Една от причините, поради които дизайнерите се интересуват от безчеткови електрически двигатели, е необходимостта от високоскоростни двигатели с малки размери. Освен това тези двигатели имат много прецизно позициониране. Дизайнът има подвижен ротор и неподвижен статор. На ротора има един постоянен магнит или няколко, подредени в определена последователност. На статора има намотки, които създават магнитно поле.
Трябва да се отбележи още една особеност - безчетковите електродвигатели могат да имат котва, разположена както отвътре, така и отвън. Следователно, двата типа конструкция могат да имат специфични приложения в различни области. Когато арматурата е разположена вътре, се оказва, че се постига много висока скорост на въртене, така че такива двигатели работят много добре при проектирането на охладителни системи. Ако се монтира външно роторно задвижване, може да се постигне много прецизно позициониране, както и висока устойчивост на претоварване. Много често такива двигатели се използват в роботиката, медицинското оборудване, в машинните инструменти с честотно програмно управление.
Как работят двигателите
За да се задвижи ротора на безчетков постояннотоков двигател, е необходимо да се използва специален микроконтролер. Не може да се стартира по същия начин като синхронна или асинхронна машина. С помощта на микроконтролер се оказва, че се включват намотките на двигателя, така че посоката на векторите на магнитното поле върху статора и арматурата да са ортогонални.
С други думи, с помощта на драйвер се оказва, че се регулира кой действа върху ротора на безчетков двигател. За да преместите арматурата, е необходимо да извършите правилното превключване в намотките на статора. За съжаление, не е възможно да се осигури плавен контрол на въртенето. Но можете много бързо да увеличите ротора на електродвигателя.
Разлики между четкови и безчеткови двигатели
Основната разлика е, че безчетковите двигатели за моделите нямат намотка на ротора. При колекторните електродвигатели на техните ротори има намотки. Но постоянните магнити са монтирани на неподвижната част на двигателя. Освен това на ротора е монтиран колектор със специален дизайн, към който са свързани графитни четки. С тяхна помощ се прилага напрежение към намотката на ротора. Принципът на работа на безчетков електродвигател също е значително различен.
Как работи машината за събиране?
За да стартирате колекторния двигател, ще трябва да приложите напрежение към възбуждащата намотка, която се намира директно върху арматурата. В този случай се образува постоянно магнитно поле, което взаимодейства с магнитите на статора, в резултат на което арматурата и колекторът, фиксиран върху нея, се въртят. В този случай захранването се подава към следващата намотка, цикълът се повтаря.
Скоростта на въртене на ротора зависи пряко от интензивността на магнитното поле, а последната характеристика зависи пряко от величината на напрежението. Следователно, за да се увеличи или намали скоростта, е необходимо да се промени захранващото напрежение.
За да реализирате обратното, трябва само да промените поляритета на връзката на двигателя. За такова управление не е необходимо да използвате специални микроконтролери, можете да промените скоростта на въртене с помощта на конвенционален променлив резистор.
Характеристики на безчеткови машини
Но управлението на безчетков електродвигател е невъзможно без използването на специални контролери. Въз основа на това можем да заключим, че двигателите от този тип не могат да се използват като генератор. За ефективен контрол позицията на ротора може да се наблюдава с помощта на множество сензори на Хол. С помощта на такива прости устройства е възможно значително да се подобри производителността, но цената на електрическия мотор ще се увеличи няколко пъти.
Стартиране на безчеткови двигатели
Няма смисъл да правите микроконтролери сами, много по-добър вариант е да си купите готов, макар и китайски. Но при избора трябва да се придържате към следните препоръки:
- Спазвайте максимално допустимия ток. Този параметър ще бъде полезен за различни видове работа на задвижване. Характеристиката често се посочва от производителите директно в името на модела. Много рядко се посочват стойности, които са типични за пикови режими, в които микроконтролерът не може да работи дълго време.
- За продължителна работа трябва да се вземе предвид и максималното захранващо напрежение.
- Не забравяйте да вземете предвид съпротивлението на всички вътрешни вериги на микроконтролера.
- Не забравяйте да вземете предвид максималния брой обороти, който е типичен за работата на този микроконтролер. Моля, имайте предвид, че няма да може да увеличи максималната скорост, тъй като ограничението е направено на ниво софтуер.
- Евтините модели микроконтролерни устройства имат импулси в диапазона 7...8 kHz. Скъпите копия могат да бъдат препрограмирани и този параметър се увеличава 2-4 пъти.
Опитайте се да изберете микроконтролери във всички отношения, тъй като те влияят на мощността, която може да развие един електрически мотор.
Как се управлява
Електронният блок за управление позволява превключване на задвижващите намотки. За да се определи моментът на превключване с помощта на драйвера, позицията на ротора се следи от сензора на Хол, инсталиран на задвижването.
В случай, че няма такива устройства, е необходимо да се отчете обратното напрежение. Генерира се в бобините на статора, които в момента не са свързани. Контролерът е хардуерно-софтуерен комплекс, който ви позволява да проследявате всички промени и да зададете реда на превключване възможно най-точно.
Трифазни безчеткови двигатели
Много безчеткови електрически двигатели за модели на самолети се захранват с постоянен ток. Но има и трифазни случаи, в които са инсталирани преобразуватели. Те ви позволяват да правите трифазни импулси от постоянно напрежение.
Работата е както следва:
- Намотка "А" получава импулси с положителна стойност. На намотка "B" - с отрицателна стойност. В резултат на това котвата ще започне да се движи. Сензорите фиксират преместването и се изпраща сигнал към контролера за следващо превключване.
- Бобината "A" е изключена, докато към намотката "C" се подава положителен импулс. Превключващата намотка "B" не се променя.
- Намотка "C" получава положителен импулс, а отрицателен отива към "A".
- След това влизат в действие двойки "А" и "В". Към тях се подават съответно положителни и отрицателни стойности на импулси.
- След това положителният импулс отново влиза в намотката "B", а отрицателният преминава към "C".
- На последния етап се включва бобина "A", която получава положителен импулс, а отрицателен отива към C.
И тогава целият цикъл се повтаря.
Ползи от използването
Трудно е да направите безчетков електродвигател със собствените си ръце и е почти невъзможно да приложите управление на микроконтролера. Ето защо е най-добре да използвате готови промишлени дизайни. Но не забравяйте да вземете предвид предимствата, които задвижването получава при използване на безчеткови двигатели:
- Значително по-дълъг ресурс от колекторските машини.
- Високо ниво на ефективност.
- Мощността е по-висока от тази на колекторните двигатели.
- Скоростта на въртене е много по-висока.
- По време на работа не се генерират искри, така че могат да се използват в среда с висока опасност от пожар.
- Много лесно управление на задвижването.
- Не е необходимо да се използват допълнителни компоненти за охлаждане по време на работа.
Сред недостатъците може да се отбележи много висока цена, ако вземем предвид и цената на контролера. Дори за кратко време такъв електродвигател не може да се включи, за да се провери производителността. В допълнение, ремонтът на такива двигатели е много по-труден поради техните конструктивни характеристики.
Принципът на работа на безчетковия постояннотоков двигател (BCDM) е известен от много дълго време и безчетковите двигатели винаги са били интересна алтернатива на традиционните решения. Въпреки това такива електрически машини са намерили широко приложение в технологиите едва през 21 век. Решаващият фактор за широкото въвеждане беше многократното намаляване на цената на електрониката за управление на задвижването BDKP.
Проблеми с колекторния двигател
На фундаментално ниво работата на всеки електродвигател е да преобразува електрическата енергия в механична. Има два основни физически феномена, които са в основата на дизайна на електрическите машини:
Двигателят е проектиран по такъв начин, че магнитните полета, създадени на всеки от магнитите, винаги взаимодействат помежду си, осигурявайки въртене на ротора. Традиционният DC двигател се състои от четири основни части:
- статор (неподвижен елемент с пръстен от магнити);
- котва (въртящ се елемент с намотки);
- въглеродни четки;
- колектор.
Този дизайн осигурява въртене на арматурата и комутатора на един и същ вал спрямо неподвижните четки. Токът преминава от източника през четки с пружини за добър контакт към комутатора, който разпределя електричеството между намотките на котвата. Индуцираното в последния магнитно поле взаимодейства с магнитите на статора, което кара статора да се върти.
Основният недостатък на традиционния двигател е, че механичният контакт на четките не може да бъде постигнат без триене. С увеличаването на скоростта проблемът става по-ясно изразен. Колекторният възел се износва с течение на времето и освен това е податлив на искри и е в състояние да йонизира околния въздух. По този начин, въпреки простотата и ниската цена на производство, такива електродвигатели имат някои непреодолими недостатъци:
- износване на четки;
- електрически смущения в резултат на искри;
- ограничения на максималната скорост;
- трудности при охлаждане на въртящ се електромагнит.
Появата на процесорна технология и мощни транзистори позволи на дизайнерите да се откажат от механичния превключващ блок и да променят ролята на ротора и статора в DC електрически двигател.
Принципът на действие на БДКП
В безчетков електродвигател, за разлика от своя предшественик, ролята на механичен превключвател се изпълнява от електронен преобразувател. Това дава възможност да се реализира схема "отвътре навън" на БДКП - намотките му са разположени на статора, което премахва необходимостта от колектор.
С други думи, основната фундаментална разлика между класическия двигател и BDCT е, че вместо неподвижни магнити и въртящи се намотки, последният се състои от неподвижни намотки и въртящи се магнити. Въпреки факта, че самото превключване се извършва по подобен начин, физическото му изпълнение в безчетковите задвижвания е много по-сложно.
Основният проблем е прецизното управление на безчетков двигател, като се приеме правилната последователност и честота на превключване на отделните секции на намотката. Този проблем е конструктивно разрешим само ако е възможно непрекъснато да се определя текущото положение на ротора.
Необходимите данни за обработка от електрониката се получават по два начина:
- откриване на абсолютното положение на вала;
- измерване на напрежението, индуцирано в намотките на статора.
За осъществяване на управление по първия начин най-често се използват оптични двойки или сензори на Хол, фиксирани към статора, които реагират на магнитния поток на ротора. Основното предимство на такива системи за събиране на информация за положението на вала е тяхната работа дори при много ниски скорости и в покой.
Безсензорното управление за оценка на напрежението в бобините изисква поне минимално завъртане на ротора. Следователно в такива конструкции е осигурен режим на стартиране на двигателя до скорост, при който може да се оцени напрежението на намотките, а състоянието на покой се тества чрез анализиране на ефекта на магнитното поле върху импулсите на изпитвателния ток, преминаващи през намотките.
Въпреки всички тези трудности при проектирането, безчетковите двигатели набират все по-голяма популярност поради тяхната производителност и набор от характеристики, недостъпни за колекционерите. Кратък списък с основните предимства на BDKP пред класическите изглежда така:
- няма загуба на механична енергия поради триене на четката;
- сравнителна безшумност на работата;
- лекота на ускоряване и забавяне на въртенето поради ниската инерция на ротора;
- точност на управление на въртенето;
- възможността за организиране на охлаждане поради топлопроводимост;
- способност за работа при високи скорости;
- издръжливост и надеждност.
Съвременно приложение и перспективи
Има много устройства, за които увеличаването на времето за работа е критично. В такова оборудване използването на BDCT винаги е оправдано, въпреки относително високата им цена. Това могат да бъдат водни и горивни помпи, охлаждащи турбини за климатици и двигатели и др. Безчеткови двигатели се използват в много модели електрически превозни средства. В момента безчетковите двигатели са получили сериозно внимание от автомобилната индустрия.
BDKP са идеални за малки задвижвания, работещи в трудни условия или с висока точност: захранващи устройства и лентови транспортьори, индустриални роботи, системи за позициониране. Има области, в които безчетковите двигатели доминират безспорно: твърди дискове, помпи, безшумни вентилатори, малки електроуреди, CD/DVD устройства. Ниското тегло и високата изходна мощност превърнаха BDCT в основата на производството на модерни безжични ръчни инструменти.
Може да се каже, че сега се постига значителен напредък в областта на електрическите задвижвания. Продължаващият спад в цените на цифровата електроника създаде тенденция към широкото използване на безчеткови двигатели, които да заменят традиционните.
Тази статия подробно описва процеса на пренавиване на електрически безчетков двигател у дома. На пръв поглед този процес може да изглежда отнемащ време и дълъг, но ако го погледнете, едно пренавиване на двигателя ще отнеме не повече от час.
Двигателят попадна под вятъра
материали:
- Тел (0,3 mm)
- Лак
- Термосвиваемост (2 мм и 5 мм)
Инструменти:
- Ножица
- Резачки за тел
- поялник
- Припой и киселина
- Шкурка (пила)
- Запалка
Стъпка 1. Подготовка на двигателя и проводника.
Отстраняваме заключващата шайба от вала на двигателя и изваждаме статора.
Навиваме старата намотка от статора. Препоръчвам да броите броя на завоите на един зъб. Можете да разберете диаметъра на старата жица, като навиете 10 оборота на молив, измерете ширината на тази намотка с линийка и разделете на 10.
Внимателно проверяваме зъбите на статора за ожулвания на защитния емайл. Ако е необходимо, покрийте ги с лак (дори можете да лакирате ноктите).
С флумастер или маркер за дискове номерираме зъбите на статора, за да не объркаме и навием жицата на грешния зъб.
В този случай тел с диаметър 0,3 mm ще бъде навит на две нишки от 16 оборота на зъб. Това е приблизително 50 см двоен проводник на зъб + 20 см за изводи.
Тъй като един проводник е навит на 4 зъба с два проводника и има само 12 зъба, имаме нужда от три двойни проводника с дължина около 2,5 метра. По-добре е да го оставите с марж, отколкото да не е достатъчно няколко завъртания за последния зъб.
Стъпка 2. Навиване на зъбите на статора.
Намотката ще бъде разделена на три етапа, според броя на проводниците. За да не се объркате в заключенията на проводниците, можете да ги маркирате с парчета електрическа лента или пластир с надписи.
Умишлено не прилагам отделни снимки на всеки опакован зъб - цветовите схеми ще разкажат и покажат много повече.
Тел #1:
Схема на навиване
Оставете около 10 см тел, за да създадете повода (S1).
Навиваме първия проводник (на схемата - оранжев) на зъба №2 по часовниковата стрелкастрелка. Колкото по-плътни и гладки са завоите, толкова повече завои ще паснат на зъбите на статора.
След навиване на 16 оборота полагаме жицата към зъба №1 и ние вятър обратно на часовниковата стрелкастрелките също са 16 оборота.
№7 и навийте 16 оборота по часовниковата стрелкастрелка.
№8 и навийте 16 оборота обратно на часовниковата стрелкастрелки.
Оставяме 10 см тел, за да създадем изхода (E1), останалата част може да бъде отрязана.
Всичко, първият проводник е навит.
Проводник #2:
Схема на навиване
Оставете около 10 см тел, за да създадете повода (S2).
Навиваме 16 оборота на втория проводник (на диаграмата - зелен) върху зъба №6 по часовниковата стрелкастрелка.
Полагаме жицата към зъба №5 и навийте 16 оборота обратно на часовниковата стрелкастрелки.
След това опъваме жицата към зъба №11 и навийте 16 оборота по часовниковата стрелкастрелка.
След това полагаме жицата към зъба №12 и навийте 16 оборота обратно на часовниковата стрелкастрелки.
Оставяме 10 см тел, за да създадем изхода (E2), отрязваме останалото.
Вторият проводник е навит.
Проводник #3:
Схема на навиване
Оставете около 10 см тел, за да създадете повода (S3).
Навиваме 16 оборота на втория проводник (на диаграмата - син) върху зъба №10 по часовниковата стрелкастрелка.
Полагаме жицата към зъба №9 и навийте 16 оборота обратно на часовниковата стрелкастрелки.
След това опъваме жицата към зъба №3 и навийте 16 оборота по часовниковата стрелкастрелка.
След това полагаме жицата към зъба №4 и навийте 16 оборота обратно на часовниковата стрелкастрелки.
Оставяме 10 см тел, за да създадем изхода (E3), отрязваме останалото.
Третият проводник е навит.
Стъпка 3. Свързване на намотките.
Схема на свързване
Клема S1 и E2 (зъби №2 и №12 ) завъртете в основата на зъбите, като направите опашка с дължина 5-7 см.
По същия начин усукваме заключенията S2 и E3 (зъби №6 и №4 ), както и заключения S3 и E1 (зъби №10 и №8 )
На изводите опъваме тънка термосвиваема свивка по цялата дължина и до самата основа. След това леко го загрейте със запалка.
Събираме получените три извода заедно и затягаме с термосвиване с по-голям диаметър, като го издърпваме и до самата основа.
Домакински и медицински уреди, авиомоделиране, задвижвания за затваряне на тръби за газопроводи и нефтопроводи - това не е пълен списък с приложения за безчеткови DC двигатели (BD). Нека да разгледаме устройството и принципа на работа на тези електромеханични задвижвания, за да разберем по-добре техните предимства и недостатъци.
Обща информация, устройство, обхват
Една от причините за интереса към БД е нарасналата нужда от високоскоростни микромотори с прецизно позициониране. Вътрешната структура на такива устройства е показана на фигура 2.
Ориз. 2. Устройството на безчетковия двигателКакто можете да видите, дизайнът е ротор (котва) и статор, първият има постоянен магнит (или няколко магнита, подредени в определен ред), а вторият е оборудван с намотки (B) за създаване на магнитно поле.
Трябва да се отбележи, че тези електромагнитни механизми могат да бъдат както с вътрешна котва (този тип конструкция може да се види на фигура 2), така и външна (вижте фигура 3).
Ориз. 3. Дизайн с външен анкер (аутраннер) Съответно всеки от дизайните има специфичен обхват. Устройствата с вътрешна арматура имат висока скорост на въртене, поради което се използват в охладителни системи, като електроцентрали за дронове и др. Външни роторни задвижвания се използват там, където се изисква точно позициониране и устойчивост на претоварване на въртящия момент (роботика, медицинско оборудване, CNC машини и др.).
Принцип на действие
За разлика от други задвижвания, например AC индукционна машина, за работата на DB е необходим специален контролер, който включва намотките по такъв начин, че векторите на магнитните полета на котвата и статора да са перпендикулярни на всеки друго. Тоест, всъщност устройството на водача регулира въртящия момент, действащ върху DB арматурата. Този процес е ясно показан на фигура 4.
Както можете да видите, за всяко движение на арматурата е необходимо да се извърши определена комутация в намотката на статора на безчетков двигател. Този принцип на работа не позволява плавен контрол на въртенето, но дава възможност за бързо набиране на инерция.
Разлики между четкови и безчеткови двигатели
Задвижването от колекторен тип се различава от BD както по конструктивни характеристики (виж фиг. 5.), така и по принципа на работа.
Ориз. 5. A - колекторен двигател, B - безчетков Нека да разгледаме разликите в дизайна. Фигура 5 показва, че роторът (1 на фиг. 5) на двигател от колекторен тип, за разлика от безчетков, има намотки, които имат проста схема на намотка, а постоянните магнити (обикновено два) са монтирани на статора (2 на фиг. , 5 ). Освен това на вала е монтиран колектор, към който са свързани четки, които подават напрежение към намотките на котвата.
Опишете накратко принципа на работа на колекторните машини. При подаване на напрежение към една от бобините тя се възбужда и се образува магнитно поле. Той взаимодейства с постоянни магнити, което води до въртене на котвата и колектора, поставен върху нея. В резултат на това се подава захранване към другата намотка и цикълът се повтаря.
Честотата на въртене на арматура от този дизайн директно зависи от интензитета на магнитното поле, което от своя страна е пряко пропорционално на напрежението. Тоест, за да увеличите или намалите скоростта, достатъчно е да увеличите или намалите нивото на мощност. И за обръщане е необходимо да смените полярността. Този метод на управление не изисква специален контролер, тъй като контролерът за пътуване може да бъде направен на базата на променлив резистор, а конвенционален превключвател ще работи като инвертор.
Разгледахме конструктивните характеристики на безчетковите двигатели в предишния раздел. Както си спомняте, връзката им изисква специален контролер, без който те просто няма да работят. По същата причина тези двигатели не могат да се използват като генератор.
Заслужава да се отбележи също, че при някои задвижвания от този тип, за по-ефективен контрол, позициите на ротора се наблюдават с помощта на сензори на Хол. Това значително подобрява характеристиките на безчетковите двигатели, но води до увеличаване на цената на вече скъпия дизайн.
Как да стартирате безчетков двигател?
За да работи този тип устройство, е необходим специален контролер (вижте Фигура 6). Без него стартирането е невъзможно.
Ориз. 6. Безчеткови моторни контролери за моделиране Няма смисъл сами да сглобявате такова устройство, ще бъде по-евтино и по-надеждно да закупите готово. Можете да го изберете според следните характеристики, присъщи на драйверите на PWM канала:
- Максимално допустимият ток, тази характеристика е дадена за нормалната работа на устройството. Доста често производителите посочват този параметър в името на модела (например Phoenix-18). В някои случаи се дава стойност за пиков режим, който контролерът може да поддържа за няколко секунди.
- Максималното номинално напрежение за продължителна работа.
- Съпротивлението на вътрешните вериги на контролера.
- Допустим брой обороти, посочени в rpm. Над тази стойност контролерът няма да позволи увеличаване на въртенето (ограничението е реализирано на софтуерно ниво). Моля, обърнете внимание, че скоростта винаги се дава за 2-полюсни задвижвания. Ако има повече двойки полюси, разделете стойността на техния брой. Например, посочено е числото 60000 rpm, следователно за двигател с 6 магнита скоростта на въртене ще бъде 60000/3=20000 prm.
- Честотата на генерираните импулси, за повечето контролери, този параметър варира от 7 до 8 kHz, по-скъпите модели ви позволяват да препрограмирате параметъра, като го увеличите до 16 или 32 kHz.
Имайте предвид, че първите три характеристики определят капацитета на базата данни.
Безчетково управление на мотора
Както бе споменато по-горе, комутацията на задвижващите намотки се управлява електронно. За да определи кога да превключи, водачът следи позицията на арматурата с помощта на сензори на Хол. Ако задвижването не е оборудвано с такива детектори, тогава се взема предвид обратната ЕМП, която възниква в несвързаните намотки на статора. Контролерът, който всъщност е хардуерно-софтуерен комплекс, следи тези промени и задава реда на превключване.
Трифазен безчетков DC двигател
Повечето бази данни се изпълняват в трифазен дизайн. За управление на такова задвижване контролерът разполага с импулсен преобразувател DC към трифазен (виж фиг. 7).
Фигура 7. DB диаграми на напрежение За да обясните как работи такъв безчетков двигател, трябва да разгледате Фигура 4 заедно с Фигура 7, където всички етапи на задвижването са показани последователно. Нека ги запишем:
- Положителен импулс се прилага към бобини "A", докато отрицателен импулс се прилага към "B", в резултат на което арматурата ще се движи. Сензорите ще запишат движението му и ще подадат сигнал за следваща комутация.
- Намотка "A" се изключва и положителен импулс отива към "C" ("B" остава непроменен), след което се подава сигнал към следващия набор от импулси.
- На "С" - положителен, "А" - отрицателен.
- Работи двойка "Б" и "А", които получават положителни и отрицателни импулси.
- Положителен импулс се прилага отново към "B", а отрицателен импулс към "C".
- Намотките "A" се включват (подава се +) и на "C" се повтаря отрицателен импулс. След това цикълът се повтаря.
В привидната простота на управление има много трудности. Необходимо е не само да се проследи позицията на арматурата, за да се произведат следващите серии от импулси, но и да се контролира скоростта на въртене чрез регулиране на тока в намотките. Освен това трябва да изберете най-оптималните параметри за ускорение и забавяне. Също така си струва да се отбележи, че контролерът трябва да бъде оборудван с блок, който ви позволява да контролирате работата му. Появата на такова многофункционално устройство може да се види на фигура 8.
Ориз. 8. Многофункционален контролер на безчетков мотор Предимства и недостатъци
Електрическият безчетков двигател има много предимства, а именно:
- Срокът на експлоатация е много по-дълъг от този на конвенционалните колекционери.
- Висока ефективност.
- Бързо настройване на максимална скорост на въртене.
- По-мощен е от CD.
- Липсата на искри по време на работа позволява задвижването да се използва в пожароопасни условия.
- Не е необходимо допълнително охлаждане.
- Лесна работа.
Сега нека да разгледаме минусите. Съществен недостатък, който ограничава използването на бази данни, е тяхната относително висока цена (като се вземе предвид цената на драйвера). Сред неудобствата е невъзможността да се използва базата данни без драйвер, дори и за краткосрочно активиране, например за проверка на производителността. Проблем с ремонта, особено ако се налага пренавиване.
Двигателите се използват в много области на техниката. За да може роторът на двигателя да се върти, е необходимо въртящо се магнитно поле. При конвенционалните постояннотокови двигатели това въртене се извършва механично с помощта на четки, плъзгащи се по комутатора. Това причинява искрене и освен това, поради триенето и износването на четките, такива двигатели изискват постоянна поддръжка.
Благодарение на развитието на технологиите стана възможно генерирането на въртящо се магнитно поле по електронен път, което беше въплътено в безчеткови DC двигатели (BLDC).
Устройство и принцип на действие
Основните елементи на BDPT са:
- роторвърху които са фиксирани постоянни магнити;
- статорвърху които са монтирани намотките;
- електронен контролер.
По дизайн такъв двигател може да бъде два вида:
с вътрешно разположение на ротор (inrunner)
с външен ротор (извънредно устройство)
В първия случай роторът се върти вътре в статора, а във втория случай роторът се върти около статора.
inrunner двигателизползва се, когато е необходимо да се получат високи скорости на въртене. Този двигател има по-опростен стандартен дизайн, който позволява използването на фиксиран статор за монтиране на двигателя.
аутраннер двигателПодходящ за висок въртящ момент при ниски обороти. В този случай двигателят е монтиран с помощта на фиксирана ос.
inrunner двигателвисоки обороти, нисък въртящ момент. аутраннер двигател- ниска скорост, висок въртящ момент.
Броят на полюсите в BLDT може да бъде различен. По броя на полюсите можете да прецените някои от характеристиките на двигателя. Например, двигател с ротор с 2 полюса има по-голям брой обороти и малък въртящ момент. Двигателите с повече полюси имат повече въртящ момент, но по-малко обороти. Чрез промяна на броя на полюсите на ротора можете да промените броя на оборотите на двигателя. По този начин, чрез промяна на дизайна на двигателя, производителят може да избере необходимите параметри на двигателя по отношение на въртящ момент и скорост.
Дирекция БДПТ
Контролер на скоростта, външен вид
Използва се за управление на безчетков двигател специален контролер - регулатор на скоростта на вала на двигателяпостоянен ток. Неговата задача е да генерира и доставя в точното време на правилната намотка на необходимото напрежение. Контролерът за устройства, захранвани от 220 V, най-често използва инверторна схема, в която токът с честота 50 Hz се преобразува първо в постоянен ток, а след това в сигнали с широчинно-импулсна модулация (PWM). За подаване на напрежение към намотките на статора се използват мощни електронни превключватели на биполярни транзистори или други силови елементи.
Регулирането на мощността и броя на оборотите на двигателя се извършва чрез промяна на работния цикъл на импулсите и, следователно, ефективната стойност на напрежението, подадено към намотките на статора на двигателя.
Принципна схема на регулатора на скоростта. K1-K6 - ключове D1-D3 - сензори за положение на ротора (сензори на Хол)
Важен въпрос е навременното свързване на електронни ключове към всяка намотка. За да се гарантира това контролерът трябва да определи позицията на ротора и неговата скорост. За получаване на такава информация могат да се използват оптични или магнитни сензори (напр. сензори на Хол), както и обратни магнитни полета.
По-честа употреба сензори на Хол, който реагират на наличието на магнитно поле. Сензорите са поставени върху статора по такъв начин, че да се влияят от магнитното поле на ротора. В някои случаи сензорите са инсталирани в устройства, които ви позволяват да промените позицията на сензорите и съответно да регулирате времето.
Регулаторите на скоростта на ротора са много чувствителни към количеството ток, преминаващ през него. Ако изберете акумулаторна батерия с по-висок ток, регулаторът ще изгори! Изберете правилната комбинация от характеристики!
Предимства и недостатъци
В сравнение с конвенционалните двигатели, BLDC двигателите имат следните предимства:
- висока ефективност;
- висока производителност;
- възможност за промяна на скоростта;
- без искрящи четки;
- малки шумове, както в звуковия, така и във високочестотния диапазон;
- надеждност;
- способност да издържа на претоварване на въртящия момент;
- отлично съотношение размер към мощност.
Безчетковият мотор е високоефективен. Може да достигне 93-95%.
Високата надеждност на механичната част на DB се обяснява с факта, че използва сачмени лагери и няма четки. Размагнитването на постоянните магнити е доста бавно, особено ако са направени с помощта на редкоземни елементи. Когато се използва в контролер за текуща защита, животът на този възел е доста висок. Всъщност експлоатационният живот на BLDC може да се определи от експлоатационния живот на сачмените лагери.
Недостатъците на BDP са сложността на системата за управление и високата цена.
Приложение
Обхватът на BDTP е както следва:
- създаване на модели;
- лекарството;
- автомобилен;
- Петролна и газова индустрия;
- уреди;
- военна техника.
Използване БД за авиомоделидава значително предимство по отношение на мощността и размерите. Сравнението на конвенционален двигател с четка Speed-400 и BDTP от същия клас Astro Flight 020 показва, че първият тип двигател има ефективност от 40-60%. Ефективността на втория двигател при същите условия може да достигне 95%. По този начин използването на DB позволява почти да се удвои мощността на силовата част на модела или неговото полетно време.
Поради ниския шум и липсата на отопление по време на работа, BLDCs се използват широко в медицината, особено в стоматологията.
В автомобилите се използват такива двигатели стъклени повдигачи, електрически чистачки, устройства за измиване на фаровете и електрически контроли за повдигане на седалките.
Без комутатор и искри по четкитепозволява използването на базата данни като елементи на заключващи устройства в нефтената и газовата индустрия.
Като пример за използването на DB в домакински уреди можем да отбележим пералня с директно задвижване на барабана от LG. Тази компания използва BDTP тип Outrunner. На ротора на двигателя има 12 магнита, а на статора - 36 индуктора, които са навити с тел с диаметър 1 mm върху магнитопроводими стоманени сърцевини. Намотките са свързани последователно с 12 намотки на фаза. Съпротивлението на всяка фаза е 12 ома. Сензорът на Хол се използва като сензор за положение на ротора. Роторът на двигателя е прикрепен към ваната на пералнята.
Навсякъде този двигател се използва в твърди дискове за компютри, което ги прави компактни, в CD и DVD устройства и охладителни системи за микроелектронни устройства и не само.
Наред с DU с ниска и средна мощност, големите BLDC все повече се използват в тежкотоварната, морската и военната промишленост.
Мощни бази данни, предназначени за ВМС на САЩ. Например, Powertec разработи 220kW 2000rpm CBTP. Въртящият момент на двигателя достига 1080 Нм.
В допълнение към тези области, DBs се използват при проектирането на металорежещи машини, преси, линии за обработка на пластмаси, както и във вятърната енергия и използването на енергия от приливни вълни.
Характеристики
Основни характеристики на двигателя:
- оценена сила;
- максимална мощност;
- максимален ток;
- максимално работно напрежение;
- максимална скорост(или фактор Kv);
- съпротивление на намотката;
- водещ ъгъл;
- работен режим;
- общи характеристики на теглотодвигател.
Основният показател на двигателя е неговата номинална мощност, тоест мощността, генерирана от двигателя за дълго време на неговата работа.
максимална сила- това е мощността, която двигателят може да даде за кратък период от време, без да се срине. Например за безчетковия мотор Astro Flight 020, споменат по-горе, той е 250 вата.
Максимален ток. За Astro Flight 020 е 25 A.
Максимално работно напрежение- напрежението, което могат да издържат намотките на двигателя. Astro Flight 020 е настроен да работи при 6V до 12V.
Максимални обороти на двигателя. Понякога в паспорта се посочва коефициентът Kv - броят обороти на двигателя на волт. За Astro Flight 020 Kv= 2567 об./мин. В този случай максималният брой обороти може да се определи чрез умножаване на този коефициент по максималното работно напрежение.
Обикновено съпротивление на намоткатаза двигатели е десети или хилядни от ома. За Astro Flight 020 R= 0,07 ома. Това съпротивление влияе върху ефективността на BPDT.
водещ ъгълпредставлява напредването на превключващите напрежения върху намотките. Свързва се с индуктивния характер на съпротивлението на намотките.
Режимът на работа може да бъде дългосрочен или краткосрочен. При продължителна работа двигателят може да работи дълго време. В същото време топлината, генерирана от него, се разсейва напълно и не прегрява. В този режим двигателите работят например във вентилатори, конвейери или ескалатори. Моментният режим се използва за устройства като асансьор, електрическа самобръсначка. В тези случаи двигателят работи за кратко и след това изстива за дълго време.
В паспорта на двигателя са посочени неговите размери и тегло. Освен това, например, за двигатели, предназначени за модели на самолети, са дадени размери за кацане и диаметър на вала. По-специално, следните спецификации са дадени за двигателя на Astro Flight 020:
- дължината е 1,75”;
- диаметърът е 0,98”;
- диаметърът на вала е 1/8”;
- теглото е 2,5 унции.
Изводи:
- В моделирането, в различни технически продукти, в индустрията и в отбранителната техника се използват BLDC, в които въртящо се магнитно поле се генерира от електронна схема.
- По своята конструкция BLDCs могат да бъдат с вътрешно (inrunner) и външно (outrunner) разположение на ротора.
- В сравнение с други двигатели, BLDC двигателите имат редица предимства, основните от които са липсата на четки и искри, висока ефективност и висока надеждност.
