Бесщеточные двигатели постоянного тока

Содержание

Принцип работы БДКП

В бесколлекторном электродвигателе роль механического коммутатора выполняет электронный преобразователь. Это позволяет осуществить «вывернутая наизнанку» схема БДКП — его обмотки расположены на статоре, что исключает необходимость в коллекторе.

Иными словами, основное принципиальное различие между классическим двигателем и БДКП в том, что вместо стационарных магнитов и вращающихся катушек последний состоит из неподвижных обмоток и вращающихся магнитов. Несмотря на то что сама коммутация в нём происходит похожим образом, её физическая реализация в бесщёточных приводах гораздо более сложна.

Преимущества использования

Изготовить своими руками бесколлекторный электродвигатель сложно, а реализовать микроконтроллерное управление практически невозможно. Поэтому лучше всего использовать готовые промышленные образцы.

Но обязательно учитывайте достоинства, которые получает привод при использовании бесколлекторных электродвигателей:

Существенно больший ресурс, нежели у коллекторных машин.
Высокий уровень КПД.
Мощность выше, нежели у коллекторных моторов.
Скорость вращения набирается намного быстрее.
Во время работы не образуются искры, поэтому их можно использовать в условиях с высокой пожарной опасностью.
Очень простая эксплуатация привода.
При работе не нужно использовать дополнительные компоненты для охлаждения.

Применение

Области применения БДТП следующие:

создание моделей;
медицина;
автомобилестроение;
нефтегазовая промышленность;
бытовые приборы;
военная техника.

Использование БД для авиамоделей дает значительное преимущество по мощности и габаритам. Сравнение обычного коллекторного двигателя типа Speed-400 и БДТП того же класса Astro Flight 020 показывает, что двигатель первого типа имеет кпд 40-60%. Кпд второго двигателя в тех же условиях может достигать 95%. Таким образом, использование БД позволяет увеличить почти в 2 раза мощность силовой части модели или время ее полета.

Благодаря малому шуму и отсутствию нагревания при работе БДПТ широко используются в медицине, особенно в стоматологии.

В автомобилях такие двигатели используются в подъемниках стекол, электростеклоочистителях, омывателях фар и электрорегуляторах подъема кресел.

Отсутствие коллектора и искрения щеток позволяет использовать БД в качестве элементов запорных устройств в нефтегазовой промышленности.

В качестве примера использования БД в бытовой технике можно отметить стиральную машину с прямым приводом барабана компании LG. Эта компания использует БДТП типа Outrunner. На роторе двигателя имеется 12 магнитов, а на статоре – 36 катушек индуктивности, которые намотаны проводом диаметром в 1 мм на сердечники из магнитопроводящей стали. Катушки соединены последовательно по 12 штук в фазе. Сопротивление каждой фазы равно 12 Ом. В качестве датчика положения ротора используется датчик Холла. Ротор двигателя крепится к баку стиральной машины.

Повсеместно данный двигатель используется в жестких дисках для компьютеров, что делает их компактными, в CD и DVD приводах и системах охлаждения для микро-электронотехнических устройств и не только.

Наряду с БД малой и средней мощности в промышленности с тяжелыми условиями работы, судовой и военной промышленностях все больше используются большие БДПТ.

БД большой мощности разработаны для американских ВМС. Например, компания Powertec разработала БДТП мощностью 220 кВт со скоростью в 2000 об/мин. Момент двигателя достигает 1080 Нм.

Кроме указанных областей, БД применяются в проектах станков, прессов, линий для обработки пластмасс, а также в ветроэнергетике и использовании энергии приливных волн.

Характеристики

Основные характеристики двигателя:

номинальная мощность;
максимальная мощность;
максимальный ток;
максимальное рабочее напряжение;
максимальные обороты (или коэффициент Kv);
сопротивление обмоток;
угол опережения;
режим работы;
габаритно-массовые характеристики двигателя.

Основным показателем двигателя является его номинальная мощность, то есть мощность, вырабатываемая двигателем в течение длительного времени его работы.

Максимальная мощность – это мощность, которую может отдать двигатель в течение кратковременного отрезка времени, не разрушаясь. Например, для упомянутого выше бесколлекторного двигателя Astro Flight 020 она равна 250 Вт.

Максимальный ток. Для Astro Flight 020 он равен 25 А.

Максимальное рабочее напряжение – напряжение, которое могут выдержать обмотки двигателя. Для Astro Flight 020 задан диапазон рабочих напряжений от 6 до 12 В.

Максимальное число оборотов двигателя. Иногда в паспорте указывается коэффициент Kv – число оборотов двигателя на один вольт. Для Astro Flight 020 Kv= 2567 об/В. В этом случае максимальное число оборотов можно определить умножением этого коэффициента на максимальное рабочее напряжение.

Обычно сопротивление обмоток для двигателей составляет десятые или тысячные доли Ома. Для Astro Flight 020 R= 0,07 Ом. Это сопротивление влияет на кпд БДПТ.

Угол опережения представляет собой опережение переключения напряжений на обмотках. Оно связано с индуктивным характером сопротивления обмоток.

Режим работы может быть длительным или кратковременным. При долговременном режиме двигатель может работать длительное время. При этом выделяемое им тепло полностью рассеивается и он не перегревается. В таком режиме работают двигатели, например, в вентиляторах, конвейерах или эскалаторах. Кратковременный режим используется для таких устройств, как например, лифт, электробритва. В этих случаях двигатель работает короткое время, а затем долгое время остывает.

В паспорте на двигатель приводятся его размеры и масса. Кроме того, например, для двигателей, предназначенных для авиамоделей, приводятся посадочные размеры и диаметр вала. В частности, для двигателя Astro Flight 020 приведены следующие характеристики:

длина равна 1,75”;
диаметр равен 0,98”;
диаметр вала равен 1/8”;
вес равен 2,5 унции.

Выводы:

В моделировании, в различных технических изделиях, в промышленности и в оборонной технике используются БДПТ, в которых вращающееся магнитное поле формируется электронной схемой.
По своей конструкции БДПТ могут быть с внутренним (inrunner) и внешним (outrunner) расположением ротора.
По сравнению с другими двигателями БДПТ имеют ряд преимуществ, основными из которых являются отсутствие щеток и искрения, большой кпд и высокая надежность.

Трехфазные бесколлекторные электродвигатели

Очень много бесколлекторных электродвигателей для авиамоделей выполняется под питание постоянным током.

Но существуют и трехфазные экземпляры, в которых устанавливаются преобразователи.

Они позволяют из постоянного напряжения сделать трехфазные импульсы.

Работа происходит следующим образом:

На катушку «А» поступают импульсы с положительным значением. На катушку «В» — с отрицательным значением. В результате этого якорь начнет двигаться. Датчики фиксируют смещение и подаётся сигнал на контроллер для осуществления следующей коммутации.
Происходит отключение катушки «А», при этом импульс положительного значения поступает на обмотку «С». Коммутация обмотки «В» не претерпевает изменений.
На катушку «С» попадается положительный импульс, а отрицательный поступает на «А».
Затем вступает в работу пара «А» и «В». На них и подаются положительные отрицательные значения импульсов соответственно.
Затем положительный импульс опять поступает на катушку «В», а отрицательный на «С».
На последнем этапе происходит включение катушки «А», на которую поступает положительный импульс, и отрицательный идет к С.

И после этого происходит повтор всего цикла.

Варианты конструкции [ править ]

В этом разделе не процитировать любые источники . Пожалуйста, помогите улучшить этот раздел , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален . ( Май 2018 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Схема для стилей намотки треугольником и звездой. (Это изображение не иллюстрирует индуктивные и генераторные свойства двигателя)

Бесщеточные двигатели могут быть сконструированы в нескольких различных физических конфигурациях: В «традиционной» (также известной как внутренняя ) конфигурация постоянные магниты являются частью ротора. Ротор окружен тремя обмотками статора. В конфигурации внешнего ротора (или внешнего ротора) радиальное соотношение между катушками и магнитами обратное; Катушки статора образуют центр (сердечник) двигателя, в то время как постоянные магниты вращаются внутри выступающего ротора, который окружает сердечник. Плоский или осевой тип потокаиспользуется там, где есть ограничения по пространству или форме, в нем используются пластины статора и ротора, установленные лицом к лицу. У аутраннеров обычно больше полюсов, они объединены в три группы для поддержания трех групп обмоток и имеют более высокий крутящий момент на низких оборотах. Во всех бесщеточных двигателях катушки неподвижны.

Существуют две распространенные конфигурации электрических обмоток; конфигурация треугольника соединяет три обмотки друг с другом ( последовательные цепи ) в треугольную схему, и питание подается на каждое из соединений. Конфигурация звезда ( Y- образная), иногда называемая звездообразной обмоткой, соединяет все обмотки с центральной точкой ( параллельные цепи ), и питание подается на оставшийся конец каждой обмотки.

Двигатель с обмотками в треугольной конфигурации дает низкий крутящий момент на низкой скорости, но может дать более высокую максимальную скорость. Конфигурация «звезда» обеспечивает высокий крутящий момент на низкой скорости, но не такую высокую максимальную.

Хотя на эффективность сильно влияет конструкция двигателя, звездообразная обмотка обычно более эффективна. В обмотках, соединенных треугольником, половинное напряжение прикладывается к обмоткам, прилегающим к ведомому выводу (по сравнению с обмоткой непосредственно между ведомыми выводами), увеличивая резистивные потери. Кроме того, обмотки могут позволить паразитным электрическим токам высокой частоты полностью циркулировать внутри двигателя. Обмотка, соединенная звездой, не содержит замкнутого контура, в котором могут протекать паразитные токи, предотвращая такие потери.

С точки зрения контроллера, два стиля обмоток обрабатываются одинаково.

Достоинства и недостатки

По сравнению с обычными двигателями БДПТ имеют следующие достоинства:

большой кпд;
высокое быстродействие;
возможность изменения частоты вращения;
отсутствие искрящих щеток;
малые шумы, как в звуковом, так и высокочастотном диапазонах;
надежность;
способность противостоять перегрузкам по моменту;
отличное соотношение габаритов и мощности.

Бесколлекторный двигатель отличается большим кпд. Он может достигать 93-95%.

Высокая надежность механической части БД объясняется тем, что в нем используются шарикоподшипники и отсутствуют щетки. Размагничивание постоянных магнитов происходит довольно медленно, особенно, если они выполнены с использованием редкоземельных элементов. При использовании в контроллере защиты по току срок службы этого узла довольно высок. Фактически срок службы БДПТ может определяться сроком службы шарикоподшипников.

Недостатками БДПТ является сложность системы управления и высокая стоимость.

Что такое бесщеточный мотор?

Un бесщеточный двигатель или бесщеточный двигатель, Это обычный и современный электродвигатель, но в нем не используются щетки для изменения полярности двигателя. Это позволяет избежать некоторых технических проблем и их замены. Вот почему это используется в качестве заявления, хотя это правда, что это несколько сомнительное заявление, поскольку большинство современных двигателей обычно бесщеточные.

Los
старые электродвигатели Да, раньше у них были щетки этого типа, некоторые элементы, которые трутся и, следовательно, снижают производительность двигателя из-за трения, создают более высокую температуру, износ, шум и требуют этого обслуживания для очистки углеродной пыли, образующейся внутри двигателя (которая может не только мешать работе, но также может быть токопроводящим и вызывать проблемы с электричеством) и заменять изношенные щетки.

Именно поэтому были разработаны первые бесщеточные двигатели. Первый в области асинхронные двигатели переменного тока, а позже мы перешли к другим двигателям, таким как DC, которые больше всего интересуют нас в этом блоге.

Хотя изначально они были новыми и более дорогими Развитие технологий и электроники сделало возможным экономичное производство. Однако его контроль может быть несколько сложнее. Хотя регуляторы скорости ESC устранили эти проблемы …

В настоящее время двигатели переменного тока присутствуют в множество команд бытовые и промышленные, а также транспортные средства и т. д. Что касается CC, вы также можете найти их в устройствах чтения оптических дисков, компьютерных фанатах, дронах, роботах и т. Д.

Детали бесщеточного двигателя и работа

Правда в том, что части бесщеточного двигателя довольно просты. Со статором с магнитными экранами, описанными в статье об электродвигателях, и ротором, который будет вращаться за счет импульса магнитного поля.

Перо способ управлять ими да, он немного отличается от других щеточных двигателей постоянного и переменного тока. Однако многие принципы работы и функции останутся прежними.

Чтобы упростить задачу, ESC (Электронный регулятор скорости), то есть контроллеры, позволяющие изменять полярность обмоток бесщеточного двигателя для управления вращением. Они позволяют легко управлять ШИМ, с микроконтроллерами вроде того, что на плате Arduino.

Модули ESC имеют электронные элементы, способные воздействовать на двигатель, не доставляя особых проблем пользователю. В зависимости от типа двигателя и мощности вам понадобится тот или иной тип водитель, как мы уже анализировали в других статьях.

Помните, что вы даже можете использовать МОП-транзисторы позаботиться об этом, если у вас нет их модуля. В основном драйвер или ESC — это схема, которая позволяет менять полярность транзисторов для изменения полярности питания двигателя благодаря транзисторам, которые его составляют.

преимущество

Между преимущества из бесщеточного мотора выделяется:

Лучшее соотношение скорости и момента. Следовательно, вы можете извлечь из них больше производительности.
Лучшая динамическая реакция.
Повышенная энергоэффективность для экономии энергии

Особенно важно для устройств с батарейным питанием.
Меньше перегрева. Нет необходимости в дополнительных системах рассеивания или чрезмерном износе.
Более прочный, так как не требует особого ухода, не имеет трения и износа.
Меньше шума

Они намного тише, ничего не трогая.
Более высокая скорость, идеально подходит для приложений, где это важно, например для гоночных дронов.
Компактный Несмотря на имеющийся у них крутящий момент, они при прочих равных значительно компактнее щеточных двигателей.
Без обслуживания. У вас не будет несвоевременных остановок из-за износа щеток, вам не придется покупать запасные части, убирать образующуюся пыль и т. Д.

недостатки

Конечно, бесщеточные двигатели хороши не во всем. У них есть свои малыши Недостатки:

Стоимость, немного выше щеточных моторов. Однако современные технологии означают, что вы можете купить бесщеточный двигатель по хорошим ценам.
Чтобы управлять им, вам понадобятся драйверы или контроллеры, чтобы вы могли управлять вращением. Сделать это вручную, как в других случаях, невозможно.

Несмотря на это, они единственныемы навязали отрасли и поэтому стоит выбрать один из них …