Що таке безколекторний двигун постійного струму, як він влаштований і працює

Головна проблема колекторних двигунів - це як раз-таки наявність колекторного вузла. Щітки стираються, а ламелі зношуються, від шару графітового пилу між ними відбуваються замикання, виникає іскріння. Цих проблем немає в асинхронних машинах, але працювати від постійного струму вони не можуть. Безколекторний двигун постійного струму позбавлений зазначених вище недоліків. Про те, що це таке, як працює і де використовуються двигуни БДПС ми і поговоримо в цій статті.

Визначення

Безколекторним називають електродвигун постійного струму, струм в обмотках якого перемикає спеціальний пристрій-комутатор - він носить назву «драйвер» або «інвертор» і ці обмотки завжди розташовані на статорі. Комутатор складається з 6 транзисторів, вони і подають струм в ту чи іншу обмотку, в залежності від положення ротора.

У вітчизняній літературі такі двигуни називають «вентильними» (тому що напівпровідникові ключі називають «вентилями»), і є поділ таких електромашин на два види за формою протидії ЕРС. У зарубіжній літературі така різниця зберігається, один з них називають аналогічно російській «BLDC» (brushless direct current drive або motor), що в дослівному перекладі звучить як «бесщеточний двигун постійного струму» в їх обмотках виникає трапецеїдальних ЕРС. Вентильні ж електродвигуни з синусоїдальної ЕРС називають PMSM (Permanent magnet synchronous machine), що перекладається як «синхронний електродвигун з порушенням постійними магнітами».

Пристрій і принцип дії

Колектор в КДПТ служить вузлом перемикання струму в обмотках якоря. У безколекторним електродвигуні постійного струму (БДПС) цю роль виконують не щітки з ламелями, а комутатор вона напівпровідникових ключах - транзисторах. Транзистори перемикають обмотки статора, створюючи обертове магнітне поле, яке взаємодіє з полем магнітів ротора. А при протіканні струму через провідник, який знаходиться в магнітному полі, на нього діє сила Ампера, за рахунок дії цієї сили і утворюється крутний момент на валу електричних машин. На цьому і заснований принцип роботи будь-якого електродвигуна.

Тепер же розберемося в тому, як влаштований безколекторний двигун. На статорі БДПС зазвичай розташовані 3 обмотки, по аналогії з електродвигунами змінного струму їх часто називають трифазними. Почасти це вірно: безколекторні двигуни працюють від джерела постійного струму (частіше від акумуляторів), але контролер включає струм обмотках черзі. Однак при цьому не зовсім вірно говорити, що по обмоткам протікає змінний струм. Кінцева форма живить обмотки напруги формується прямокутними імпульсами управління транзисторами.

Трифазний безколекторний двигун може бути трьохпровідний або чьотирьох, де четвертий провід - відведення від середньої точки (якщо обмотки з'єднані за схемою зірки).

Обмотки або, говорячи простою словами, котушки мідного дроту укладаються в зуби сердечника статора. Залежно від конструкції і призначення приводу на статорі може бути різна кількість зубців. Зустрічаються різні варіанти розподілу обмоток фаз по зубців ротора, що ілюструє наступний малюнок.

Обмотки кожного з зубів в межах однієї фази можуть з'єднуватися послідовно або паралельно, в залежності від поставлених конструктору завдань по потужності і моменту проектованого приводу, а самі ж обмотки фаз з'єднуються між собою за схемою зірки або трикутника, подібно асинхронним або синхронним трифазними електродвигунів змінного струму.

У статорі можуть встановлюватися датчики положення ротора. Часто використовуються датчики холу, вони дають сигнал контролеру, коли на них впливає магнітне поле магнітів ротора. Це потрібно для того щоб контролер «знав», в якому становищі знаходиться ротор і подавав харчування на відповідні обмотки. Це потрібно для підвищення ефективності і стабільності роботи, а якщо коротко, - щоб вичавити з двигуна всю можливу потужність. Датчиків зазвичай встановлюється 3 штуки. Але наявність датчиків ускладнює пристрій бесколлекторного електродвигуна, до них потрібно проводити додаткові дроти для живлення і лінії даних.

У БДПС для збудження використовуються постійні магніти, встановлені на роторі, а статор - це якір. Нагадаємо, що в колекторних машинах навпаки (ротор - це якір), а для збудження в КД використовуються як постійні магніти, так і електромагніти (обмотки).

Магніти встановлюються з чергуванням полюсів, і відповідно їх кількість визначає кількість пар полюсів. Але це не означає, що скільки магнітів, то стільки ж і пар полюсів. Кілька магнітів можуть формувати один полюс. Від числа полюсів, як у випадку і з асинхронним двигуном (та іншими) залежить число оборотів в хвилину. Тобто від одного контролера на однакових налаштуваннях безколекторні двигуни з різним числом пар полюсів будуть обертатися з різною швидкістю.

Види БДПС

Тепер давайте розберемося, якими бувають безколекторні двигуни на постійних магнітах. Їх класифікують за формою протидії ЕРС, конструкції, а також за наявністю датчиків положення ротора. Отже, два основних типи відрізняються формою протидії ЕРС, що наводиться в обмотках при обертанні ротора:

  • BLDC - в них трапецеїдальних протидії ЕРС;
  • PMSM - проти-ЕРС синусоїдальна.

В ідеальному випадку для них потрібні різні джерела живлення (контролери), але на практиці вони взаємозамінні. Але якщо використовувати контролер з прямокутними або трапецеїдальним вихідною напругою з PMSM-двигуном, то будуть чутні характерні звуки, схожі на стукіт під час обертання.

А по конструкції безколекторні двигуни постійного струму бувають:

  • З внутрішнім ротором. Це більш звичне уявлення електродвигуна, коли статор - це корпус, а обертається вал, розташований в ньому. Часто їх називають англійським словом «Inrunner». Такий варіант зазвичай застосовують для високоспритних електродвигунів
  • Із зовнішнім ротором. Тут обертається зовнішня частина двигуна з закріпленим на ній валом, в англомовних джерелах його називають «outrunner». Цю схему пристрою використовують, коли потрібен високий момент.

Вибирають конструкцію в залежності від того для чого потрібен безколекторний двигун в конкретному застосуванні.

Сучасна промисловість випускає безколекторні двигуни як з датчиками положення ротора, так і без них. Справа в тому, що існує безліч способів управління БДПС, для деяких з них потрібні датчики положення, інші визначають положення по ЕРС в обмотках, треті і зовсім просто подають харчування на потрібні фази і електродвигун самостійно синхронізується з таким харчуванням і входить в робочий режим.

Основні характеристики безколекторних двигунів постійного струму:

  • Режим роботи - тривалий або короткочасний.
  • Максимальна робоча напруга.
  • Максимальний робочий струм.
  • Максимальна потужність.
  • Максимальні обороти, часто вказують не обороти, а KV - об / в, тобто кількість обертів на 1 вольт прикладеної напруги (без навантаження на валу). Щоб отримати максимальні оберти - помножте це число на максимальне напруження.
  • Опір обмотки (чим воно менше, тим вище ККД), зазвичай складає соті і тисячні частки Ома.
  • Кут випередження фази (timing) - час, через яке струм в обмотці досягне свого максимуму, це пов'язано з її індуктивністю і законами комутації (струм в індуктивності не може змінитися миттєво.

Схема підключення

Як було сказано вище, для роботи бесколлекторного двигуна потрібен спеціальний контролер. На аліекспресс можна знайти як комплекти з двигуна і контролера, так і окремо. Контролер також називають ESC Motor або Electric Speed ​​Controller. Вибирають їх по силі струму, що віддається в навантаження.

Зазвичай підключення електродвигуна до контролера не викликає ускладнень і зрозуміло навіть для чайників. Головне, що потрібно знати - для зміни напряму обертання потрібно змінити підключення будь-яких двох фаз, власне також, як і в трифазних асинхронних або синхронних електродвигунах.

У мережі є і ряд технічних рішень і схем як складних, так і для чайників, які ви можете побачити нижче.

У цьому відеоролику автор розповідає, як подружити БК моторчик з «Ардуіно».

А в цьому ролику ви дізнаєтеся про різні способи підключення до різних регуляторам і як його можна зробити своїми руками. Автор демонструє це на прикладі моторчика від HDD, і пари потужних примірників - inrunner і outrunner.

До речі схему з відео для повторення також докладаємо:

Де застосовуються безколекторні двигуни

Сфера застосування таких електродвигунів достроково широка. Вони використовуються як для приводу дрібних механізмів: в дисководах CD, DVD-приводах, жорстких дисках, так і в потужних пристроях: акумуляторі і мережевому електроінструменті (з харчуванням порядку 12В), радіокерованих моделях (наприклад, квадрокоптера), верстатах ЧПУ для приводу робочого органу (зазвичай моторчики з номінальною напругою 24В або 48В).

Широке застосування БДПС знайшли в електротранспорті, майже всі сучасні мотор-колеса електросамокатів, велосипедів, мотоциклів та автомобілів - це безколекторні двигуни. До слова, номінальну напругу електродвигунів для транспорту лежить в широкому межі, наприклад, мотор-колесо для велосипеда часто працює від 36В або від 48В, за рідкісним винятком і більше, а в автомобілях, наприклад, на Toyota Prius порядку 120В, а на Nissan Leaf - доходить до 400, при тому що заряджається від мережі 220В (це реалізується за допомогою вбудованого перетворювача).

Насправді область застосування безколекторних електродвигунів дуже обширна, відсутність колекторного вузла дозволяє його застосовувати небезпечних місцях, а також в місцях з підвищеною вологістю, без побоювань замикань, іскор або пожежі через дефекти в щітковому вузлі. Завдяки високому ККД і хорошим габаритними показниками вони знайшли застосування і в космічній промисловості.

Переваги і недоліки

Безколекторним двигунів постійного струму, як і іншим видам електромашин, притаманні певні переваги і недоліки.

Переваги у БДПС полягають в наступному:

  • Завдяки порушення потужними постійними магнітами (неодимовими, наприклад) перевершують по моменту і потужності і мають менші габарити, ніж асинхронні двигуни. Чим користується більшість виробників електротранспорту - від самокатів до автомобілів.
  • Немає іскристого щітково-колекторного вузла, який вимагає регулярного обслуговування.
  • При використанні якісного контролера на відміну від того ж КД не видають перешкоди в мережу живлення, що особливо важливо в радіокерованих пристроях і транспорті з розвиненим електронним обладнанням в бортовій мережі.
  • ККД більше 80, частіше і 90%.
  • Висока швидкість обертання, в окремих випадках до 100000 об / хв.

Але є і істотний мінус: безколекторний двигун без контролера - просто шматок заліза з мідною обмоткою. Він ніяк не зможе працювати. Контролери коштують недешево і найчастіше їх доводиться замовляти в інтернет-магазинах або з аліекспресс. Через це використовувати БК-мотори в моделях і пристроях домашнього виробництва не завжди можливо.

Тепер ви знаєте, що таке безколекторний двигун постійного струму, як він працює і де застосовується. Сподіваємося, наша стаття допомогла вам розібратися у всіх питаннях!

Коментарі   

0 # Костянтин 18.02.2020, 09:44
Ось адже є ж люди, які не тільки знають матеріал, але і обдаровані Богом здатністю толково, дохідливо, не нудно його викладати!
Читав немов крутий детектив!
Велике спасибі автору за статтю, усіляких гараздів та всіх благ в житті!
Відповісти | Відповісти цитуючи | Цитата

Додати коментар


Захисний код
Оновити