• Сплошная (Slotless)

Изначально, бесколлекторные двигатели имели только зубцовую обмотку. Статор в таком двигателе изготовлен из сложенных вместе стальных пластин с прорезями, куда установлены медные обмотки. Такая конструкция характеризуется определенным моментом «фиксации» при старте, что делает движение резким, особенно на малых скоростях. Момент появляется из-за усилия постоянных магнитов в роторе совпасть с пазами статора. Достоинством такой обмотки является низкая стоимость двигателей в виду простоты технологии, что делает их основным выбором для применений, где плавная работа не является решающим фактором. В сплошной обмотке зубья отсутствуют, слои статора изготовлены из стальных колец, а обмотка сжата в эпоксидной смоле. Таким образом, мы получаем жесткую обмотку в зазоре между статором и ротором. Сплошная обмотка обеспечивает двигателю точное позиционирование и плавность движения. Кроме того, низкая индуктивность делает двигатели идеальными для применения с необходимостью высокого ускорения и быстрым динамическим откликом.

По взаимному расположению ротора и статора различают внутрироторные и внешнероторные двигатели. У конструкции с внешним ротором магниты расположены снаружи неподвижного статора с обмотками, вокруг которого они вращаются. Такое исполнение используется при необходимости получения двигателя с относительно большим моментом и невысокими оборотами. Вариант внутреннего исполнения обеспечивает большим КПД и высокими оборотами, но меньшим моментом инерции при аналогичном наружном диаметре двигателя. По конструкции магниты ротора находятся внутри статора с обмотками.

Отличия бесколлекторного ДПТ от других типов двигателей:

1. От коллекторных ДПТ

В бесколлекторном двигателе роль механического коммутатора выполняет электронный преобразователь, что исключает необходимость использования коллектора и щеток. Отказ от движущегося электрического контакта позволяет увеличить надежность и скорость работы двигателя. Данное нововведение также улучшает удельную мощность бесколлекторного двигателя, однако высокие скорости крайне редко находят применение.

2. От синхронных двигателей с постоянными магнитами

По своей структуре бесколлекторные двигатели схожи с синхронными. Тем не менее, в двигателях синхронного типа предполагается напряжение синусоидальной формы, бесколлектроные же не допускают питание переменным напряжением ступенчатой формы (блочная коммутация) и даже используют в номинальных режимах работы.

Когда нужен бесколлекторный двигатель?

В случаях, когда его характеристики имеют преимущество перед остальными. Сферы применения, требующие большие скорости вращения (свыше 1000 об/мин) или высокий срок службы двигателя не обходятся без бесколлекторного двигателя. Применение низкоскоростных двигателей с большим числом полюсов целесообразно при необходимости использования сборки из двигателя с редуктором. Скорость высокоскоростных бесколлекторных двигателей будет превышать предельную редуктора, не позволяя использовать мощность в полном объеме. Для максимально простого управления естественным выбором будет коллекторный ДПТ.

С другой стороны, датчик Холла у бесколлекторных ДПТ в виду своих ограничений не может работать при условиях повышенной радиации и высокой температуры. Радиационная стойкость и диапазон рабочих температур ограничен у стандартных моделей таких датчиков. При необходимости использования бесколлекторных двигателей в экстремальных условиях, датчик Холла заменяют более стойким аналогом, что увеличивает стоимость двигателя и сроки поставки.