Виникнення безколекторних двигунів пояснюється необхідністю створення електричної машини з багатьма перевагами. Безколекторний двигун є пристроєм без колектора, функцію якого бере на себе електроніка.

БКЕПТ - безколекторні електродвигуни постійного струму, можуть бути потужністю, наприклад, 12, 30 вольт.

• Вибір відповідного двигуна
• Принцип роботи
• Пристрій БКЕПТ
• Датчики та їх відсутність
• Відсутність датчика
• Поняття ШІМ частоти
• Система arduino
• Кріплення двигуна

Вибір відповідного двигуна

Щоб підібрати агрегат, необхідно порівняти принцип роботи та особливості колекторних та безколекторних двигунів.

Зліва направо: колекторний двигун та двигун ФК 28-12 безколекторний

Колекторні коштують менше, але розвивають невисоку швидкість обертання моменту, що крутить. Вони працюють від постійного струму, має невелику вагу та розмір, доступний ремонт із заміни деталей. Прояв негативної якості виявляється при отриманні величезної кількості обертів. Щітки контактують із колектором, викликаючи тертя, що може пошкодити механізм. Працездатність агрегату знижується.

Щіточки не тільки вимагають ремонту через швидке зношування, але і можуть призвести до перегріву механізму.

Головною перевагою безколекторного двигуна постійного струму є відсутність контактів моменту, що крутить, і перемикання. Значить відсутність джерел втрат, як у двигунах із постійними магнітами. Їх функції виконують транзистори МОП. Раніше їхня вартість була високою, тому вони не були доступні. Сьогодні ціна стала прийнятною, а показники значно покращали. За відсутності в системі радіатора потужність обмежується від 2,5 до 4 ват, а струм роботи від 10 до 30 Ампер. ККД безколекторних електродвигунів дуже високий.

Другою перевагою є налаштування механіки. Вісь встановлюється на широкопідшипники. У структурі немає елементів, що ламають і стираються.

Єдиним мінусом є дорогий електронний блок керування.

Розглянемо приклад механіки ЧПУ верстата зі шпинделем.

Заміна колекторного двигуна на безколекторний захистить від поломки шпинделя для ЧПУ. Під шпинделем мається на увазі, що володіє правими і лівими оборотами крутного моменту. Шпиндель для ЧПУ має велику потужність. Швидкість моменту, що крутить, контролюється регулятором сервотестором, а оберти управляються автоматичним контролером. Вартість ЧПУ із шпинделем близько 4 тисяч рублів.

Принцип роботи

Головна особливість механізму – відсутність колектора. Постійні магніти встановлені у шпинделя, є ротором. Навколо нього розташовуються дротяні обмотки, які мають різні магнітні поля. Відмінністю безколекторних моторів 12 вольт є сенсор управління ротором, розташований на ньому. Сигнали подаються до блоку регулятора швидкості.

Пристрій БКЕПТ

Схему розташування магнітів усередині статора зазвичай застосовують двофазних двигунів з невеликою кількістю полюсів. Принцип моменту, що крутить, навколо статора застосовують при необхідності отримати двофазний двигун з невеликими оборотами.

На роторі розташовані чотири полюси. Магніти у вигляді прямокутника встановлюються, чергуючи полюси. Однак не завжди кількість полюсів дорівнює числу магнітів, яких може бути 12, 14. Але кількість полюсів має бути парною. Кілька магнітів можуть становити один полюс.

На зображенні зображено 8 магнітів, що формують 4 полюси. Момент сили залежить від потужності магнітів.

Датчики та їх відсутність

Регулятори ходу поділяються на дві групи: з датчиком положення ротора та без.

Токові сили подаються на обмотки двигуна при особливому положенні ротора. Його визначає електронна система за допомогою датчика положення. Вони бувають різноманітних типів. Популярний регулятор ходу – дискретний датчик з ефектом Холла. У двигуні на три фази на 30 вольт буде використано 3 датчики. Блок електроніки завжди має у своєму розпорядженні дані про становище ротора і спрямовує напругу вчасно у необхідні обмотки.

Поширене пристосування, що змінює свої висновки при перемиканні обмоток.

Пристрій із розімкненим контуром вимірює струм, частоту обертання. ШИМ канали приєднуються до нижньої частини системи керування.

Три введення приєднуються до датчика Холла. У разі зміни датчика Холла починається процес переробки переривання. Для швидкого реагування обробки переривання підключається датчик Холла до молодших висновків порту.

Використання датчика положення з мікроконтролером

Для економії на платежах за електроенергію наші читачі радять "Економіст енергії Electricity Saving Box". Щомісячні платежі стануть на 30-50% меншими, ніж були до використання економіка. Він прибирає реактивну складову з мережі, у результаті знижується навантаження і, як наслідок, струм споживання. Електроприлади споживають менше електроенергії, знижуються витрати на її оплату.

Контролер сили каскаду є основою AVR ядра, який забезпечує грамотне управління безколекторним двигуном постійного струму. AVR є чіп для виконання певних завдань.

Принцип роботи регулятора ходу може бути датчиком і без. Програма плати AVR здійснює:

• пуск двигуна максимально швидко, без використання зовнішніх додаткових приладів;
• керування швидкістю одним зовнішнім потенціометром.

Окремий вид автоматичного керування сма, використовується у пральних машинах.

Відсутність датчика

Для визначення положення ротора необхідно проводити вимірювання напруги на незадіяну обмотку. Даний спосіб застосовується при обертанні двигуна, інакше він не діятиме.

Бездатчикові регулятори ходу виготовляються легше, це пояснює їх широке поширення.

Контролери мають такі властивості:

• значення максимального постійного струму;
• значення максимальної робочої напруги;
• кількість максимальних оборотів;
• опір силових ключів;
• імпульсна частота.

При підключенні контролера важливо робити дроти якомога коротше. Через виникнення кидків струму на старті. Якщо провід довгий, можуть виникнути похибки визначення положення ротора. Тому контролери продаються із дротом 12 - 16 см.

Контролери мають безліч програмних налаштувань:

• контроль вимикання двигуна;
• плавне або жорстке вимикання;
• гальмування та плавне вимикання;
• випередження потужності та ККД;
• м'який, твердий, швидкий старт;
• обмеження струму;
• режим газу;
• зміна напряму.

Контролер LB11880 зображений на малюнку містить драйвер безколекторного двигуна потужного навантаження, тобто можна запустити двигун безпосередньо до мікросхеми без додаткових драйверів.

Поняття ШІМ частоти

Коли вмикаються ключі, повне навантаження подається на двигун. Агрегат досягає максимальних обертів. Для того, щоб керувати двигуном, потрібно забезпечити регулятор живлення. Саме це здійснює широтно-імпульсна модуляція (ШІМ).

Встановлюється необхідна частота відкриття та закриття ключів. Напруга змінюється з нульового на робоче. Щоб керувати обертами, необхідно накласти сигнал ШІМ на сигнали ключів.

Сигнал ШІМ може бути сформований апаратом на кілька висновків. Або створити ШІМ для окремого ключа програмою. Схема стає простішою. ШИМ сигнал має 4-80 кілогерц.

Збільшення частоти призводить до більшої кількості перехідних процесів, що дає виділення тепла. Висота частоти ШІМ збільшує кількість перехідних процесів, від цього відбуваються втрати на ключах. Невелика частота не дає необхідну плавність управління.

Щоб зменшити втрати на ключах при перехідних процесах, ШІМ сигнали подаються на верхні чи нижні ключі окремо. Прямі втрати розраховуються за формулою P=R*I2, де P – потужність втрат, R – опір ключа, I – сила струму.

Найменший опір мінімізують втрати, збільшує ККД.

Система arduino

Часто керувати безколекторними двигунами використовується апаратна обчислювальна платформа arduino. В основі знаходиться плата та середовище розробки мовою Wiring.

У Плату arduino входить мікроконтролер Atmel AVR та елементна обв'язка програмування та взаємодії зі схемами. На платі є стабілізатор напруги. Плата Serial Arduino є нескладною схемою, що інвертує, для конвертування сигналів з одного рівня на інший. Програми встановлюються через USB. У деяких моделях, наприклад, Arduino Mini, потрібна додаткова плата для програмування.

Мова програмування Arduino використовується стандартний Processing. Деякі моделі arduino дозволяють керувати кількома серверами одночасно. Програми обробляє процесор, а компілює AVR.

Проблеми з контролером можуть виникати через провали напруги та надмірне навантаження.

Кріплення двигуна

Моторама - механізм кріплення двигуна. Застосовується в установках двигунів. Моторама є взаємопов'язані стрижні та елементи каркаса. Моторами бувають плоскими, просторовими елементами. Моторама одиночного двигуна 30 вольт чи кількох пристроїв. Силова схема моторами складається із сукупності стрижнів. Моторама встановлюється у поєднанні фермових та каркасних елементів.

Безколекторний електродвигун постійного струму незамінний агрегат, який застосовується як у побуті, так і в промисловості. Наприклад, ЧПУ верстат, медичне обладнання, автомобільні механізми.

БКЕПТ виділяються надійністю, високоточним принципом роботи, автоматичним інтелектуальним управлінням та регулюванням.

Як тільки я почав займатися авіамоделізмом, мені відразу стало цікаво чому у двигуна три дроти, чому він такий маленький і водночас такий потужний і навіщо йому потрібен регулятор швидкості... Минув час, і я в усьому розібрався. І далі поставив собі завдання зробити своїми руками безколекторний двигун.

Принцип роботи електричного двигуна:
В основу роботи будь-якої електричної машини покладено явище електромагнітної індукції. Тому якщо в магнітне поле помістити рамку зі струмом, то на неї подіє сила Ампераяка створить обертальний момент. Рамка почне повертатися і зупиниться у положенні відсутності моменту, що створюється силою Ампера.

Пристрій електричного двигуна:
Будь-який електричний двигун складається з нерухомої частини. Статората рухомий частини - Ротора. Щоб почалося обертання, потрібно по черзі змінювати напрям струму. Цю функцію і виконує Колектор(Щітки).

Безколекторний двигун – це двигун ПОСТІЙНОГО СТРУМУбез колектора, у якому функції колектора виконує електроніка. (Якщо у двигуна три дроти, це не означає, що він працює від трифазного змінного струму! А працює він від "порцій" коротких імпульсів постійного струму, і не хочу вас шокувати, але ті ж двигуни, які використовуються в кулерах, теж безколекторні, хоч вони і мають всього два дроти живлення постійного струму)

Пристрій безколекторного двигуна:
Inrunner(вимовляється як "інраннер"). Двигун має розташовані по внутрішній поверхні корпусу обмотки, і магнітний ротор, що обертається всередині.


Outrunner(вимовляється як "аутраннер"). Двигун має нерухомі обмотки (всередині), навколо яких обертається корпус з поміщеним на його внутрішню стінку постійними магнітами.

Принцип роботи:
Щоб безколекторний двигун почав обертатися, напруга на обмотки двигуна треба подавати синхронно. Синхронізація може бути організована з використанням зовнішніх датчиків (оптичні або датчики холу), так і на основі протиЕРС (бездатчиковий), яка виникає в двигуні при його обертанні.

Бездатчикове управління:
Існують безколекторні двигуни без будь-яких датчиків положення. У таких двигунах визначення положення ротора виконується шляхом вимірювання ЕРС на вільній фазі. Ми пам'ятаємо, що в кожний момент часу до однієї з фаз (А) підключений "+" до іншої (В) "-" живлення, одна з фаз залишається вільною. Повертаючись, двигун наводить ЕРС (тобто внаслідок закону електромагнітної індукції в котушці утворюється індукційний струм) у вільній обмотці. У міру обертання напруга на вільній фазі (З) змінюється. Вимірюючи напругу на вільній фазі, можна визначити момент перемикання до наступного положення ротора.
Щоб виміряти цю напругу використовується метод "віртуальної точки". Суть полягає в тому, що знаючи опір всіх обмоток і початкову напругу, можна віртуально "перекласти провід" в місце з'єднання всіх обмоток:
Регулятор швидкості безколекторного двигуна:
Безколекторний двигун без електроніки – просто залізниця, т.к. за відсутності регулятора, ми можемо просто підключити напруга нею, що він просто почав нормальне обертання. Регулятор швидкості - це складна система радіокомпонентів, т.к. вона повинна:
1) Визначати початкове положення ротора для запуску електродвигуна
2) Керувати електродвигуном на низьких швидкостях
3) Розганяти електродвигун до номінальної (заданої) швидкості обертання
4) Підтримувати максимальний момент обертання

Принципова схема регулятора швидкості (вентильна):


Безколекторні двигуни були вигадані на зорі появи електрики, проте систему управління до них ніхто не міг зробити. І лише з розвитком електроніки: з появою потужних напівпровідникових транзисторів та мікроконтролерів, безколекторні двигуни стали застосовуватись у побуті (перше промислове використання у 60-х роках).

Переваги та недоліки безколекторних двигунів:

Переваги:
-Частота обертання змінюється у широкому діапазоні
-Можливість використання у вибухонебезпечному та агресивному середовищі
-Велика перевантажувальна здатність по моменту
-Високі енергетичні показники (ККД понад 90%)
-Великий термін служби, висока надійність та підвищений ресурс роботи за рахунок відсутності ковзаючих електричних контактів

Недоліки:
-Щодо складна система управління двигуном
-Висока вартість двигуна, обумовлена ​​використанням дорогих матеріалів у конструкції ротора (магніти, підшипники, вали)
Розібравшись із теорією, перейдемо до практики: спроектуємо та зробимо двигун для пілотажної моделі МХ-2.

Список матеріалів та обладнання:
1) Дріт (взятий зі старих трансформаторів)
2) Магніти (куплені в інтернеті)
3) Статор (баранчик)
4) Вал
5) Підшипники
6) Дюралюміній
7) Термоусадка
8) Доспуп до необмеженого технічного мотлоху
9) Доступ до інструментів
10) Прямі руки:)

Хід роботи:
1) Із самого початку вирішуємо:

Навіщо робимо двигун?
На що він має бути розрахований?
У чому ми обмежені?

У моєму випадку: я роблю двигун для літака, отже, нехай він буде зовнішнього обертання; розрахований він повинен на те, що він повинен видати 1400 г тяги при трибанковому акумуляторі; обмежений я у вазі та у розмірі. Однак із чого ж почати? Відповідь це питання простий: з найважчої деталі, тобто. з такої деталі, яку легко знайти, а все інше підганяти під неї. Я так і вчинив. Після багатьох невдалих спроб зробити статор з листової м'якої сталі мені стало зрозуміло, що краще знайти її. Знайшов я її у старій відеоголовці від відеорекодора.

2) Обмотка трифазного безколекторного двигуна виконується ізольованим мідним дротом, від перерізу якого залежить значення сили струму, отже, і потужність двигуна. Незабутній що, чим товщі дріт, тим більше обертів, але слабший момент, що крутить. Підбір перерізу:

1А – 0.05мм; 15А – 0.33мм; 40А – 0.7мм

3А – 0.11мм; 20А – 0.4мм; 50А - 0.8мм

10А – 0.25мм; 30А – 0.55мм; 60А - 0.95мм


3) Починаємо намотувати на полюси дріт. Чим більше витків (13) намотано на зуб, тим більше магнітне поле. Чим сильніше поле, тим більший момент, що крутить, і менше оборотів. Для отримання високих оборотів необхідно мотати меншу кількість витків. Але разом з цим падає крутний момент. Для компенсації моменту, зазвичай, на мотор подають більш високу напругу.
4) Далі вибираємо спосіб з'єднання обмотки: зіркою чи трикутником. З'єднання зіркою дає більший крутний момент, але менше обертів, ніж з'єднання трикутником в 1.73 разів. (згодом було обрано з'єднання трикутника)

5) Вибираємо магніти. Кількість полюсів на роторі має бути парною (14). Форма застосовуваних магнітів зазвичай прямокутна. Розмір магнітів залежить від геометрії двигуна та характеристик мотора. Чим сильніші магніти, тим вище момент сили, що розвивається двигуном на валу. Також чим більше кількість полюсів, тим більше момент, але менше обертів. Магніти на роторі закріплюються за допомогою спеціального термоклею.

Випробування даного двигуна я проводив на створеній мною витномоторній установці, яка дозволяє виміряти тягу, потужність та оберти двигуна.

Щоб побачити відмінності з'єднань "зірка" і "трикутник", я з'єднував по різному обмотки:

У результаті вийшов двигун, що відповідає характеристикам літака, маса якого 1400 грам.

Характеристики отриманого двигуна:
Споживаний струм: 34.1А
Струм холостого ходу: 2.1А
Опір обмоток: 0.02 Ом
Кількість полюсів: 14
Обороти: 8400 об/хв

Відеозвіт випробування двигуна на літаку...

Розрахунок ККД двигуна:


Дуже хороший показник... Хоча можна було ще вище досягти...

Висновки:
1) У безколекторних двигунів висока ефективність та ККД
2) Безколекторні двигуни компактні
3) Безколекторні двигуни можна використовувати у вибухонебезпечних середовищах
4) З'єднання зіркою дає більший крутний момент, але менше обертів в 1.73 рази, ніж з'єднання трикутником.

Таким чином, виготовити власний безколекторний мотор для пілотажної моделі літака- завдання здійсненне

Якщо у вас є питання або вам щось не зрозуміло, запитуйте мене в кометаріях цієї статті. Удачі всім)

Двигуном постійного струму називають електричний двигун, живлення якого забезпечує постійний струм. При необхідності одержати високомоментний двигун із порівняно невеликими оборотами. Конструктивно Inrunners простіше через те, що нерухомий статор може бути корпусом. До нього можуть бути змонтовані кріпильні пристрої. У разі Outrunners обертається вся зовнішня частина. Кріплення двигуна здійснюється за нерухому вісь або деталі статора. У разі мотор-колеса кріплення здійснюється за нерухому вісь статора, дроти заводяться до статора через порожнисту вісь яких менше 0,5 мм.

Двигуном змінного струму називають електричний двигун, живлення якого забезпечує змінний струм. Існують такі типи двигунів змінного струму:

Також існує УКД (універсальний колекторний двигун) з функцією режиму роботи як на змінному, так і постійному струмі.

Ще один тип двигунів – це кроковий електродвигун із кінцевим числом положень ротора. Певне положення ротора фіксується за допомогою подачі живлення на необхідні відповідні обмотки. При знятті напруги живлення з однієї обмотки та її передачі на інші відбувається процес переходу до іншого положення.

Двигун змінного струму при живленні за допомогою промислової мережі зазвичай не дозволяє досягти частоти обертання більше трьох тисяч обертів за хвилину. Тому при необхідності отримати більш високі частоти використовується колекторний двигун, додатковими перевагами якого є легкість і компактність при збереженні необхідної потужності.

Іноді також використовують спеціальний передавальний механізм під назвою мультиплікатор, який змінює кінематичні параметри пристрою до необхідних технічних показників. Колекторні вузли іноді займають до половини простору всього двигуна, тому електродвигуни змінного струму зменшують у розмірі і роблять легше у вазі через використання перетворювача частоти, а іноді завдяки наявності мережі з підвищеною частотою до 400 Гц.

Ресурс будь-якого асинхронного двигуна змінного струму помітно вищий за колекторний. Визначається він станом ізоляції обмоток та підшипників. Синхронний двигун при використанні інвертора і датчика положення ротора вважається електронним аналогом класичного колекторного двигуна, що підтримує роботу за допомогою постійного струму.

Безколекторний електродвигун постійного струму. Загальні відомості та пристрій приладу

Безколекторний електродвигун постійного струму також називають трифазним вентильним двигуном. Він є синхронним пристроєм, принцип роботи якого ґрунтується на самосинхронізованому частотному регулюванні, завдяки чому відбувається управління вектором (відштовхуючись від положення ротора) магнітного поля статора.

Контролери електродвигунів такого типу часто живляться завдяки постійній напрузі, через що і отримали свою назву. В англомовній технічній літературі вентильний електродвигун називають PMSM чи BLDC.

Безколекторний електродвигун був створений насамперед для оптимізації л спіднього електродвигуна постійного струмув цілому. До виконавчого механізму такого пристрою (особливо високооборотного мікроприводу з точним позиціонуванням) ставилися дуже високі вимоги.

Це, мабуть, і зумовило використання таких специфічних приладів постійного струму, трифазні безколекторні двигуни, також звані БДПТ. За своєю конструкцією вони практично ідентичні синхронним двигунам змінного струму, де обертання магнітного ротора відбувається у звичайному шихтованому статорі за наявності трифазних обмоток, а кількість обертів залежить напруги та навантажень статора. З певних координат ротора, відбувається перемикання різних обмоток статора.

Безколекторні двигуни постійного струму можуть існувати без окремих датчиків, однак, іноді вони присутні на роторі, наприклад, датчик Холла. Якщо пристрій працює без додаткового датчика, то обмотки статора виконують функцію фіксуючого елемента. Тоді струм виникає завдяки обертанню магніту, коли в статорній обмотці ротор наводить ЕРС.

Якщо одна з обмоток буде вимкнена, то вимірюватиметься і надалі оброблятиметься той сигнал, який був наведений, однак такий принцип роботи неможливий без професора обробки сигналів. А ось для реверсу або гальмування такого електродвигуна бруківка схема не потрібна – достатньо буде подачі у зворотній послідовності керуючих імпульсів на обмотки статора.

У ВД (вентильному двигуні) індуктор як постійного магніту розташований на роторі, а якірна обмотка – на статорі. Виходячи із положення ротора, формується напруга живлення всіх обмотокелектродвигуна. При використанні в таких конструкціях колектора його функцію виконуватиме у вентильному двигуні напівпровідниковий комутатор.

Основна відмінність синхронного та вентильного двигунів полягає в самосинхронізації останнього за допомогою ДПР, що обумовлює пропорційну частоту обертання ротора та поля.

Найчастіше безколекторний електродвигун постійного струму знаходить застосування у таких сферах:

Статор

Цей пристрій має класичну конструкцію і нагадує такий самий прилад асинхронної машини. До складу входить сердечник із мідної обмотки(покладеної по периметру в пази), що визначає кількість фаз, та корпус. Зазвичай синусної та косинусної фаз достатньо для обертання та самозапуску, проте часто вентильний двигун створюють трифазним і навіть чотирифазним.

Електродвигуни із зворотною електрорушійною силою за типом укладання витків на статорній обмотці діляться на два типи:

• синусоїдальної форми;
• трапецеїдальної форми.

У відповідних видах двигуна електричний фазний струм змінюється також за способом живлення синусоїдально або трапецієдально.

Ротор

Зазвичай ротор виготовляють із постійних магнітів з кількістю пар полюсів від двох до восьми, які, своєю чергою, чергуються від північного до південного або навпаки.

Найпоширенішими і найдешевшими для виготовлення ротора вважаються феритові магніти, але їх недоліком є низький рівень магнітної індукціїТому на заміну такому матеріалу зараз приходять прилади, створені зі сплавів різних рідкісноземельних елементів, оскільки можуть надати високий рівень магнітної індукції, що, у свою чергу, дозволяє зменшити розмір ротора.

ДПР

Датчик положення ротора забезпечує зворотний зв'язок. За принципом роботи пристрій поділяється на такі підвиди:

• індуктивний;
• фотоелектричний;
• датчик з ефект Холла.

Останній тип набув найбільшої популярності завдяки своїм практично абсолютним безінерційним властивостямі здатності позбавлятися за становищем ротора запізнення в каналах зворотного зв'язку.

Система управління

Система управління складається з силових ключів, іноді також з тиристорів або силових транзисторів, що включають ізольований затвор, що ведуть до збирання струму інвертора або інвертора напруги. Процес управління цими ключами реалізується найчастіше шляхом використання мікроконтролера, що вимагає управління двигуном величезної кількості обчислювальних операцій.

Принцип роботи

Робота двигуна полягає в тому, що контролер комутує певну кількість обмоток статора таким чином, що вектор магнітних полів ротора і ортогональні статора. За допомогою ШІМ (широтно-імпульсної модуляції) контролер здійснює управління струмом, що протікає через двигун.і регулює момент, що впливає на ротор. Напрямок цього моменту визначає позначка кута між векторами. Під час розрахунків використовуються електричні градуси.

Комутацію слід проводити таким чином, щоб Ф0 (потік збудження ротора) підтримувався відносно постійним потоку якоря. При взаємодії такого збудження і потоку якоря формується момент, що обертає М, що прагне розгорнути ротор і паралельно забезпечити збіг збудження і потоку якоря. Однак під час повороту ротора відбувається перемикання різних обмоток під впливом датчика положення ротора, внаслідок чого потік якоря розгортається до наступного кроку.

У такій ситуації результуючий вектор зсувається і стає нерухомим по відношенню до потоку ротора, що, своєю чергою, створює необхідний момент на валу електродвигуна.

Управління двигуном

Контролер безколекторного електродвигуна постійного струму здійснює регулювання моменту, що діє на ротор, змінюючи величину широтно-імпульсної модуляції. Комутація при цьому контролюється та здійснюється за допомогою електроніки, На відміну від звичайного щіткового двигуна постійного струму. Також поширеними є системи управління, які для робочого процесу реалізують алгоритми широтно-імпульсної модуляції та широтно-імпульсного регулювання.

Двигуни на векторному управлінні забезпечують найширший із усіх відомих діапазонів для регулювання власної швидкості. Регулювання цієї швидкості, як і підтримка потокосцепления необхідному рівні, відбувається завдяки перетворювачу частоти.

Особливістю регулювання електроприводу, заснованого на векторному управлінні є наявність контрольованих координат. Вони знаходяться в нерухомій системі та перетворюються на обертову, виділяючи пропорційне контрольованим параметрам вектора постійне значення, завдяки чому формується вплив, що управляє, а потім зворотний перехід.

Незважаючи на всі переваги такої системи, вона супроводжується недоліком у вигляді складності управління пристроєм для регулювання швидкості в широкому діапазоні.

Переваги і недоліки

В наш час у багатьох галузях промисловості такий тип двигуна має величезний попит, адже безколекторний електродвигун постійного струму об'єднав у собі чи не всі найкращі якості безконтактних та інших типів двигунів.

Безперечними перевагами вентильного двигуна є:

Незважаючи на вагомі позитивні моменти, безколекторний електродвигун постійного струмутакож є кілька недоліків:

Виходячи з вищевикладеного та нерозвиненості сучасної електроніки в регіоні, багато хто все ще вважає за доцільне використання звичайного асинхронного двигуна з наявністю перетворювача частоти.

Трифазний безколекторний електродвигун постійного струму

Такий тип двигуна має чудові характеристики, особливо при здійсненні управління за допомогою датчиків положення. Якщо момент опору варіюється або зовсім невідомий, а також за необхідності досягнення вищого пускового моментувикористовується керування з датчиком. Якщо датчик не використовується (як правило, у вентиляторах), управління дозволяє обійтися без проводового зв'язку.

Особливості керування трифазним безколекторним двигуном без датчика за положенням:

Особливості управління трифазним безколекторним двигуномз датчиком за положенням на прикладі датчика Холла:

Висновок

Безколекторний електродвигун постійного струму має безліч переваг і стане гідним вибором для використання як фахівцем, так і простим обивателем.

Останнім часом все ширшу популярність набувають безщіткові двигуни постійного струму. Вони активно використовуються у приладобудуванні, промисловій медичній та побутовій автоматиці, а також у контрольно-вимірювальній апаратурі. Цей тип двигунів працює без щіток, вся комутація здійснюється за допомогою електронних пристроїв.

Переваги безщіткових двигунів

Безщіткові двигуни мають ряд переваг, які і визначили сфери їх застосування. Вони мають кращу швидкодію. Їх крутний момент набагато вищий, порівняно зі звичайними двигунами. Безщіткові конструкції відрізняються вищими динамічними характеристиками та коефіцієнтом корисної дії.

Серед інших переваг слід відзначити безшумну роботу, збільшений термін експлуатації та більш високу частоту обертання. Співвідношення розмірів двигуна і моменту, що обертає, вище, ніж у інших типів. Це особливо важливо для тих областей, де габарити та вага є критичними факторами.

Принцип роботи безщіткового двигуна

Принцип дії заснований на магнітних полях, що виробляються статором і ротором, частота обертання яких однакова. Тут немає так званого ковзання, характерного для асинхронних двигунів. Конфігурація безщіткових двигунів буває однофазною, двофазною або трифазною. Від цього залежить кількість обмоток у статорі. Найбільшого поширення у всіх областях набули трифазні двигуни.

Пристрій безщіткового двигуна

Як приклад, слід розглянути найбільш популярний трифазний безщітковий двигун. Він має статор, набраний із шаруватої сталі, в пазах якого розміщується обмотка. У більшості двигунів цього типу є три обмотки, з'єднані у зірку.

Ротор є постійним магнітом з полюсами в кількості від 2-х до 8-ми пар. При цьому Південний і Північний полюси чергуються між собою. Ротор виготовлений із спеціального магнітного матеріалу, що забезпечує необхідну щільність магнітного поля. Як правило, це феритові магніти, з яких виготовляються постійні магніти.

На відміну від звичайних електродвигунів, безщіткові двигуни постійного струму комутуються за допомогою електроніки. Це з необхідністю послідовної подачі напруги на обмотки статора. Одночасно необхідно знати, в якому положенні знаходиться ротор. Це положення визначається датчиками Холла, що подають високий або низький сигнал, залежно від того, який полюс проходить біля високочутливих елементів.

Генератор постійного струму без щіток

Побутова та медична техніка, авіамоделювання, трубозапірні приводи газо- та нафтопроводів – це не повний перелік областей застосування безколекторних двигунів (БД) постійного струму. Давайте розглянемо пристрій і принцип дії цих електромеханічних приводів, щоб краще зрозуміти їх переваги та недоліки.

Загальні відомості, будова, сфера застосування

Одна з причин вияву інтересу до БД - це зросла потреба у високооборотних мікродвигуна, що мають точне позиціонування. Внутрішнє влаштування таких приводів продемонстровано на малюнку 2.

Мал. 2. Пристрій безколекторного двигуна

Як бачите, конструкція є ротор (якір) і статор, на першому є постійний магніт (або кілька магнітів, розташованих у певному порядку), а другий обладнаний котушками (В) для створення магнітного поля.

Примітно, що ці електромагнітні механізми можуть бути як із внутрішнім якорем (саме такий тип конструкції можна побачити на малюнку 2), так і зовнішнім (див. рис. 3).

Мал. 3. Конструкція із зовнішнім якорем (outrunner)

Відповідно кожна з конструкцій має певну сферу застосування. Пристрої з внутрішнім якорем мають високу швидкість обертання, тому використовуються в системах охолодження, як силові установки дронів і т.д. Приводи із зовнішнім ротором використовуються там, де потрібне точне позиціонування та стійкість до перевантажень по моменту (робототехніка, медичне обладнання, верстати ЧПУ тощо).

Принцип роботи

На відміну від інших приводів, наприклад асинхронної машини змінного струму, для роботи БД необхідний спеціальний контролер, який включає обмотки таким чином, щоб вектори магнітних полів якоря і статора були ортогональні один до одного. Тобто, по суті, пристрій-драйвер регулює крутний момент, що діє на якір БД. Наочно цей процес продемонстровано малюнку 4.

Як бачимо, кожного переміщення якоря необхідно виконувати певну комутацію в обмотці статора двигуна безколекторного типу. Такий принцип роботи не дозволяє плавно керувати обертанням, але дає можливість швидко набрати обертів.

Відмінності колекторного та безколекторного двигуна

Привід колекторного типу відрізняється від БД як конструктивними особливостями (див. рис 5), так і принципом роботи.

Мал. 5. А – колекторний двигун, В – безколекторний

Розглянемо конструктивні відмінності. З малюнка 5 видно, що ротор (1 на рис. 5) двигуна колекторного типу, на відміну від безколекторного, має котушки, у яких проста схема намотування, а постійні магніти (зазвичай два) встановлені на статорі (2 на рис. 5). ). Крім цього, на валу встановлений колектор, до якого підключаються щітки, що подають напругу на обмотки якоря.

Коротко розповімо про принцип роботи колекторних машин. Коли на одну з котушок подається напруга, відбувається її збудження і утворюється магнітне поле. Воно вступає у взаємодію Космосу з постійними магнітами, це змушує прокручуватися якір і розміщений на ньому колектор. Через війну харчування подається іншу обмотку і цикл повторюється.

Частота обертання якоря такої конструкції безпосередньо залежить від інтенсивності магнітного поля, яке, у свою чергу, прямо пропорційне напрузі. Тобто щоб збільшити або зменшити обороти, достатньо підвищити або знизити рівень харчування. А для реверсу потрібно переключити полярність. Такий спосіб управління не вимагає спеціального контролера, оскільки регулятор ходу можна зробити на базі змінного резистора, а звичайний перемикач працюватиме як інвертор.

Конструктивні особливості двигунів безколекторного типу ми розглядали у попередньому розділі. Як ви пам'ятаєте, їхнє підключення вимагає наявності спеціального контролера, без якого вони просто не працюватимуть. З цієї причини ці двигуни неможливо використовувати як генератор.

Варто також відзначити, що в деяких приводах даного типу для більш ефективного керування відстежуються положення ротора за допомогою датчиків Холла. Це значно покращує властивості безколекторних двигунів, але призводить до подорожчання і так дорогої конструкції.

Як запустити безколекторний двигун?

Щоб змусити працювати приводи даного типу, знадобиться спеціальний контролер (див. рис. 6). Без нього запуск неможливий.

Мал. 6. Контролери безколекторних двигунів для моделізму

Збирати самому такий пристрій немає сенсу, дешевше і надійніше придбати готовий. Підібрати його можна за наступними характеристиками, властивими драйверам каналів:

• Максимально допустима сила струму ця характеристика наводиться для штатного режиму роботи пристрою. Досить часто виробники вказують такий параметр у назві моделі (наприклад, Phoenix-18). У деяких випадках наводиться значення пікового режиму, який контролер може підтримувати кілька секунд.
• Максимальний розмір штатної напруги для тривалої роботи.
• Опір внутрішніх ланцюгів контролера.
• Допустиме число оборотів, вказується в rpm. Понад це значення контролер не дозволить збільшити обертання (обмеження реалізовано на програмному рівні). Слід звернути увагу на те, що частота обертання завжди приводиться для двополюсних приводів. Якщо пара полюсів більша, слід розділити значення на їх кількість. Наприклад, вказано число 60000 rpm, отже, для 6 магнітного двигуна частота обертання складе 60000/3=20000 prm.
• Частота генерованих імпульсів, більшість контролерів цей параметр лежить у межах від 7 до 8 кГц, більш дорогі моделі дозволяють перепрограмувати параметр, збільшивши його до 16 або 32 кГц.

Звернімо увагу, що три характеристики визначають потужність БД.

Управління безколекторним двигуном

Як зазначалося вище, управління комутацією обмоток приводу здійснюється електронікою. Щоб визначити, коли перемикатися, драйвер відстежує положення якоря за допомогою датчиків Холла. Якщо привід не забезпечений такими детекторами, то до уваги береться зворотна ЕРС, яка виникає в непідключених котушках статора. Контролер, який, по суті, є апаратно-програмним комплексом, відстежує ці зміни та визначає порядок комутації.

Трифазний безколекторний електродвигун постійного струму

Більшість БД виконуються у трифазному виконанні. Для управління таким приводом в контролері є перетворювач постійної напруги трифазне імпульсне (див. рис.7).

Рисунок 7. Діаграми напруг БД

Щоб пояснити, як працює такий вентильний двигун, слід разом з малюнком 7 розглядати рисунок 4 де почергово зображені всі етапи роботи приводу. Розпишемо їх:

1. На котушки "А" подається позитивний імпульс, тоді як на "В" - негативний, в результаті якір зрушить. Датчиками зафіксується його рух і подасть сигнал для наступної комутації.
2. Котушки "А" відключається, і позитивний імпульс йде на "С" ("В" залишається без зміни), далі подається сигнал на наступний набір імпульсів.
3. На "С" - позитивний, "А" - негативний.
4. Працює пара «В» та «А», на які надходять позитивний та негативний імпульси.
5. Позитивний імпульс повторно подається на "В", і негативний на "С".
6. Включаються котушки "А" (подається +) і повторюється негативний імпульс на "С". Далі цикл повторюється.

У простоті управління, що здається, є маса складнощів. Потрібно не тільки відстежувати положення якоря, щоб зробити наступну серію імпульсів, а й керувати частотою обертання, регулюючи струм у котушках. Крім цього, слід вибрати найбільш оптимальні параметри для розгону і гальмування. Варто також не забувати, що контролер повинен бути оснащений блоком, що дозволяє керувати його роботою. Зовнішній вигляд такого багатофункціонального пристрою можна побачити малюнку 8.

Мал. 8. Багатофункціональний контролер керування безколекторним двигуном

Переваги і недоліки

Електричний безколекторний двигун має багато переваг, а саме:

• Термін служби значно довше, ніж у звичайних колекторних аналогів.
• Високий ККД.
• Швидкий набір максимальної швидкості обертання.
• Він потужніший, ніж КД.
• Відсутність іскор при роботі дозволяє використовувати привід у пожежонебезпечних умовах.
• Не потрібне додаткове охолодження.
• Проста експлуатація.

Тепер розглянемо мінуси. Істотний недолік, який обмежує використання БД – їхня відносно висока вартість (з урахуванням ціни драйвера). До незручностей слід віднести неможливість використання БД без драйвера, навіть для короткострокового включення, наприклад, щоб перевірити працездатність. Проблемний ремонт, особливо якщо потрібно перемотування.