Возникновение бесколлекторных двигателей объясняется необходимостью создания электрической машины с множеством преимуществ. Бесколлекторный двигатель представляет собой устройство без коллектора, функцию которого берет на себя электроника.

БКЭПТ - бесколлекторные электродвигатели постоянного тока, могут быть мощностью, примером, 12, 30 вольт.

• Выбор подходящего двигателя
• Принцип работы
• Устройство БКЭПТ
• Датчики и их отсутствие
• Отсутствие датчика
• Понятие ШИМ частоты
• Система arduino
• Крепеж двигателя

Выбор подходящего двигателя

Чтобы подобрать агрегат, необходимо сравнить принцип работы и особенности коллекторных и бесколлекторных двигателей.

Слева направо: коллекторный двигатель и двигатель ФК 28-12 бесколлекторный

Коллекторные стоят меньше, но развивают невысокую скорость вращения крутящего момента. Они работают от постоянного тока, имеет небольшой вес и размер, доступный ремонт по замене деталей. Проявление негативного качества выявляется при получении огромного количества оборотов. Щетки контактируют с коллектором, вызывая трение, что может повредить механизм. Работоспособность агрегата снижается.

Щеточки не только требуют ремонта из-за быстрого износа, но и могут привести к перегреву механизма.

Главным преимуществом бесколлекторного двигателя постоянного тока является неимение контактов крутящего момента и переключения. Значит отсутствие источников потерь, как в двигателях с постоянными магнитами. Их функции выполняют транзисторы МОП. Ранее их стоимость была высокой, поэтому они не были доступны. Сегодня цена стала приемлемой, а показатели значительно улучшились. При отсутствии в системе радиатора, мощность ограничивается от 2,5 до 4 ватт, а ток работы от 10 до 30 Ампер. КПД бесколлекторных электродвигателей очень высокий.

Вторым преимуществом выступает настройки механики. Ось устанавливается на широкоподшипники. В структуре нет ломающих и стирающихся элементов.

Единственным минусом является дорогой электронный блок управления.

Рассмотрим, пример механики ЧПУ станка со шпинделем.

Замена коллекторного двигателя на бесколлекторный оградит от поломки шпинделя для ЧПУ. Под шпинделем имеется в видувал, обладающий правыми и левыми оборотами крутящего момента. Шпиндель для ЧПУ обладает большой мощностью. Скорость крутящего момента контролируется регулятором сервотестором, а обороты управляются автоматом контроллером. Стоимость ЧПУ со шпинделем около 4 тысяч рублей.

Принцип работы

Главная особенность механизма - отсутствие коллектора. А постоянные магниты установлены у шпинделя, является ротором. Вокруг него располагаются проволочные обмотки, которые имеют различные магнитные поля. Отличием бесколлекторных моторов 12 вольт является сенсор управления ротором, расположенный на нем же. Сигналы подаются в блок регулятора скорости.

Устройство БКЭПТ

Схему расположения магнитов внутри статора обычно применяют для двухфазных двигателей с небольшим количеством полюсов. Принцип крутящего момента вокруг статора применяют при необходимости получить двухфазный двигатель с небольшими оборотами.

На роторе расположены четыре полюса. Магниты в форме прямоугольника устанавливаются, чередуя полюсы. Однако не всегда количество полюсов равняется числу магнитов, которых может быть 12, 14. Но количество полюсов должно быть четным.Несколько магнитов могут составлять один полюс.

На картинке изображено 8 магнитов, формирующих 4 полюса. Момент силы зависит от мощности магнитов.

Датчики и их отсутствие

Регуляторы хода подразделяются на две группы: с датчиком положения ротора и без.

Токовые силы подаются на обмотки двигателя при особом положении ротора.Его определяет электронная система с помощью датчика положения. Они бывают разнообразных типов. Популярный регулятор хода - дискретный датчик с эффектом Холла. В двигателе на три фазы на 30 вольт будет использовано 3 датчика. Блок электроники постоянно располагает данными о положении ротора и направляет напряжение вовремя в нужные обмотки.

Распространенное приспособление, изменяющие свои выводы при переключении обмоток.

Устройство с разомкнутым контуром измеряет ток, частоту вращения. ШИМ каналы присоединяются к нижней части системы управления.

Три ввода присоединяются к датчику Холла. В случае изменения датчика Холла, начинается процесс переработки прерывания. Для обеспечения быстрого реагирования обработки прерывания подключается датчик Холла к младшим выводам порта.

Использование датчика положения с микроконтроллером

Для экономии на платежах за электроэнергию наши читатели советуют "Экономитель энергии Electricity Saving Box". Ежемесячные платежи станут на 30-50% меньше, чем были до использования экономителя. Он убирает реактивную составляющую из сети, в результате чего снижается нагрузка и, как следствие, ток потребления. Электроприборы потребляют меньше электроэнергии, снижаются затраты на ее оплату.

Контроллер силы каскада лежит в основе AVR ядра, который обеспечивает грамотное управление бесколлекторным двигателем постоянного тока. AVR представляет собой чип для выполнения определенных задач.

Принцип работы регулятора хода может быть с датчиком и без. Программа платы AVR осуществляет:

• пуск двигателя максимально быстро без использования внешних дополнительных приборов;
• управление скоростью одним внешним потенциометром.

Отдельный вид автоматического управления сма, используется в стиральных машинах.

Отсутствие датчика

Для определения положения ротора необходимо проводить измерение напряжения на незадействованную обмотку. Данный способ применим при вращении двигателя, иначе он не будет действовать.

Бездатчиковые регуляторы хода изготавливаются легче, это объясняет их широкое распространение.

Контроллеры обладают следующими свойствами:

• значение максимального постоянного тока;
• значение максимального рабочего напряжения;
• число максимальных оборотов;
• сопротивление силовых ключей;
• импульсная частота.

При подключении контроллера важно делать провода, как можно короче. Из-за возникновения бросков тока на старте. Если провод длинный, то могут возникнуть погрешности определения положения ротора. Поэтому контроллеры продаются с проводом 12 - 16 см.

Контроллеры обладают множеством программных настроек:

• контроль выключения двигателя;
• плавное или жёсткое выключение;
• торможение и плавное выключение;
• опережение мощности и КПД;
• мягкий, жесткий, быстрый старт;
• ограничения тока;
• режим газа;
• смена направления.

Контроллер LB11880, изображенный на рисунке, содержит драйвер бесколлекторного двигателя мощной нагрузки, то есть можно запустить двигатель напрямую к микросхеме без дополнительных драйверов.

Понятие ШИМ частоты

Когда происходит включение ключей, полная нагрузка подаётся на двигатель. Агрегат достигает максимальных оборотов. Для того чтобы управлять двигателем, нужно обеспечить регулятор питания. Именно это осуществляет широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

Устанавливается необходимая частота открытия и закрытия ключей. Напряжение меняется с нулевого на рабочее. Чтобы управлять оборотами, необходимо наложить сигнал ШИМ на сигналы ключей.

Сигнал ШИМ может быть сформирован аппаратом на несколько выводов. Или создать ШИМ для отдельного ключа программой. Схема становится проще. ШИМ сигнал имеет 4- 80 килогерц.

Увеличение частоты приводит к большему количеству процессов перехода, что даёт выделение тепла. Высота частоты ШИМ повышает количество переходных процессов, от этого происходят потери на ключах. Маленькая частота не даёт нужную плавность управления.

Чтобы уменьшить потери на ключах при переходных процессах, ШИМ сигналы подаются на верхние или на нижние ключи по отдельности. Прямые потери рассчитываются по формуле P=R*I2, где P - мощность потерь, R - сопротивление ключа, I - сила тока.

Меньшее сопротивление минимизируют потери, увеличивает КПД.

Система arduino

Часто для управления бесколлекторными двигателями используется аппаратная вычислительная платформа arduino. В основе находится плата и среда разработки на языке Wiring.

В Плату arduino входит микроконтроллер Atmel AVR и элементная обвязка программирования и взаимодействия со схемами. На плате имеется стабилизатор напряжения. Плата Serial Arduino представляет собой несложную инвертирующую схему для конвертирования сигналов с одного уровня на другой. Программы устанавливаются через USB. В некоторых моделях, например, Arduino Mini, необходима дополнительная плата для программирования.

Язык программирования Arduino используется стандартный Processing. Некоторые модели arduino позволяют управлять несколькими серверами одновременно. Программы обрабатывает процессор, а компилирует AVR.

Проблемы с контроллером могут возникать из-за провалов напряжения и чрезмерной нагрузке.

Крепеж двигателя

Моторама- механизм крепления двигателя. Применяется в установках двигателей. Моторама представляет собой взаимосвязанные стержни и элементы каркаса. Моторамы бывают плоскими, пространственными по элементам. Моторама одиночного двигателя 30 вольт или нескольких устройств. Силовая схема моторамы состоит из совокупности стержней. Моторама устанавливается в сочетании ферменных и каркасных элементов.

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока незаменимый агрегат, применяемый как в быту, так и в промышленности. Например, ЧПУ станок, медицинское оборудование, автомобильные механизмы.

БКЭПТ выделяются надежностью, высокоточным принципом работы, автоматическим интеллектуальным управлением и регулированием.

Бесколлекторные двигатели обладают улучшенными показателями мощности на килограмм веса (собственного) и широким диапазоном скорости вращения; впечатляет и КПД этой силовой установки. Немаловажно, что от установки практически не излучаются радиопомехи. Это позволяет разместить рядом с ней чувствительное к помехам оборудование без опасений за корректность работы всей системы.

Расположить и использовать бесколлекторный двигатель можно в том числе и в воде, это не повлияет на него отрицательным образом. Также его конструкция предусматривает расположение и в агрессивных средах. Однако в этом случае следует заранее продумать месторасположение блока управления. Помните, что только при бережной аккуратной эксплуатации силовой установки она будет работать на вашем производстве эффективно и бесперебойно на протяжении долгих лет.

Длительный и кратковременный режим работы — основные для БД. Например для эскалатора или конвейера подходит длительный режим работы, в котором электродвигатель работает статично в течение долгого количества часов. Для длительного режима работы предусмотрена повышенная внешняя теплоотдача: тепловыделения в окружающую среду должны превышать внутренние тепловыделения силовой установки.

В кратковременном режиме работы двигатель за время своей работы не должен успеть нагреться до максимального значения температуры, т.е. должен быть выключен до наступления этого момента. Во время перерывов между включениями и работой двигателя он должен успеть остыть. Именно так работают бесколлекторные двигатели в подъемных лифтовых механизмах, электробритвах, сушилках фенах и другом современном электрооборудовании.

Сопротивление обмотки двигателя связано с коэффициентом полезного действия силовой установки. Максимального КПД можно достигнуть при наименьшем сопротивлении обмотки.

Максимальное рабочее напряжение — это предельное значение напряжения, которое можно подавать на обмотку статора силовой установки. Максимальное рабочее напряжение напрямую связано с максимальными оборотами двигателя и и максимальным значением тока обмотки. Максимальное значение тока обмотки лимитировано возможностью перегрева обмотки. Именно по этой причине необязательным, но рекомендуемым условием эксплуатации электродвигателей является отрицательная температура окружающей среды. Она позволяет значительно компенсировать перегрев силовой установки и увеличить длительность ее работы.

Максимальная мощность двигателя — это предельная мощность, которой может достигнуть система за несколько секунд. Стоит учитывать, что длительная работа электродвигателя на максимальной мощности неизбежно приведет к перегреву системы и сбою в его работе.

Номинальная мощность — это та мощность которую может развивать силовая установка в течение периодичного заявленного производителем разрешенного периода работы (одно включение).

Угол опережения фазы предусмотрен в электродвигателе из-за необходимости компенсации на задержку переключения фаз.

Чем отличаются коллекторные двигатели от бесколлекторных, главные преимущества и недостатки обоих типов.

В инженерном деле не существует идеальных решений, возможно, найти только оптимальное решение для конкретной прикладной задачи. Возможные технические решения для управления движением широко варьируются в зависимости от задач - от устройств для исследования космоса, где стоимость является несущественной и требуется абсолютная надежность работы, до скоростных упаковочных линий, которые работают в круглосуточном режиме без выходных. К счастью, команды разработчиков имеют множество вариантов для выбора. Одно из ключевых решений, которое нужно принять - использовать коллекторный или бесщеточный электродвигатель постоянного тока. Для этого нужно понять чем отличаются коллекторные двигатели от бесколлекторного аналога.

Щеточные электродвигатели постоянного тока

Электродвигатели работают за счет сил Лоренца, которые возникают при прохождении электрического тока через обмотки, расположенные в магнитном поле. Воздействие этих сил заставляет ротор поворачиваться вокруг своей оси. Крутящий момент, создаваемый силой Лоренца, является векторным произведением, что означает, что когда полюса электромагнитов, образованных обмотками ротора, выровнены с противоположными полюсами магнитов статора, сила падает до нуля, а ротор прекращает вращение.

Однако изменение направления тока в обмотках приведет к изменению полярности электромагнитов. Сила будет восстановлена и ротор возобновит движение. Если это изменение будет происходить каждый раз, при прохождении вертикали статора, ротор будет продолжать вращаться и выполнять полезную работу.
Для изменения направления тока с контролируемой частотой, щеточным двигателям постоянного тока требуют коллектор. Коллектор - это разделенное на сегменты кольцо соответствующим образом подключенное к каждой из обмоток ротора. Когда ротор вращается - тоже происходит и с коллектором. Для того чтобы подвести ток к коллектору к нему с противоположных сторон прижимается пара неподвижных щеток (см. Рис. 2). Когда коллектор/ротор поворачивается, каждый сегмент коллектора последовательно контактирует сначала с одной щеткой/источником тока, а затем с другой. В результате ток в роторных катушках меняется каждый раз при повороте ротора на 180°, поддерживая вращение двигателя.

Это очень простая модель, представленная для примера. Как поясняется в учебном пособии, из практических соображений - щеточные двигатели постоянного тока обычно имеют три или более фаз.
Щетки могут быть изготовлены из различных материалов: сплавы на основе углерода, такие как графит-медь или графит-серебро, драгоценные металлы - золото, серебро или платина. Выбор подходящего материала щеток – зависит от конкретной прикладной задачи.

Графитовые щетки изготавливают из цельных кусков графита. Щетки из графита являются самосмазывающимися и достаточно прочными. Они подходят для больших двигателей, работающих на высокой скорости (выше 1000 об/мин). Недостатком графитовых щеток является то, что они со временем образовывают мусор, который может загрязнить коллектор и привести к сбоям в работе двигателя. Очень важно, чтобы такие щетки использовались при достаточно высоких скоростях для очистки от загрязнений.
Щетки из драгоценных металлов состоят из отдельных нитей, что делает их более хрупкими, чем щетки на основе графита. В тоже время щетки из драгоценных металлов обеспечивают лучшую производительность при более низком электрическом шуме и звуковом загрязнении. Они более компактны и эффективны в приложениях с низким рабочим циклом. Они также хорошо подходят для низковольтных систем, потому что падение напряжения между коллектором и щеткой имеет тенденцию быть низким. С другой стороны, они не обладают эффектом самосмазывания, что приводит к большему износу и необходимости использования внешних смазочных материалов .

Бесщеточные или коллекторные двигатели - За и против

Щеточные двигатели требуют квалифицированной эксплуатации. Прохождение определенной плотности тока, к примеру, приводит к выгоранию щеток. При избыточной скорости щетки могут слетать с коллектора. Для применения щеточных двигателей на высоте может потребоваться специальное обслуживание – как-то применение таких присадок, как дисульфид молибдена или карбонат лития.

Необходимость в коллекторе и щетках увеличивает размер двигателя. Щетки требуют регулярного обслуживания, поэтому двигатели должны находиться в доступном месте. Поскольку ротор с обмотками находится внутри (статора), щеточные двигатели могут рассеивать тепло только через воздушный зазор, что усложняет задачу теплообмена. Падение напряжения на щетках снижает эффективность щеточных двигателей.

Наконец, трение щеток о контакты коллектора дополнительно снижает эффективность и создает слышимый шум. Трение приводит к уменьшению крутящего момента на высоких скоростях. Кроме выше приведенных недостатков трение щеток о коллектор также может вызвать появление дуги и увеличение электромагнитных помех (EMI); а в худшем случае, могут генерироваться искры, что делает щеточные электродвигатели постоянного тока непригодными для использования во взрывоопасных средах.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока (Вентильные двигатели)

Альтернативой являются бесколлекторные двигатели постоянного тока (BLDC) (Вентильные двигатели (ВД)) или двигатели с электронным коммутатором (ECM). Двигатели BLDC представляют собой синхронные двигатели с постоянными магнитами. Они могут работать как серводвигатели, а также как шаговые двигатели. Это определение также включает двигатели с переключением сопротивлением. С целью сравнения рассмотрим конструкцию двигателя BLDC, которая представляет собой коллекторный двигатель постоянного тока, вывернутый наизнанку. Постоянные магниты установлены на роторе, а статор состоит из ламинированной рамы с катушками. В результате ротор не нуждается в какой-либо проводке, и двигатель не нуждается в коллекторе и щетках.

Хотя двигатели BLDC классифицируются как двигатели постоянного тока и запитываются от источника постоянного тока, они имеют много общего с двигателями переменного тока. Чтобы поддерживать поворот ротора, обмотки статора должны запитываться последовательно; принципиально, это выглядит как импульсный источник тока, как правило, с синусоидальной формой сигнала, когда используется для сервомоторного управления. Для согласования распределения магнитного поля, генерируемое обмотками статора, с распределением магнитного поля ротора, в BLDC двигателях контролируеться угловое положение ротора, как правило, при помощи датчиков Холла. Эта обратная связь используется для управления переключением тока на обмотках.

Поскольку в двигателях BLDC не применяются щетки и коллекторы, они более компактны, чем коллекторные двигатели. Они обеспечивают более высокую производительность в одном типоразмере. Отсутствие щеток снижает необходимость обслуживания и позволяет ротору вращаться на более высоких скоростях. Отсутствие трения выравнивает кривую скорость/крутящий момент, устраняет вероятность искрения и снижает электромагнитное помехи (EMI). Перемещение теплогенерирующих обмоток наружу упрощает теплоотвод. Этот подход также снижает инерционность ротора, позволяя сервомоторам BLDC обеспечивать лучший динамический отклик. Отсутствие падения напряжения на щетках также повышает эффективность BLDC двигателей.

С другой стороны, двигатели BLDC сложнее, чем их коллекторные аналоги. Использование встроенной электроники значительно увеличивает их стоимость.

Как обсуждалось в начале этой статьи, выбор типа двигателя обуславливается требованиями, которые к нему выставляются. Проект с ограниченным бюджетом и с умеренными требованиями к характеристикам двигателя может отлично быть реализован с использованием коллекторного двигателя постоянного тока. Если для проекта более важными являются производительность и рабочий цикл BLDC двигатель может быть лучшим решением. Оригинальный производитель оборудования и конечные пользователи должны учитывать не только возможности двигателя, но и возможности своего персонала по инсталляции и обслуживанию оборудование. Эффективное техническое решение может быть принято только при обоснованном выборе оборудования.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока имеет на статоре трёхфазную обмотку, и постоянный магнит на роторе. Вращающееся магнитное поле создаётся обмоткой статора, при взаимодействии с которым магнитный ротор приходит в движение. Для создания вращающегося магнитного поля на обмотку статора подаётся система трёхфазных напряжений, которая может иметь различную форму и формируется различными способами. Формирование питающих напряжений (коммутация обмоток) для бесколлекторного двигателя постоянного тока производиться специализированными блоками электроники – контроллером двигателя.

Заказать бесколлекторный двигатель в нашем каталоге

В простейшем случае обмотки попарно подключаются к источнику постоянного напряжения и по мере того как ротор поворачивается в направлении вектора магнитного поля обмотки статора производится подключение напряжения к другой паре обмоток. Вектор магнитного поля статора при этом занимает другое положение и вращение ротора продолжается. Для определения нужного момента подключения следующих обмоток используется датчик положения ротора, чаще других используются датчики Холла.

Возможные варианты и специальные случаи

Выпускаемые сейчас бесколлекторные двигатели могут иметь самую разную конструкцию.

По исполнению статорной обмотки можно выделить двигатели с классической обмоткой, намотанной на стальной сердечник, и двигатели с полой цилиндрической обмоткой без стального сердечника. Классическая обмотка обладает значительно большей индуктивностью, чем полая цилиндрическая обмотка, и соответственно большей постоянной времени. Из-за этого с одной стороны, полая цилиндрическая обмотка допускает более динамичное изменение тока (а, следовательно, и момента), с другой стороны при работе от контроллера двигателя, использующего ШИМ-модуляцию невысокой частоты для сглаживания пульсаций тока, требуются фильтрующие дроссели большего номинала (а соответственно и большего размера). Кроме того, классическая обмотка, как правило, имеет заметно больший момент магнитной фиксации, а также меньший КПД, чем полая цилиндрическая обмотка.

Ещё одно отличие, по которому разделяются различные модели двигателей – это взаимное расположение ротора и статора – существуют двигатели с внутренним ротором и двигатели с внешним ротором. Двигатели с внутренним ротором, как правило, имеют более высокие скорости и меньший момент инерции ротора, чем модели с внешним ротором. Благодаря этому двигатели с внутренним ротором имеют более высокую динамику. Двигатели с внешним ротором часто имеют несколько больший номинальный момент при том же наружном диаметре двигателя.

Отличия от других типов двигателей

Отличия от коллекторных ДПТ. Размещение обмотки на роторе позволило отказаться от щёток и коллектора и избавиться тем самым от подвижного электрического контакта, который значительно снижает надёжность ДПТ с постоянными магнитами. По этой же причине скорость у бесколлекторных двигателей, как правило, значительно выше, чем у ДПТ с постоянными магнитами. С одной стороны это позволяет увеличить удельную мощность бесколлекторного двигателя, с другой стороны не для всех применений такая высокая скорость является действительно необходимой

Отличия от синхронных двигателей с постоянными магнитами. Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе очень похожи на бесколлекторные ДПТ по конструкции, однако есть и ряд различий. Во-первых термин синхронный двигатель объединяет в себе много различных видов двигателей, часть из которых предназначены для непосредственной работы от стандартной сети переменного тока, другая часть (например синхронные серводвигатели) может работать только от преобразователей частоты (контроллеров двигателей). Бесколлекторные двигатели, хотя и имеют на статоре трёхфазную обмотку, не допускают непосредственную работу от сетевого напряжения, и обязательно требуют наличия соответствующего контроллера. Кроме того синхронные двигатели предполагают питание напряжением синусоидальной формы в то время как бесколлекторные двигатели допускают питание переменным напряжением ступенчатой формы (блочная коммутация) и даже предполагают его использование в номинальных режимах работы.

Когда нужен бесколлекторный двигатель?

Ответ на этот вопрос достаточно прост – в тех случаях, когда он имеет преимущество перед остальными типами двигателей. Так, например, практически невозможно обойтись без бесколлекторного двигателя в применениях, где требуются большие скорости вращения: свыше 10000 об/мин. Оправдано применение бесколлекторных двигателей также и в тех случаях, когда требуется высокий срок службы двигателя. В тех случаях, когда требуется применять сборку из двигателя с редуктором, однозначно оправдано применение низкоскоростных бесколлекторных двигателей (с большим числом полюсов). Высокоскоростные бесколлекторные двигатели в этом случае будут иметь скорость выше, чем предельно допустимая скорость редуктора, и по этой причине не будет возможности использовать их мощность полностью. Для применений, где требуется максимально простое управление двигателем (без использования контроллера двигателя) естественным выбором будет коллекторный ДПТ.

С другой стороны, в условиях повышенной температуры или повышенной радиации проявляется слабое место бесколлекторных двигателей – датчики Холла. Стандартные модели датчиков Холла имеют ограниченную стойкость к радиации и диапазон рабочих температур. Если в подобном применении всё же имеется необходимость использовать бесколлекторный двигатель, то неизбежными становятся заказные исполнения с заменой датчиков Холла на более стойкие к указанным факторам, что увеличивает цену двигателя и сроки поставки.