Принцип действия которого основан на частотном регулировании и самосинхронизации получил название бесколлекторного двигателя. В данной конструкции, вектор магнитного поля статора управляется относительно положения ротора. Бесколлекторный двигатель был создан для того, чтобы улучшить свойства стандартных коллекторных электродвигателей постоянного тока.

Он органично соединил в себе самые лучшие качества двигателей постоянного тока и бесконтактных электродвигателей.

Основные отличия от обычных двигателей

Бесколлекторный двигатель нередко используются в радиоуправляемых моделях летательных аппаратов. Их выдающиеся характеристики и живучесть получили широкую популярность, благодаря отсутствию трущихся деталей в виде щеток, которые осуществляют передачу тока.

Для того, чтобы более полно представить разницу, нужно вспомнить, что в стандартном коллекторном электродвигателе происходит вращение ротора с обмотками внутри статора, основой которого служат постоянные магниты. Коммутация обмоток производится с помощью коллектора, в зависимости от положения ротора. В электродвигателе переменного тока, наоборот, ротор с магнитом вращается внутри статора с обмотками. Примерно такую же конструкцию имеет двигатель.

В отличие от стандартных двигателей, в бесколлекторном в качестве подвижной части выступает статор, в котором размещены постоянные магниты, а роль неподвижной части играет ротор с трехфазными обмотками.

Принцип работы бесколлекторного электродвигателя

Вращение двигателя осуществляется путем смены направления магнитного поля в обмотках ротора в определенной последовательности. В этом случае, постоянные магниты взаимодействуют с магнитными полями ротора и приводят в движение подвижный статор. В основе этого движения лежит основное свойство магнитов, когда одноименные полюса отталкиваются, а разноименные - притягиваются.

Управление магнитными полями в обмотках ротора и их сменой, происходит с помощью контроллера. Он представляет собой достаточно сложное устройство, способное коммутировать высокие токи с большой скоростью. Контроллер обязательно имеет в своей схеме бесколлекторный электродвигатель, что в значительной степени удорожает его использование.

В бесколлекторных электродвигателях отсутствуют какие-либо вращающиеся контакты и любые контакты, способные переключаться. В этом состоит их главное преимущество перед обычными электродвигателями, поскольку все потери от трения сведены к минимуму.

Характеристикам электродвигателя постоянного тока. Как и электродвигатели постоянного тока, вентильные двигатели работают от сети постоянного тока. ВД можно рассматривать как двигатель постоянного тока, в котором щёточно-коллекторный узел заменён электроникой , что подчёркивается словом «вентильный», то есть «управляемый силовыми ключами » (вентилями). Фазные токи вентильного двигателя имеют синусоидальную форму. Как правило, в качестве усилителя мощности применяется автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Вентильный двигатель следует отличать от бесколлекторного двигателя постоянного тока (БДПТ), который имеет трапецеидальное распределение магнитного поля в зазоре и характеризуется прямоугольной формой фазных напряжений. Структура БДПТ проще чем структура ВД (отсутствует преобразователь координат, вместо ШИМ используется 120- или 180-градусная коммутация, реализация которой проще ШИМ).

В русскоязычной литературе двигатель называют вентильным, если противо-ЭДС управляемой синхронной машины синусоидальная, а бесконтактным двигателем постоянного тока, если противо-ЭДС трапецеидальная.

В англоязычной литературе такие двигатели обычно не рассматриваются отдельно от электропривода и упоминаются под аббревиатурами PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) или BLDC (Brushless Direct Current Motor). Стоит отметить, что аббревиатура PMSM в англоязычной литературе чаще используется для обозначения самих синхронных машин с постоянными магнитами и с синусоидальной формой фазных противо-ЭДС, в то время как аббревиатура BLDC аналогична русской аббревиатуре БДПТ и относится к двигателям с трапецеидальной формой противо-ЭДС (если иная форма не оговорена специально).

Вообще говоря, вентильный двигатель не является электрической машиной в традиционном понимании, поскольку его проблематика затрагивает ряд вопросов, связанных с теорией электропривода и систем автоматического управления : структурная организация, использование датчиков и электронных компонентов, а также программное обеспечение.

Вентильные двигатели, сочетающие в себе надёжность машин переменного тока с хорошей управляемостью машин постоянного тока, являются альтернативой двигателям постоянного тока, которые характеризуются рядом изъянов, связанных со ЩКУ , таких как искрение, помехи, износ щёток, плохой теплоотвод якоря и пр. Отсутствие ЩКУ позволяет применять ВД в тех приложениях, где использование ДПТ затруднено или невозможно.

Описание и принцип работы [ | ]

Рис. 2. Структура двухфазного вентильного двигателя с синхронной машиной с постоянными магнитами на роторе. ПК - преобразователь координат, УМ - усилитель мощности,
СЭМП - синхронный электромеханический преобразователь (синхронная машина), ДПР - датчик положения ротора.

U α = − u q ⋅ sin ⁡ θ , {\displaystyle u_{\alpha }=-u_{q}\cdot \sin {\theta },}

U β = {\displaystyle u_{\beta }=} u q ⋅ cos ⁡ θ , {\displaystyle u_{q}\cdot \cos {\theta },}

где - угол поворота ротора (и системы вращающихся координат) относительно оси α {\displaystyle \alpha } неподвижной системы координат. Для измерения мгновенного значения угла θ {\displaystyle \theta } на валу ВД устанавливается датчик положения ротора (ДПР).

По сути, является в этом случае заданием значения амплитуды фазных напряжений. А ПК, осуществляя позиционную модуляцию сигнала u q {\displaystyle u_{q}} , формирует гармонические сигналы u α , u β {\displaystyle u_{\alpha },u_{\beta }} , которые усилитель мощности (УМ) преобразует в фазные напряжения u A , u B {\displaystyle u_{A},u_{B}} . Синхронный двигатель в составе вентильного двигателя часто называют синхронным электромеханическим преобразователем (СЭМП).

Как правило, электронная часть ВД коммутирует фазы статора синхронной машины так, чтобы вектор магнитного потока статора был ортогонален вектору магнитного потока ротора (т. н. векторное управление). При соблюдении ортогональности потоков статора и ротора обеспечивается поддержание максимального вращающего момента ВД в условиях изменения частоты вращения, что предотвращает выпадение ротора из синхронизма и обеспечивает работу синхронной машины с максимально возможным для неё КПД . Для определения текущего положения потока ротора вместо датчика положения ротора могут использоваться токовые датчики (косвенное измерение положения).

Электронная часть современного ВД содержит микроконтроллер и транзисторный мост , а для формирования фазных токов используется принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Микроконтроллер отслеживает соблюдение заданных законов управления, а также производит диагностику системы и её программную защиту от аварийных ситуаций.

Иногда датчик положения ротора отсутствует, а положение оценивается системой управления по измерениям токовых датчиков с помощью наблюдателей (т. н. «бездатчиковое» управление ВД). В таких случаях за счёт удаления дорогостоящего и зачастую громоздкого датчика положения уменьшается цена и массо-габаритные показатели электропривода с ВД, однако усложняется управление, снижается точность определения положения и скорости.

В приложениях средней и большой мощности в систему могут дополнительно включаться электрические фильтры для смягчения негативных эффектов ШИМ: перенапряжений на обмотках, подшипниковых токов и снижения КПД. Впрочем, это характерно для всех типов двигателей.

Достоинства и недостатки [ | ]

Вентильные двигатели призваны объединить в себе лучшие качества двигателей переменного тока и двигателей постоянного тока. Это обусловливает их достоинства.

Достоинства:

Вентильные двигатели характеризуются и некоторыми недостатками, главный из которых - высокая стоимость. Однако, говоря о высокой стоимости, следует учитывать и тот факт, что вентильные двигатели обычно используются в дорогостоящих системах с повышенными требованиями по точности и надёжности.

Недостатки:

Конструкция [ | ]

Конструктивно современные вентильные привода состоят из электромеханической части (синхронной машины и датчика положения ротора) и из управляющей части (микроконтроллер и силовой мост).

Упоминая о конструкции ВД, полезно иметь в виду и неконструктивный элемент системы - программу (логику) управления.

Синхронная машина, используемая в ВД, состоит из шихтованного (собранного из отдельных электрически изолированных листов электротехнической стали - для снижения вихревых токов) статора, в котором расположена многофазная (обычно двух- или трёхфазная) обмотка, и ротора (обычно на постоянных магнитах).

В качестве датчиков положения ротора в БДПТ применяются датчики Холла , а в ВД - вращающиеся трансформаторы и накапливающие датчики . В т. н. «бездатчиковых» системах информация о положении определяется системой управления по мгновенным значениям фазных токов.

Информация о положении ротора обрабатывается микропроцессором, который, согласно программе управления, вырабатывает управляющие ШИМ-сигналы. Низковольтные ШИМ-сигналы микроконтроллера затем преобразуются усилителем мощности (обычно транзисторным мостом) в силовые напряжения, подаваемые на двигатель.

Совокупность датчика положения ротора и электронного узла в ВД и БДПТ можно с определённой долей достоверности сравнить с щёточно-коллекторным узлом ДПТ. Однако следует помнить, что двигатели редко применяются вне электропривода. Таким образом, электронная аппаратура характерна для ВД почти в той же степени, что и для ДПТ.

Статор [ | ]

Статор имеет традиционную конструкцию. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки, уложенной в пазы по периметру сердечника. Обмотка разбита на фазы, которые уложены в пазы таким образом, что пространственно сдвинуты друг относительно друга на угол, определяемый числом фаз. Известно, что для равномерного вращения вала двигателя машины переменного тока достаточно двух фаз. Обычно синхронные машины, применяемые в ВД, трёхфазные, однако встречаются также и ВД с четырёх- и шестифазными обмотками.

Ротор [ | ]

По расположению ротора вентильные двигатели делятся на внутрироторные (англ. inrunner) и внешнероторные (англ. outrunner).

Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до шестнадцати пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов.

Это разновидность электродвигателя переменного тока, у которого коллекторно-щеточный узел заменен бесконтактным полупроводниковым коммутатором, управляемым датчиком положения ротора. Иногда можно встретить такую аббревиатуру: BLDС - это brushless DC motor. Для простоты буду называть его двигатель-бесколлекторник или просто БК.

Бесколлекторные двигатели достаточно популярны из-за своей специфики: отсутствуют расходные материалы типа щеток, отсутствует угольная/металлическая пыль внутри от трения, отсутствуют искры (а это огромное направление взрыво и огне безопасных приводов/насосов). Используются начиная от вентиляторов и насосов заканчивая высокоточными приводами.
Основное применение в моделизме и любительских конструкциях: двигатели для радиоуправляемых моделей.

Общий смысл этих двигателей - три фазы и три обмотки (или несколько обмоток соединенных в три группы) управление которыми осуществляется сигналом в виде синусоиды или приближенной синусоиды по каждой из фаз, но с некоторым сдвигом. На рисунке простейшая иллюстрация работы трехфазного двигателя.

Соответственно, одним из специфичных моментов управления БК двигателями является применение специального контроллера-драйвера, который позволяет регулировать импульсы тока и напряжения по каждой фазе на обмотках двигателя, что в итоге дает стабильную работу в широком диапазоне напряжений. Это так называемые ESC контроллеры.

БК моторы для р/у техники бывают различных типоразмеров и исполнения. Одни из самых мощных это серии 22 мм, 36 мм и 40/42 мм. По конструкции они бывают с внешним ротором и внутренним (Outrunner, Inrunner). Моторы с внешним ротором по факту не имеют статичного корпуса (рубашки) и являются облегченными. Как правило, используют в авиамоделях, в квадракоптерах и т.п.
Двигатели с внешним статором проще сделать герметичными. Подобные применяют для р/у моделей, которые подвергаются внешним воздействиям тип грязи, пыли, влаги: багги, монстры, краулеры, водные р/у модели).
Например, двигатель типа 3660 можно запросто установить в р/у модель автомобиля типа багги или монстра и получить массу удовольствия.

Также отмечу различную компоновку самого статора: двигатели 3660 имеют 12 катушек, соединенных в три группы.
Это позволяет получить высокий момент на валу. Выглядит это примерно так.


Соединены катушки примерно вот так


Если разобрать двигатель и извлечь ротор, то можно увидеть катушки статора.
Вот что внутри 3660 серии


еще фото

Любительское применение подобным двигателей с высоким моментом - в самодельных конструкциях, где требуется малогабаритный мощный оборотистый двигатель. Это могут быть вентиляторы турбинного типа, шпиндели любительских станков и т.п.

Так вот, с целью установки в любительский станок для сверления и гравировки был взят набор бесколлекторного двигателя вместе с ESC контроллером
GoolRC 3660 3800KV Brushless Motor with ESC 60A Metal Gear Servo 9.0kg Set


Плюсом в наборе был сервопривод на 9 кг, что очень удобно для самоделок.

Общие требования при выборе мотора были следующие:
- Количество оборотов/вольт не менее 2000, так как планировалось использование с низковольтными источниками (7.4...12В).
- Диаметр вала 5мм. Рассматривал варианты с валом 3.175 мм (это серия 24 диаметра БК двигателей, например, 2435), но тогда бы пришлось докупать новый патрон ER11. Есть варианты еще мощнее, например, двигатели 4275 или 4076, с валом 5 мм, но они соответственно дороже.

Характеристики бесколлекторного мотора GoolRC 3660:
Модель: GoolRC 3660
Мощность: 1200W
Рабочее напряжение: до 13V
Предельный ток: 92A
Обороты на вольт (RPM/Volt): 3800KV
Максимальные обороты: до 50000
Диаметр корпуса: 36mm
Длина корпуса: 60mm
Длина вала: 17mm
Диаметр вала: 5mm
Размер установочных винтов: 6 шт * M3 (короткие, я использовал М3*6)
Коннекторы: 4mm позолоченные «бананы» male
Защита: от пыли и влаги

Характеристики ESC контроллера:
Модель: GoolRC ESC 60A
Продолжительный ток: 60A
Пиковый ток: 320A
Применяемый аккумуляторные батареи: 2-3S Li-Po / 4-9S Ni-Mh Ni-Cd
BEC: 5.8V / 3A
Коннекторы (Вход): T plug male
Коннекторы (вызод.): 4mm позолоченные «бананы» female
Размеры: 50 х 35 х 34mm (без учета длины кабелей)
Защита: от пыли и влаги

Характеристики сервомашинки:
Рабочее напряжение: 6.0V-7.2V
Скорость поворота (6.0V): 0.16sec/60° без нагрузки
Скорость поворота (7.2V): 0.14sec/60° без нагрузки
Момент удержания (6.0V): 9.0kg.cm
Момент удержания (7.2V): 10.0kg.cm
Размеры: 55 х 20 х 38mm (Д * Ш * В)

Параметры комплекта:
Размер упаковки: 10.5 х 8 х 6 см
Масса упаковки: 390 гр
Фирменная упаковка с логотипом GoolRC

Состав комплекта:
1 * GoolRC 3660 3800KV Motor
1 * GoolRC 60A ESC
1 * GoolRC 9KG Servo
1 * Информационный листок


Размеры для справки и внешний вид двигателя GoolRC 3660 с указанием основных моментов

Теперь несколько слов о самой посылке.
Посылка пришла в виде небольшого почтового пакета с коробкой внутри


Доставлялась альтернативной почтовой службой, не почтой России, о чем и гласит транспортная накладная


В посылке фирменная коробочка GoolRC


Внутри комплект бесколлекторного двигателя типоразмера 3660 (36х60 мм), ESC-контроллера для него и сервомашинки с комплектом


Теперь рассмотрим весь комплект по отдельным составляющим. Начнем с самого главного - с двигателя.

БК двигатель GoolRC представляет собой цилиндр из алюминия, размеры 36 на 60 мм. С одной стороны выходят три толстых провода в силиконовой оплетке с «бананами», с другой стороны вал 5 мм. Ротор с двух сторон установлен на подшипниках качения. На корпусе присутствует маркировка модели


Еще фотография. Внешняя рубашка неподвижная, т.е. тип мотора Inrunner.


Маркировка на корпусе


С заднего торца видно подшипник


Заявлена защита от брызг и влаги
Выходят три толстых, коротких провода для подключения фаз: u v w. Если будете искать клеммы для подключения - это бананы 4 мм


Провода имеют термоусадку разного цвета: желтый, оранжевый и синий


Размеры мотора: диаметр и длина вала совпадают с заявленными: Вал 5х17 мм




Габариты корпуса двигателя 36х60 мм




Сравнение с коллекторным 775 двигателем


Сравнение с б/к шпинделем на 300Вт (и ценой около $100). Напоминаю, что у GoolRC 3660 заявлена пиковая мощность 1200Вт. Даже если использовать треть мощности, все равно это дешевле и больше, чем у этого шпинделя


Сравнение с другими модельными двигателями


Для корректной работы двигателя потребуется специальный ESC контроллер (который есть в комплекте)

ESC контроллер - это плата драйвера двигателя с преобразователем сигнала и мощными ключами. На простых моделях вместо корпуса используется термоусадка, на мощных - корпус с радиатором и активным охлаждением.


На фото контроллер GoolRC ESC 60A по сравнению с «младшим» братом ESC 20A


Обратите внимание: присутствует тумблер выключения-выключения на отрезке провода, который можно встроить в корпус устройства/игрушки


Присутствует полный комплект разъемов: входные Т-коннекторы, 4 мм бананы-гнезда, 3-пиновый вход управляющего сигнала


Силовые бананы 4 мм - гнезда, маркируются аналогично по цветам: желтый, оранжевый и синий. При подключении перепутать можно только умышленно


Входные Т-коннекторы. Аналогично перепутать полярность можно если вы очень сильный)))))


На корпусе присутствует маркировка с названием и характеристиками, что очень удобно


Охлаждение активное, работает и регулируется автоматически.

Для оценки размеров приложил PCB ruller

В наборе также присутствует сервомашинка GoolRC на 9 кг.


Плюс как и для любой другой сервомашинки в комплекте идет набор рычагов (двойной, крест, звезда, колесо) и крепежная фурнитура (понравилось, что есть проставки из латуни)


Макрофото вала сервомашинки


Пробуем закрепить крестообразный рычаг для фотографии


На самом деле интересно проверить заявленные зарактеристики - это металлический комплект шестерен внутри. Разбираем сервомашинку. Корпус сидит на герметике по кругу, а внутри присутствует обильная смазка. Шестерни и правда металлические.


Фото платы управления сервой

Для чего все это затевалось: для того, чтобы попробовать БК двигатель как сверлилку/гравировалку. Все таки заявлена пиковая мощность 1200Вт.
Я выбрал проект сверлильного станка для подготовки печатных плат на . Там есть множество проектов для изготовления светильного настольного станка. Как правило, все эти проекты малогабаритные и предназначены для установки небольшого двигателя постоянного тока.


Я выбрал один из и доработал крепление в части держателей двигателя 3660 (родной двигатель был меньше и имел другие размеры креплений)

Привожу чертеж посадочных мест и габаритов двигателя 3660


В оригинале стоит более слабый двигатель. Вот эскиз крепления (6 отверстий для М3х6)


Скрин из программы для печати на принтере


Заодно напечатал и хомут для крепления сверху


Мотор 3660 с установленным цанговым патроном типа ER11




Для подключения и проверки БК мотора потребуется собрать следующую схему: источник питания, сервотестер или плата управления, ESC-контроллер двигателя, двигатель.
Я использую самый простой сервотестер, он также дает нужный сигнал. Его можно использовать для включения и для регулировки оборотов двигателя


При желании можно подключить микроконтроллер (Ардуино и т.п.). Привожу схему из интернета с подключением аутраннера и 30А контроллера. Скетчи найти не проблема.


Соединяем все, по цветам.


Источник показывает, что холостой ток контроллера небольшой (0.26А)


Теперь сверлильный станок.
Собираем все и крепим на стойку




Для проверки собираю без корпуса, потом допечатаю корпус, куда можно установить штатный выключатель, крутилку сервотестера


Еще одно применение подобного 3660 БК двигателя - в качестве шпинделя станков для сверления и фрезеровки печатных плат






Про сам станок обзор доделаю чуть позже. Будет интересно проверить гравировку печатных плат с помощью GoolRC 3660

Заключение

Двигатель качественный, мощный, крутящий момент с запасом подойдет под любительские цели.
Конкретно живучесть подшипников при боковом усилии при фрезеровки/гравировки покажет время.
Определенно существует выгода применения модельных двигателей в любительских целях, а также простота работы и сборки конструкций на них по сравнению с шпинделями для ЧПУ, которые дороже и требуют специального оборудования (источники питания с регулировкой оборотов, драйверы, охлаждение и т.п.).

При заказе пользовался купоном SALE15 со скидкой 5% на все товары магазина.

Спасибо за внимание!