Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Постійне вдосконалення технологій та розвиток точного електроустаткування призводить до створення нових та перетворення старих пристроїв. Такому вдосконаленню піддаються і електричні машини, які неодноразово перетворювалися для точного позиціонування. При масовому впровадженні напівпровідникових приладів з'явилася можливість замінити класичні щітки на p-n переходи, внаслідок чого було створено вентильний двигун.

Конструкція та принцип роботи

Конструктивно вентильний агрегат є різновидом синхронного двигуна.

До його складу входять:

  • Ротор, як правило, з магнітного матеріалу, що реагує на вплив електромагнітного поля.
  • Статор, що включає фази обмоток, намотані в котушки станину і діелектричну прокладку.
  • Вимірювальні датчики (найчастіше Холла), що дозволяють визначити положення обертання валу.
  • Мікропроцесорний блок, що формує імпульси, їх форму, що задають частоту обертання ротора, порівнює показання датчиків і змінного струму, що подається на фазні обмотки.

Приклад конструкції вентильного двигуна наведено на малюнку нижче:

Мал. 1. Конструкція вентильного двигуна

Принцип роботи вентильного двигуна полягає в чіткому позиціонуванні постійних магнітів на роторі по відношенню до сформованого піку електромагнітного імпульсу на фазних електричних обмотках.При русі магнітів датчики сприймають інформацію про їхнє становище в просторі і змінюють пропускну здатність реактивних вентильних перетворювачів, що дозволяє обертатися валу далі. Таким чином, управління обертанням здійснюється без використання ковзного контакту, тому дана категорія електричних машин відноситься до категорії безколекторних електродвигунів.

Статор

Мал. 2. Конструкція статора вентильного двигуна

Конструктивно статор мало чим відрізняється від класичних моделей синхронних та асинхронних двигунів. Це металевий цільнолітий або набірний магнітопровід, в пазах якого укладаються фазні дроти. Кількість обмоток якоря визначається числом фаз, що підключаються, і періодичністю їх чергування. Чим частіше укладено обмотки статора, тим точніше контролюється обертання вентильного електродвигуна.

Полюси статора також можуть характеризуватись зміщенням на строго певний кут, як і його обмотки. За кількістю фаз комутації вентильні двигуни бувають дво-, три-, чотири-і шестифазними.

Ротор

Залежно від конструкції ротора безконтактні двигуни можуть мати внутрішньороторне та зовнішньороторне виконання.

Мал. 3. Зовнішньороторні та внутрішньороторні моделі

Кількість пар полюсів також може відрізнятися, але вже без будь-яких прив'язок до обмоток, як правило, цей параметр варіюється від двох до шістнадцяти з парним кроком.

У більш старих моделях для безколекторних двигунів використовувалися постійні магніти з феритових сплавів. Які відрізнялися доступністю і відносно нижчою собівартістю, але мали дуже низькі показники індукції. Проте з поступовим розвитком технологій на зміну їм прийшли магнітні елементи з рідкісноземельних металів. Цей варіант має більш точне позиціонування, але і коштує він дорожче.

Мал. 4. Вентильний двигун із зовнішнім ротором

Датчик положення ротора

У синхронних електродвигунах датчик необхідний для здійснення зворотного зв'язку з положенням валу механічного пристрою. Залежно від принципу дії можуть застосовуватись датчики:

  • Фотоелектричного принципу дії;
  • Трансформаторного;
  • Індуктивного;
  • На ефекті Холла.
Мал. 5. Датчик положення ротора

Найбільш поширеними варіантами для практичної реалізації стали фотоелектричні датчики та датчики з ефектом Холла. Вони мають більшу точність і менше запізнюються при передачі даних у каналі зв'язку. Датчики прив'язуються до певних маркерів на валу і реагують на їх проходження.

Система управління

До складу блоку керування, як правило, входить мікроконтролер та електронний ключ для підключення до дво- або трифазних обмоток двигуна.Мікроконтролер або мікропроцесор необхідний для обробки одержуваних з датчиків сигналів і подальшого перетворення синусоїдальної комутації більш зручну форму сигналу. Електричні перетворювачі виконується на базі напівпровідникових транзисторів, з'єднаних за бруківкою. Вони проводять широтно-імпульсну модуляцію напруги живлення відповідно до заданого режиму роботи.

Мал. 6. Електронний ключ вентильного двигуна

Класифікація

За типом живлення вентильні електричні машини поділяються на електродвигуни постійного та змінного струму.

За способом взаємодії магнітного поля статора та ротора зустрічаються синхронні, асинхронні та індукторні апарати.

Окрім цього, залежно від кількості задіяних фаз вони поділяються на:

  • Однофазні - являю собою найбільш простий варіант, де використовується мінімум ліній передачі напруги живлення від блоку управління до його обмоток. Однак у деяких позиціях існує труднощі пуску такого вентильного двигуна під навантаженням.
  • Двофазні - мають хороший зв'язок між обмоткою і статором. Але видають досить сильні пульсації, які можуть призвести до негативних наслідків у роботі.
  • Трифазні - найбільш поширені варіанти, здатні видати плавний пуск і нормальний режим роботи вентильного двигуна. Характеризується парною кількістю обмоток та хорошими тяговими характеристиками. До його недоліків відносять лише надмірний шум під час роботи.
  • Чотирьохфазні - характеризуються мінімальними пульсаціями низьким пусковим моментом. Але, в порівнянні з іншими моделями, вони мають високу собівартість, через що застосовуються рідко.
Мал. 7. Чотирифазний вентильний двигун

Технічні характеристики

При виборі конкретної моделі важливо визначити її відповідність місцю установки, тому важливо звертати увагу на такі характеристики вентильних двигунів:

  • номінальна напруга - визначає живильну величину, яка повинна подаватися на вентильний двигун для отримання номінального зусилля;
  • споживана потужність - характеристика електродвигуна, що показує величину потужності, що витрачається на роботу пристрою;
  • ККД - показує співвідношення корисної роботи, що здійснюється вентильним двигуном до витраченої потужності;
  • потужність на валу - корисна робота електричної машини, що здійснюється за рахунок тягового зусилля;
  • номінальна частота - визначає кількість обертів за хвилину, які вентильний двигун може здійснювати в номінальному режимі роботи;
  • діапазон регулювання частоти - показує, у яких межах можна змінювати частоту обертів валу для конкретної моделі;
  • номінальний момент, що крутить - визначає зусилля, створюване на валу вентильного двигуна при оптимальних параметрах роботи, також у параметрах може регламентуватися пусковий і максимальний момент;
  • коефіцієнт навантаження - показує, наскільки знижується ефективність електричної машини, залежно від підйому над рівнем моря;
  • габаритні розміри та маса вентильного двигуна.

Переваги та недоліки

У порівнянні з іншими типами електричних машин, вентильний двигун має ряд якісних відмінностей, що дають йому як вигідну перевагу, так і певні недоліки.

До переваг вентильних двигунів відносять:

  • Щодо невеликої величини магнітних втрат через відсутність постійно діючого поля, як у класичних синхронних та асинхронних електродвигунах.
  • Забезпечує безпечне обертання навіть з максимальним навантаженням, на відміну від колекторних електродвигунів.
  • За рахунок вбудованого перетворювача частоти комутація вентильного перетворювача забезпечує широкий спектр швидкостей обертання, які відрізняються плавним переходом від однієї до наступної.
  • Хороша динаміка роботи та точність позиціонування, здатна створити конкуренцію кроковим двигунам.
  • Щодо великого ступеня надійності та тривалого терміну експлуатації без обслуговування за рахунок відсутності ковзного контакту, на відміну від колекторних двигунів.
  • Може застосовуватися у вибухонебезпечному середовищі, на відміну від електродвигунів постійного та змінного струму зі щітками.

До недоліків вентильних агрегатів слід віднести їхню високу собівартість, наявність додаткових елементів, що ускладнюють подальшу експлуатацію. Також суттєвим мінусом вважається складність управління та завдання логіки переміщення робочих органів трифазних безколекторних двигунів відповідно до мінливих факторів виробничого процесу.

Застосування

Вентильні двигуни застосовуються у всіх сферах, де потрібно регулювати швидкість обертання робочого елемента. Такі синхронні приводи мають точне позиціонування і застосовуються для комп'ютерної техніки, пристроїв приводу, вінчестера, кулери обдування і т.д.

Мал. 8. Вентильний двигун у комп'ютері

Крім цього, він використовується в робототехніці, будівництві супутників, літальних апаратів. Для побутової техніки, у пристроях автомобілебудування, у медичній сфері. Також знайшов широке застосування в верстатному обладнанні, гірничодобувних машинах, використовується в компресорних установках та насосних станціях.

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Категорія: