Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

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

Загальні відомості, пристрій, сфера застосування

Одна з причин прояву інтересу до БД - це зросла потреба в високооборотних мікродвигуна, що володіють точним позиціонуванням. Внутрішній устрій таких приводів продемонстровано на малюнку 2.

Мал. 2. Пристрій бесколлекторного двигуна

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

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

Мал. 3. Конструкція з зовнішнім якорем (outrunner)

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

Безколекторний двигун в комп'ютерному дисководі

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, діючий на якір БД. Наочно цей процес продемонстрований на малюнку 4.

Фази роботи бесколлекторного приводу

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

Відмінності колекторного і бесколлекторного 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 бесколлекторного, має котушки, у яких проста схема намотування, а постійні магніти (як правило, 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 порушення, і утворюється магнітне поле. Воно вступає у взаємодію з постійними магнітами, це змушує провертатися якір і розміщений на ньому колектор. В результаті харчування подається на іншу обмотку і цикл повторюється.

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

Конструктивні особливості двигунів бесколлекторного типу ми розглядали в попередньому розділі. Як ви пам'ятаєте, їх підключення вимагає наявності спеціального контролера, без якого вони просто не будуть працювати. З цієї ж причини ці двигуни не можуть використовуватися як генератор.

Варто також відзначити, що в деяких приводах даного типу для більш ефективного управління відслідковуються положення ротора за допомогою датчиків Холла. Це істотно покращує характеристики безколекторних двигунів, але призводить до подорожчання і так недешевого конструкції.

Як запустити безколекторний двигун?

Щоб змусити працювати приводи даного типу, буде потрібно 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 буде придбати готовий. Підібрати його можна за такими характеристиками, властивим драйверам шим каналів:

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

Звернемо увагу, що перші три характеристики визначають потужність БД.

Управління безколекторним двигуном

Як вже зазначалося вище, управління комутацією обмоток приводу здійснюється електронікою. Щоб визначити, коли виробляти перемикання, драйвер відслідковує положення якоря за допомогою датчиків Холла. Якщо привід не споряджений такими детекторами, то в розрахунок береться зворотна ЕРС, яка виникає в непідключених котушках статора. Контролер, який, по суті, є апаратно-програмним комплексом, відстежує ці зміни і задає порядок комутації.

Трифазний безколекторний електродвигун постійного струму

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

Малюнок 7. Діаграми напруг БД

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

  1. На котушки «А» подається позитивний імпульс, в той час як на «В» - негативний, в результаті якір зрушиться. Датчиками зафіксується його рух і подасться 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» і «А», на які надходять позитивний і негативний імпульси.
  5. Позитивний імпульс повторно подається на «В», і негативний на «С».
  6. Чи включаються котушки «А» (подається +) і повторюється негативний імпульс на «С». Далі цикл повторюється.

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

Мал. 8. Багатофункціональний контролер управління 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 більш потужний, ніж КД.
  • Відсутність іскор при роботі дозволяє використовувати привід в пожежонебезпечних умовах.
  • Не потрібно додаткове охолодження.
  • Проста експлуатація.

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

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Категорія:

Електрик