Безщеточный двигатель что это такое

Документация

В этом примере показано, как системная модель бесщеточного двигателя постоянного тока (i.e. сервопривод), может быть создан и параметрирован на основе информации о таблице данных. Двигатель и драйвер моделируются как одна подсистема маскированная. При просмотре модели в Simulink® выберите Motor и блок драйверов, и введите Ctrl+U, чтобы посмотреть под маской и видеть структуру модели.

Эта модель бесщеточного двигателя постоянного тока использует стандартную настройку. Внутренняя обратная связь управляет текущий, и внешняя обратная связь контролирует скорость вращения двигателя. Спрос на скорость установлен напряжением, представленным в контакте Vref и моторном направлении напряжением, представленным в контакте Vdir. Если напряжение в контакте Vbrk идет высоко, то Vref заменен, и спрос на скорость обнуляется, чтобы реализовать торможение.

В этой модели спрос на скорость установлен в 2 В, который соответствует 40,000 об/мин. После одной секунды контакт Vdir установлен высоко, и моторные реверсы к-40,000rpm. В 2 секунды тормозящий контакт Vbrk установлен высоко, и двигатель замедляется, чтобы обнулить об/мин. КПД бесщеточного двигателя постоянного тока вычисляется как отношение механической энергии к электроэнергии в. Следовательно это может быть кратковременно за пределами от 0 до 100-процентной области значений из-за инерции ротора.

Таблица данных производителя для бесщеточного двигателя постоянного тока дает крутящий момент останова как 0.44mNm, максимальная допустимая скорость как 100,000 об/мин, механическая постоянная времени как 5 мс, инерция ротора как 0.005gcm^2, КПД как 41 процент в 0.23mNm и 40,000 об/мин, ток без загрузок как 22mA и номинальное напряжение как 12 В. Постоянная времени основана на использовании моторного драйвера производителя, который использует коммутацию блока. Моторный драйвер может быть сконфигурирован так, чтобы, когда напряжение ссылки скорости как в его максимуме +5V, скорость, которой управляют, составила 100,000 об/мин.

Блок Servomotor в подсистеме Двигателя и драйвера используется, чтобы смоделировать внутреннюю текущую обратную связь плюс механические энергии баланса и электроэнергии. Для разработки системы не обычно необходимо смоделировать текущее переключение, которым управляет моторный драйвер, тогда как обеспечение правильных характеристик скорости крутящего момента и текущий чертивший от предоставления DC. Вектор из максимальных значений крутящего момента на практике определяется максимальным текущим драйвером. Моторные драйверы обычно имеют максимальную текущую установку, которая должна быть соответствующей к максимальному расчетному крутящему моменту двигателя или максимальному крутящему моменту, который должен быть применен к загрузке, если двигатель чрезмерно определен. Здесь вектор из максимальных значений крутящего момента собирается быть моторным крутящим моментом останова до и вне максимальной скорости 100,000 об/мин. Предположение — то, что система, в которой используются двигатель и драйвер, будет заботиться об обеспечении, что двигатель не перегревается путем работы слишком долго в высоком крутящем моменте и комбинациях скорости.

Моторные электрические потери состоят из двух условий. Первой является постоянная составляющая потерь, которая независима от загрузки, и это вычисляется как Vcc*I0, где Vcc является номинальным напряжением питания, и I0 является постоянный ток без загрузок, чертивший от источника питания драйвера. Обратите внимание на то, что, если коммутация блока используется, что касается драйвера, этот пример на основе, I0 будет дважды током в энергичной обмотке фазы. Второй термин потерь пропорционален квадрату мгновенной текущей обмотки для электродвигателя. Это может быть аппроксимировано как термин, который пропорционален квадрату среднего крутящего момента. Два условия потерь реализованы блоком Servomotor.

Существует три параметра маски Двигателя и драйвера, которые должны быть настроены, чтобы совпадать со значениями таблицы данных. Это пропорциональное и интегральные составляющие для контроллера обратной связи скорости и постоянная времени для токового контроллера внутреннего цикла. Здесь, таблица данных дает постоянную времени без загрузок как 5 мс. Типичное эмпирическое правило — то, что внутренний цикл управления должен быть по крайней мере в десять раз быстрее, чем внешний контур. Это означает постоянную времени 0,5 мс для токового контроллера. С этим набором значений затем увеличен пропорциональный термин, пока постоянная времени скорости не составляет приблизительно 5 мс. Интегральная составляющая должна затем быть установлена при выполнении шага скорости при загрузке и увеличена, пока установившаяся ошибка не удалена в порядке 5 мс. Некоторая точная настройка двух усилений затем необходима, чтобы восстановить время нарастания на 5 мс ни при какой загрузке.

Что такое бесколлекторный двигатель постоянного тока, как он устроен и работает

Определение

Бесколлекторным называют электродвигатель постоянного тока, ток в обмотках которого переключает специальное устройство-коммутатор — он носит название «драйвер» или «инвертор» и эти обмотки всегда расположены на статоре. Коммутатор состоит из 6 транзисторов, они и подают ток в ту или иную обмотку, в зависимости от положения ротора.

В отечественной литературе такие двигатели называют «вентильными» (потому что полупроводниковые ключи называют «вентилями»), и есть разделение таких электромашин на два вида по форме противо—ЭДС. В зарубежной литературе такое различие сохраняется, один из них называют аналогично русскому «BLDC» (brushless direct current drive или motor), что в дословном переводе звучит как «бесщёточный двигатель постоянного тока» в их обмотках возникает трапецеидальная ЭДС. Вентильные же электродвигатели с синусоидальной ЭДС называют PMSM (Permanent magnet synchronous machine), что переводится как «синхронный электродвигатель с возбуждением постоянными магнитами».

Устройство и принцип действия

Коллектор в КДПТ служит узлом переключения тока в обмотках якоря. В бесколлекторном электродвигателе постоянного тока (БДПТ) эту роль выполняют не щетки с ламелями, а коммутатор она полупроводниковых ключах — транзисторах. Транзисторы переключают обмотки статора, создавая вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с полем магнитов ротора. А при протекании тока через проводник, который находится в магнитном поле, на него действует сила Ампера, за счет действия этой силы и образуется крутящий момент на валу электрических машин. На этом и основан принцип работы любого электродвигателя.

Теперь же разберемся в том, как устроен бесколлекторный двигатель. На статоре БДПТ обычно расположены 3 обмотки, по аналогии с электродвигателями переменного тока их часто называют трехфазными. Отчасти это верно: бесколлекторные двигатели работают от источника постоянного тока (чаще от аккумуляторов), но контроллер включает ток обмотках поочерёдно. Однако при этом не совсем верно говорить, что по обмоткам протекает переменный ток. Конечная форма питающего обмотки напряжения формируется прямоугольными импульсами управления транзисторами.

Трёхфазный бесколлекторный двигатель может быть трёхпроводными или четырёхпроводным, где четвертый провод — отвод от средней точки (если обмотки соединены по схеме звезды).

Обмотки или, говоря простым словами, катушки медного провода укладываются в зубы сердечника статора. В зависимости от конструкции и назначения привода на статоре может быть разное количество зубцов. Встречаются разные варианты распределения обмоток фаз по зубцам ротора, что иллюстрирует следующий рисунок.

Обмотки каждого из зубов в пределах одной фазы могут соединяться последовательно или параллельно, в зависимости от поставленных конструктору задач по мощности и моменту проектируемого привода, а сами же обмотки фаз соединяются между собой по схеме звезды или треугольника, подобно асинхронным или синхронным трёхфазными электродвигателям переменного тока.

В статоре могут устанавливаться датчики положения ротора. Часто используются датчики холла, они дают сигнал контроллеру, когда на них воздействует магнитное поле магнитов ротора. Это нужно для того чтобы контроллер «знал», в каком положении находится ротор и подавал питание на соответствующие обмотки. Это нужно для повышения эффективности и стабильности работы, а если кратко, — чтобы выжать из двигателя всю возможную мощность. Датчиков обычно устанавливается 3 штуки. Но наличие датчиков усложняет устройство бесколлекторного электродвигателя, к ним нужно проводить дополнительные провода для питания и линии данных.

В БДПТ для возбуждения используются постоянные магниты, установленные на роторе, а статор — это якорь. Напомним, что в коллекторных машинах наоборот (ротор — это якорь), а для возбуждения в КД используются как постоянные магниты, так и электромагниты (обмотки).

Магниты устанавливаются с чередованием полюсов, и соответственно их количество определяет количество пар полюсов. Но это не значит, что сколько магнитов, то столько же и пар полюсов. Несколько магнитов могут формировать один полюс. От числа полюсов, как в случае и с асинхронным двигателем (и другими) зависит число оборотов в минуту. То есть от одного контроллера на одинаковых настройках бесколлекторные двигатели с разным числом пар полюсов будут вращаться с разной скоростью.

Виды БДПТ

Теперь давайте разберемся, какими бывают бесколлекторные двигатели на постоянных магнитах. Их классифицируют по форме противо-ЭДС, конструкции, а также по наличию датчиков положения ротора. Итак, два основных типа отличающихся формой противо-ЭДС, которая наводится в обмотках при вращении ротора:

• BLDC — в них трапецеидальная противо-ЭДС;
• PMSM — противо-ЭДС синусоидальная.

В идеальном случае для них нужны разные источники питания (контроллеры), но на практике они взаимозаменяемы. Но если использовать контроллер с прямоугольными или трапецеидальным выходным напряжением с PMSM-двигателем, то будут слышны характерные звуки, похожие на стук во время вращения.

А по конструкции бесколлекторные двигатели постоянного тока бывают:

• С внутренним ротором. Это более привычное представление электродвигателя, когда статор — это корпус, а вращается вал, расположенный в нём. Часто их называют английским словом «Inrunner». Такой вариант обычно применяют для высокооборотистых электродвигателей
• С внешним ротором. Здесь вращается внешняя часть двигателя с закреплённым на ней валом, в англоязычных источниках его называют «outrunner». Эту схему устройства используют, когда нужен высокий момент.

Выбирают конструкцию в зависимости от того для чего нужен бесколлекторный двигатель в конкретном применении.

Современная промышленность выпускает бесколлекторные двигатели как с датчиками положения ротора, так и без них. Дело в том, что существует множество способов управления БДПТ, для некоторых из них нужны датчики положения, другие определяют положения по ЭДС в обмотках, третьи и вовсе просто подают питание на нужные фазы и электродвигатель самостоятельно синхронизируется с таким питанием и входит в рабочий режим.

Основные характеристики бесколлекторных двигателей постоянного тока:

1. Режим работы — длительный или кратковременный.
2. Максимальное рабочее напряжение.
3. Максимальный рабочий ток.
4. Максимальная мощность.
5. Максимальные обороты, часто указывают не обороты, а KV — об/в, то есть количество оборотов на 1 вольт приложенного напряжения (без нагрузки на валу). Чтобы получить максимальные обороты — умножьте это число на максимальное напряжение.
6. Сопротивление обмотки (чем оно меньше, тем выше КПД), обычно составляет сотые и тысячные доли Ома.
7. Угол опережения фазы (timing) — время, через которое ток в обмотке достигнет своего максимума, это связано с её индуктивностью и законами коммутации (ток в индуктивности не может измениться мгновенно.

Схема подключения

Как было сказано выше, для работы бесколлекторного двигателя нужен специальный контроллер. На алиэкспресс можно найти как комплекты из двигателя и контроллера, так и по отдельности. Контроллер также называют ESC Motor или Electric Speed Controller. Выбирают их по силе тока, отдаваемого в нагрузку.

Обычно подключение электродвигателя к контроллеру не вызывает затруднений и понятно даже для чайников. Главное, что нужно знать — для смены направления вращения нужно изменить подключение любых двух фаз, собственно также, как и в трёхфазных асинхронных или синхронных электродвигателях.

В сети есть и ряд технических решений и схем как сложных, так и для чайников, которые вы можете увидеть ниже.

В этом видеоролике автор рассказывает, как подружить БК моторчик с «ардуиной».

А в этом ролике вы узнаете о различных способах подключения к разным регуляторам и как его можно сделать своими руками. Автор демонстрирует это на примере моторчика от HDD, и пары мощных экземпляров — inrunner и outrunner.

Кстати схему из видео для повторения также прикладываем:

Где применяются бесколлекторные двигатели

Сфера применения таких электродвигателей досрочно широка. Они используются как для привода мелких механизмов: в дисководах CD, DVD-приводах, жёстких дисках, так и в мощных устройствах: аккумуляторе и сетевом электроинструменте (с питанием порядка 12В), радиоуправляемых моделях (например, квадрокоптерах), станках ЧПУ для привода рабочего органа (обычно моторчики с номинальным напряжением 24В или 48В).

Широкое применение БДПТ нашли в электротранспорте, почти все современные мотор-колеса электросамокатов, велосипедов, мотоциклов и автомобилей — это бесколлекторные двигатели. К слову, номинальное напряжение электродвигателей для транспорта лежит в широком пределе, например, мотор-колесо для велосипеда зачастую работает от 36В или от 48В, за редким исключением и больше, а в автомобилях, например, на Toyota Prius порядка 120В, а на Nissan Leaf – доходит до 400, при том что заряжается от сети 220В (это реализуется с помощью встроенного преобразователя).

На самом деле область применения бесколлекторных электродвигателей очень обширна, отсутствие коллекторного узла позволяет его применять опасных местах, а также в местах с повышенной влажностью, без опасений замыканий, искрения или возгорания из-за дефектов в щеточном узле. Благодаря высокому КПД и хорошим массогабаритным показателям они нашли применение и в космической промышленности.

Преимущества и недостатки

Бесколлекторным двигателям постоянного тока, как и другим видам электромашин, присущи определенные достоинства и недостатки.

Преимущества у БДПТ заключаются в следующем:

• Благодаря возбуждению мощными постоянными магнитами (неодимовыми, например) превосходят по моменту и мощности и имеют меньшие габариты, чем асинхронные двигатели. Чем пользуется большинство производителей электротранспорта — от самокатов до автомобилей.
• Нет искрящего щеточно-коллекторного узла, который требует регулярного обслуживания.
• При использовании качественного контроллера в отличие от того же КД не выдают помехи в питающую сеть, что особенно важно в радиоуправляемых устройствах и транспорте с развитым электронным оборудованием в бортовой сети.
• КПД более 80, чаще и 90%.
• Высокая скорость вращения, в отдельных случаях до 100000 об/мин.

Но есть и существенный минус: бесколлекторный двигатель без контроллера — просто кусок железа с медной обмоткой. Он никак не сможет работать. Контроллеры стоят недешево и чаще всего их приходится заказывать в интернет-магазинах или с алиэкспресс. Из-за этого использовать БК-моторы в моделях и устройствах домашнего производства не всегда возможно.

Теперь вы знаете, что такое бесколлекторный двигатель постоянного тока, как он работает и где применяется. Надеемся, наша статья помогла вам разобраться во всех вопросах!

EC-вентиляторы — инновации для энергосбережения

EC-мотор = электродвигатель с электронной коммутацией

ЕС-мотор – это бесколлекторный двигатель постоянного тока со встроенными в ротор постоянными магнитами и электронной коммутацией. Электронно-коммутируемый мотор (Electronically Commutated) представляет собой бесщеточный двигатель, принцип работы которого аналогичен организации работы двигателя постоянного тока.

Принцип работы ЕС-двигателя

Плавность и точность регулирования скорости EC-двигателя (EC-motor) обеспечивается встроенной коммутационной электроникой — контроллером. Магнитное поле, создаваемое встроенными в ротор постоянными магнитами, реагирует на изменение вектора магнитного поля через изменение направления тока в обмотке статора.

С целью наиболее точного регулирования скорости вращения ротора контроллер постоянно вычисляет и подает на обмотку статора ток нужной полярности. Двигатель очень чутко реагирует на изменение управляющих сигналов (токовых 4–20 мА или потенциальных 0–10В) и обеспечивает вращения ротора с заданной скоростью и с наименьшими энергозатратами.

Подключение осуществляется непосредственно к источнику постоянного напряжения, или через модуль коммутации — к источнику переменного тока (220В, 380В). Через шины или приборный интерфейс возможно управление группами вентиляторов через ПК или КПК.

Вентиляторы, созданные на базе EC-двигателей, принято называть EC-вентиляторами. Точно реагируя на управляющие сигналы, ЕС-вентилятор плавно изменяет скорость вращения и обеспечивает подачу необходимого в данный момент количества воздуха.

Электронно-коммутируемые ЕС-двигатели на сегодня — наиболее перспективное и энергосберегающее решение для применения в различных системах отопления, вентиляции и кондиционирования.

ЕС-двигатели характеризуются высокой производительностью и оптимальным управлением во всем диапазоне скоростей вращения.

EC-вентиляторы — это интеллектуальная техника! Она отличается оптимальным управлением двигателями, высокой производительностью благодаря встроенной управляющей электронике.

Что может ЕС-вентилятор?

ЕС-вентиляторы отличаются экономным использованием энергии и превосходными возможностями управления.

Приводимые в действие энергосберегающими моторами, ЕС-вентиляторы имеют электронное управление (блок коммутации), которое всегда настраивается на оптимальный режим. Благодаря этому принципу, такие моторы работают синхронно, не имеют проскальзывания и, следовательно, не имеют из-за него потерь. Это означает, что эффективность энергопотребления у EC-двигателей выше, чем у AC-вентиляторов.

Благодаря встроенной управляющей электронике, ЕС-моторы могут плавно регулировать число оборотов и гибко адаптироваться под изменение необходимого количества воздуха, сохраняя при этом высокий КПД. Поэтому, при одинаковой производительности по количеству воздуха, они потребляют значительно меньше энергии, чем AC-приводы переменного тока.

Еще одной особенностью ЕС-моторов является энергосберегающий потенциал не только при работе с полной нагрузкой, но, прежде всего, в режиме частичной нагрузки. В диапазоне частичной нагрузки они теряют гораздо меньше эффективности (КПД), чем асинхронные двигатели аналогичной мощности.

Еще одним экологическим аспектом, связанным с воздухообрабатывающими системами и кондиционерами, является уровень шума. Здесь ЕС-моторы также демонстрируют преимущество, поскольку они создают меньше шума в процессе работы.

Преимущества EC-вентиляторов

Высокий потенциал для энергосбережения

• экономное энергопотребление, гибкое регулирование, улучшенные характеристики аэродинамики рабочего колеса вентилятора с прямым приводом

Встроенная электронная система управления мотором

• наличие возможностей для настройки скорости, управления, контроля, сети
• отсутствие пиковых пусковых токовых нагрузок, в отличие от AC-двигателей
• более высокий КПД (до 90%), меньшие теплопотери.
• компактный мотор/отсутствие внешних устройств, например, преобразователей частоты и трансформаторов
• меньший расход кабеля/требуется меньше места в распределительном шкафу.
• интегрированные ЭМС и сетевой фильтр
• адаптация производительности вентилятора в зависимости от условий его применения благодаря встроенным функциям управления и регулировки вентиляторов (постоянное давление или постоянный объем)

Не требуют ТО и долговечны

• использование встроенных стандартных элементов (силовых модулей)
• повышенная надежность благодаря меньшему количеству компонентов

Низкий уровень шума и вибрации

• более компактная конструкция двигателя и крыльчатки вентилятора, меньше занимаемого пространства, лучше направленный поток воздуха, лучше теплосъем, меньше потерь давления и меньше уровень шума

• шум от мотора в режиме частичной нагрузки практически отсутствует

Универсальность использования ЕС-двигателей

• возможна эксплуатация в сетях 50 и 60 Гц по всему миру
• более широкий диапазон напряжения (1

200 … 277 В AC или 3

380 …480 В AC)

Энергоэффективность

• процент фактически используемой энергии во много раз выше, чем у двигателей переменного тока.

Компактный дизайн

• управляющая электроника уже встроена и поэтому незаметна.

Пример: габариты ПВУ с EC-вентилятором намного компактнее и требуют для размещения гораздо меньше монтажного пространства.

Безщеточный двигатель что это такое

Что такое бесщёточный двигатель постоянного тока?

«Сердцем» практически всей техники на просторах онлайн- и офлайн-магазинов является два типа двигателей: щёточный и бесщёточный. Прежде чем перейти к преимуществам двух разных моторов, предлагаем разобраться в принципе их работы.

Щёточный (коллекторный) мотор состоит из основных деталей: ротор (якорь), который крутится внутри и преобразовывает электрическую энергию в механическую. Вокруг него располагается медная проволока (обмотка). Ток проходит через обмотку и создаёт магнитное поле, в результате чего элемент и может вращаться. На проволоке находится коммутатор (коллектор), за счёт которого происходит смена направления вращения ротора. Чтобы напряжение прошло через коммутатор в двигатель, в конструкцию добавлены щётки, которые требуют замены раз в несколько лет. Они передают напряжение на обмотки, а затем электрический ток – через коллектор в двигатель. Все компоненты объединены статором – неподвижной частью, имеющей либо ещё одну катушку с проволокой, либо магнит. Деталь необходима, чтобы создавать магнитное поле и позволить ротору вращаться.

Принципиальным отличием бесщёточного двигателя является как раз отсутствие щёток. Также в нём нет коллектора, а вся работа завязана на электромагнитной индукции. При этом, внутри присутствуют основные части – ротор и статор. В бесколлекторном моторе также установлены датчики Холла и контроллер, который отвечает за напряжение, скорость ротора и его положение.

Преимущества бесщёточных двигателей

• Благодаря отсутствию щёток практически отсутствует трение во время работы и уменьшается количество тепла, выделяемое мотором. В результате этого двигатель не перегревается и может работать без остановки намного дольше.
• Может развивать максимальную скорость оборотов в считанные секунды.
• Упрощена регулировка крутящего момента, благодаря чему стало возможным внедрить в новую соковыжималку от Sana переменную скорость. Эта опция позволяет изменять количество оборотов в минуту при отжиме того или иного продукта: от 40 до 120.
• В нём гораздо меньше деталей, поэтому бесщёточный мотор легче и занимает меньше места в устройстве.
• Бесшумная работа, благодаря которой устройства можно использовать даже ночью.

Электронная плата в коллекторном двигателе может самостоятельно регулировать расход электроэнергии, в зависимости от выполняемых задач. Например, если Вы отжимаете в соковыжималке мягкие продукты, датчики обнаруживают, что сопротивление относительно ротора невелико. Они передают сигнал плате, чтобы она снизила количество подаваемого электрического тока.

При этом, если Вы отжимаете твёрдые корнеплоды, датчик обнаруживает, что ротор испытывает сопротивление, и электронная плата «получает» сигнал использовать максимальную мощность.

Где используется электрический бесщёточный двигатель?

Бесколлекторный мотор, несмотря на высокую стоимость, всё больше стал использоваться в различных устройствах: беспроводных инструментах, роботах-пылесосах и бытовой технике. Не так давно чешские инженеры компании Sana разработали уникальную горизонтальную соковыжималку 727 Supreme с бесщёточным двигателем.

В корпусе он расположен вертикально и имеет прочную систему зубчатой передачи, которая обеспечивает горизонтальную работу в вертикальном форм-факторе. Благодаря ему, инновационный аппарат отличается от других соковыжималок более тихой работой, точным регулированием скоростей, меньшим весом и долговечностью (гарантия на Sana Supreme 727 составляет 10 лет).

Но самым главным преимуществом бесщёточного мотора является время работы. В устройствах с этой деталью оно не ограничено пятнадцатью минутами или даже получасом. Аппарат может работать часами, не перегреваясь и не снижая КПД.

Первая соковыжималка с бесщёточным двигателем Sana 727 – это новая ступень в приготовлении соков. Она показывает самые высокие результаты, которые только можно было достигнуть горизонтальной соковыжималке.

• соковыжималка
• полезная информация

Товары, упомянутые в статье: