Устройство бесщеточного двигателя: Бесщеточный двигатель: устройство, работа и преимущества | Электронные компоненты. Дистрибьютор и магазин онлайн

Бесколлекторный двигатель постоянного тока: принцип работы, устройство, применение

Бытовая и медицинская техника, авиамоделирование, трубозапорные приводы газо- и нефтепроводов – это далеко не полный перечень областей применения бесколлекторных двигателей (БД) постоянного тока. Давайте рассмотрим устройство и принцип действия этих электромеханических приводов, чтобы лучше понять их достоинства и недостатки.

Общие сведения, устройство, сфера применения

Одна из причин проявления интереса к БД — это возросшая потребность в высокооборотных микродвигателях, обладающих точным позиционированием. Внутренне устройство таких приводов продемонстрировано на рисунке 2.

Рис. 2. Устройство бесколлекторного двигателя

Как видите, конструкция представляет собой ротор (якорь) и статор, на первом имеется постоянный магнит (или несколько магнитов, расположенных в определенном порядке), а второй оборудован катушками (В) для создания магнитного поля.

Примечательно, что эти электромагнитные механизмы могут быть как с внутренним якорем (именно такой тип конструкции можно увидеть на рисунке 2), так и внешним (см. рис. 3).

Рис. 3. Конструкция с внешним якорем (outrunner)

Соответственно, каждая из конструкций имеет определенную сферу применения. Устройства с внутренним якорем обладают высокой скоростью вращения, поэтому используются в системах охлаждения, в качестве силовых установок дронов и т.д. Приводы с внешним ротором используются там, где требуется точное позиционирование и устойчивость к перегрузкам по моменту (робототехника, медицинское оборудование, станки ЧПУ и т.д.).

Бесколлекторный двигатель в компьютерном дисководе

Принцип работы

В отличие от других приводов, например, асинхронной машины переменного тока, для работы БД необходим специальный контроллер, который включает обмотки таким образом, чтобы векторы магнитных полей якоря и статора были ортогональны друг к другу. То есть, по сути, устройство-драйвер регулирует вращающий момент, действующий на якорь БД. Наглядно этот процесс продемонстрирован на рисунке 4.

Фазы работы бесколлекторного привода

Как видим, для каждого перемещения якоря необходимо выполнять определенную коммутацию в обмотке статора двигателя бесколлекторного типа. Такой принцип работы не позволяет плавно управлять вращением, но дает возможность быстро набрать обороты.

Отличия коллекторного и бесколлекторного двигателя

Привод коллекторного типа отличается от БД как конструктивными особенностями (см. рис 5.), так и принципом работы.

Рис. 5. А – коллекторный двигатель, В – бесколлекторный

Рассмотрим конструктивные отличия. Из рисунка 5 видно, что ротор (1 на рис. 5) двигателя коллекторного типа, в отличие от бесколлекторного, имеет катушки, у которых простая схема намотки, а постоянные магниты (как правило, два) установлены на статоре (2 на рис. 5). Помимо этого на валу установлен коллектор, к которому подключаются щетки, подающие напряжение на обмотки якоря.

Кратко расскажем о принципе работы коллекторных машин. Когда на одну из катушек подается напряжение, происходит ее возбуждение, и образуется магнитное поле. Оно вступает во взаимодействие с постоянными магнитами, это заставляет проворачиваться якорь и размещенный на нем коллектор. В результате питание подается на другую обмотку и цикл повторяется.

Частота вращения якоря такой конструкции напрямую зависит от интенсивности магнитного поля, которое, в свою очередь, прямо пропорционально напряжению. То есть, чтобы увеличить или уменьшить обороты, достаточно повысить или снизить уровень питания. А для реверса необходимо переключить полярность. Такой способ управления не требует специального контролера, поскольку регулятор хода можно сделать на базе переменного резистора, а обычный переключатель будет работать как инвертор.

Конструктивные особенности двигателей бесколлекторного типа мы рассматривали в предыдущем разделе. Как вы помните, их подключение требует наличия специального контролера, без которого они просто не будут работать. По этой же причине эти двигатели не могут использоваться как генератор.

Стоит также отметить, что в некоторых приводах данного типа для более эффективного управления отслеживаются положения ротора при помощи датчиков Холла. Это существенно улучшает характеристики бесколлекторных двигателей, но приводит к удорожанию и так недешевой конструкции.

Как запустить бесколлекторный двигатель?

Чтобы заставить работать приводы данного типа, потребуется специальный контроллер (см. рис. 6). Без него запуск невозможен.

Рис. 6. Контроллеры бесколлекторных двигателей для моделизма

Собирать самому такое устройство нет смысла, дешевле и надежней будет приобрести готовый. Подобрать его можно по следующим характеристикам, свойственным драйверам шим каналов:

• Максимально допустимая сила тока, эта характеристика приводится для штатного режима работы устройства. Довольно часто производители указывают такой параметр в названии модели (например, Phoenix-18). В некоторых случаях приводится значение для пикового режима, который контролер может поддерживать несколько секунд.
• Максимальная величина штатного напряжения для продолжительной работы.
• Сопротивление внутренних цепей контроллера.
• Допустимое число оборотов, указывается в rpm. Сверх этого значения контроллер не позволит увеличить вращение (ограничение реализовано на программном уровне). Следует обратить внимание, что частота вращения всегда приводится для двухполюсных приводов. Если пар полюсов больше, следует разделить значение на их количество. Например, указано число 60000 rpm, следовательно, для 6-и магнитного двигателя частота вращения составит 60000/3=20000 prm.
• Частота генерируемых импульсов, у большинства контролеров этот параметр лежит в пределах от 7 до 8 кГц, более дорогие модели позволяют перепрограммировать параметр, увеличив его до 16 или 32 кГц.

Обратим внимание, что первые три характеристики определяют мощность БД.

Управление бесколлекторным двигателем

Как уже указывалось выше, управление коммутацией обмоток привода осуществляется электроникой. Чтобы определить, когда производить переключения, драйвер отслеживает положение якоря при помощи датчиков Холла. Если привод не снабжен такими детекторами, то в расчет берется обратная ЭДС, которая возникает в неподключенных катушках статора. Контроллер, который, по сути, является аппаратно-программным комплексом, отслеживает эти изменения и задает порядок коммутации.

Трёхфазный бесколлекторный электродвигатель постоянного тока

Большинство БД выполняются в трехфазном исполнении. Для управления таким приводом в контролере имеется преобразователь постоянного напряжения в трехфазное импульсное (см. рис.7).

Рисунок 7. Диаграммы напряжений БД

Чтобы объяснить, как работает такой вентильный двигатель, следует вместе с рисунком 7 рассматривать рисунок 4, где поочередно изображены все этапы работы привода. Распишем их:

1. На катушки «А» подается положительный импульс, в то время как на «В» — отрицательный, в результате якорь сдвинется. Датчиками зафиксируется его движение и подастся сигнал для следующей коммутации.
2. Катушки «А» отключается, и положительный импульс идет на «С» («В» остается без изменения), далее подается сигнал на следующий набор импульсов.
3. На «С» — положительный, «А» — отрицательный.
4. Работает пара «В» и «А», на которые поступают положительный и отрицательный импульсы.
5. Положительный импульс повторно подается на «В», и отрицательный на «С».
6. Включаются катушки «А» (подается +) и повторяется отрицательный импульс на «С». Далее цикл повторяется.

В кажущейся простоте управления есть масса сложностей. Нужно не только отслеживать положение якоря, чтобы произвести следующую серию импульсов, а и управлять частотой вращения, регулируя ток в катушках. Помимо этого следует выбрать наиболее оптимальные параметры для разгона и торможения. Стоит также не забывать, что контроллер должен быть оснащен блоком, позволяющим управлять его работой. Внешний вид такого многофункционального устройства можно увидеть на рисунке 8.

Рис. 8. Многофункциональный контроллер управления бесколлекторным двигателем

Преимущества и недостатки

Электрический бесколлекторный двигатель имеет много достоинств, а именно:

• Срок службы значительно дольше, чем у обычных коллекторных аналогов.
• Высокий КПД.
• Быстрый набор максимальной скорости вращения.
• Он более мощный, чем КД.
• Отсутствие искр при работе позволяет использовать привод в пожароопасных условиях.
• Не требуется дополнительное охлаждение.
• Простая эксплуатация.

Теперь рассмотрим минусы. Существенный недостаток, который ограничивает использование БД – их относительно высокая стоимость (с учетом цены драйвера). К числу неудобств следует отнести невозможность использования БД без драйвера, даже для краткосрочного включения, например, чтобы проверить работоспособность. Проблемный ремонт, особенно если требуется перемотка.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока: особенности и принцип работы

Как работает бесколлекторный двигатель?

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.

Бесщеточные двигатели | NIDEC CORPORATION

Технические возможности NIDEC

Бесщеточные двигатели постоянного тока

отличаются сниженным энергопотреблением, длительным сроком службы, низким уровнем шума, компактными размерами и малым весом.
Nidec является мировым лидером в разработке и производстве этих высокопроизводительных двигателей.

Щёточные электродвигатели постоянного тока обладают различными преимуществами, такими как высокая эффективность, возможность уменьшения габаритов, возможность работы от электроэнергии и низкие производственные затраты. Однако эти двигатели имеют ряд недостатков, таких как шум из-за трения щеток, образование искр и электрических помех, а также ограниченный срок службы из-за износа щеток. Разработка бесщеточного двигателя постоянного тока решила все эти проблемы.

В бесщеточном двигателе постоянного тока ротор, сделанный из постоянного магнита, приводится в движение магнитной силой цепи обмотки статора. В то время как щеточный двигатель постоянного тока использует щетку и коммутатор для переключения тока, бесщеточный двигатель постоянного тока использует датчик и электронную схему для переключения тока. Разработка этого двигателя стала возможной благодаря развитию технологий полупроводников и периферийных устройств. Этот двигатель имеет преимущества характеристик двигателей постоянного тока (ток и напряжение соответственно пропорциональны крутящему моменту и скорости вращения) и двигателей переменного тока (бесщеточная конструкция). Особенности бесщеточного двигателя постоянного тока включают компактный размер, высокую мощность, длительный срок службы и отсутствие искр и шума, и он используется в широком диапазоне приложений от ПК до бытовой техники.

Характеристики и классификация бесщеточных двигателей постоянного тока

Бесщеточный двигатель постоянного тока «вращает свой магнит».

Ротор, сделанный из магнита, вращается магнитными полями, которые создаются током, протекающим через обмотки статора. Ток переключается датчиком и электронной схемой.

Тип внешнего ротора (ротор снаружи статора)

Преимущества

• Легко получить большой крутящий момент.
• Скорость стабильна при постоянном вращении.

Недостатки

• Ротор большой (движение медленное).
• Внешний ротор требует соответствующих мер безопасности.

Тип внутреннего ротора (ротор находится внутри статора)

Преимущества

• Ротор маленький и может быстро реагировать.
• Змеевик расположен снаружи и уровень отвода тепла высокий.

Недостатки

• Трудно получить большой крутящий момент.
• Магниты могут быть повреждены центробежной силой.

Таблица сравнения типов двигателей

Бесщеточные двигатели постоянного тока

имеют много преимуществ (в частности, в области эффективности).

По сравнению с другими типами двигателей, бесщеточный двигатель постоянного тока имеет много преимуществ, таких как компактный размер, высокая мощность, низкий уровень вибрации, низкий уровень шума и длительный срок службы.

Компания Nidec имеет значительный опыт в области малых бесщеточных двигателей постоянного тока. Компании принадлежит 80 % мирового рынка шпиндельных двигателей жестких дисков, 60 % мирового рынка двигателей DVD и других оптических приводов и 40 % мирового рынка двигателей вентиляторов. Nidec работает в области малогабаритных прецизионных двигателей, в которой произошел самый быстрый переход на бесщеточные двигатели. Нам удалось наладить массовое производство бесколлекторных двигателей постоянного тока раньше, чем у наших конкурентов, и занять лидирующие позиции на рынке. Кроме того, мы удерживаем позицию № 1 в мире, постоянно внедряя новые технологии, такие как первое в отрасли применение FDB (гидродинамических подшипников), которые удовлетворяют потребности все более точных жестких дисков, а также собственное производство инструментов проектирования и моделирования.

Наиболее плодотворным рынком с точки зрения применения бесколлекторных двигателей постоянного тока становится рынок автомобильных двигателей. Как свидетельствует система гидроусилителя руля, уровень расхода топлива которой можно улучшить на 3-5%, если заменить гидравлическую систему на электрическую, эффект энергосбережения очень высок за счет использования систем электроснабжения. В различных местах все больше и больше гидравлических систем заменяются двигателями. В частности, бесщеточный двигатель постоянного тока играет ведущую роль в замене функций, где требуется управляемость, а также в местах, где часто используются детали и, следовательно, требуются детали с длительным сроком службы. Основная область применения после ГУР – компрессорные двигатели кондиционеров. Кроме того, тяговые двигатели для электромобилей (EV) являются перспективной областью для бесщеточных двигателей постоянного тока. Поскольку система работает от батареи с ограниченной мощностью, двигатель должен быть высокоэффективным и компактным, чтобы его можно было установить в ограниченном пространстве. Благодаря опыту, который мы накопили в области малых прецизионных двигателей, мы стремимся стать компанией № 1 в мире, работающей в области автомобильных двигателей.

Рынок автомобильных компонентов значительно расширяется как область применения бесщеточных двигателей постоянного тока.

Статьи и колонки, связанные с этим продуктом

• Технологии и практические примеры　Технические возможности Nidec　Решения, основанные на бесколлекторных двигателях постоянного тока

FACTS MACHINE 3S — ИЗМЕРИТЕЛЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ / ИНДУКТИВНОСТИ БЕСЩЕТОЧНОГО ДВИГАТЕЛЯ — Fantom Racing

Рейтинг 0 из 5

(будьте первым, кто оставит отзыв)

Обычная цена $209,99 вкл. налог

—

ФАКТЫ МАШИНА 3S – ИЗМЕРИТЕЛЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ / ИНДУКТИВНОСТИ БЕСЩЕТОЧНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Представляем наш новейший инструмент для испытания двигателей, Факты Машина 3S Прецизионный измеритель сопротивления / индуктивности ! Этот невероятный новый инструмент позволяет вам проверить как сопротивление, так и индуктивность вашего бесщеточного двигателя! Эта информация имеет решающее значение для понимания производительности ваших двигателей.

Больше власти людям…

В наличии

Добавить в список желаний

Артикул: FAN28501

Категория: Инструменты

• Описание

• Дополнительная информация

• Отзывы (0)

Описание

ФАКТЫ МАШИНА 3S – ИЗМЕРИТЕЛЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ / ИНДУКТИВНОСТИ БЕСЩЕТОЧНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Представляем наш новейший инструмент для испытания двигателей  Facts Machine 3S Precision Измеритель сопротивления / индуктивности ! Этот невероятный новый инструмент позволяет вам проверить как сопротивление, так и индуктивность вашего бесщеточного двигателя! Эта информация имеет решающее значение для понимания производительности ваших двигателей.

Знаете ли вы, что знание индуктивности вашего двигателя так же важно, как и знание сопротивления? Однако большинство гонщиков не обращают на это особого внимания. Большинство гонщиков заботятся только о том, чтобы получить статор с наименьшим сопротивлением, который они могут найти, однако это только половина уравнения в поиске наилучшего возможного статора. Индуктивность также играет очень важную роль в производительности вашего двигателя. Общее эмпирическое правило заключается в том, что сочетание наименьшего сопротивления и наибольшей индуктивности обеспечивает наилучшую производительность для R/C двигателей, а разницу между этими двумя числами мы называем «разбросом». Как правило, чем больше разброс, тем лучше работает двигатель. Например, при использовании обычных 17,5-витковых чисел 18,0 мОм в качестве числа сопротивления и 30,0 миллиГенри в качестве числа индуктивности, это будет разброс 12. Если бы вы могли найти еще 17,5, например, с разбросом 12,5, этот двигатель будет работать лучше на трассе по сравнению с двигателем с разбросом 12. Не зная «разброса», вы, по сути, оставляете вас в догадках о том, какой двигатель действительно лучше для вашей коробки.

Кроме того, Fantom Facts Machine 3S не производится серийно, а собирается вручную в США в соответствии с высочайшими стандартами радиоуправляемой индустрии. Калибровка Facts Machine 3S дважды проверена для максимально возможной точности с использованием резисторов и катушек индуктивности с допуском 5%, со ссылкой на наш магазин миллиомметра Instek GOM-802 и измерителя индуктивности Duoyi, поэтому вы можете быть уверены, что мы предоставляем вам самый точный тестер статора в R/C. Покупка Instek GOM-802 и качественного измерителя индуктивности стоит более 500 долларов, поэтому Facts Machine 3S является невероятной ценностью для всех серьезных гонщиков.

Теперь, с новым FACTS MACHINE 3S   Измерителем сопротивления / индуктивности , вы можете проверить два наиболее важных фактора вашего статора с помощью одного компактного и простого в использовании инструмента!

Больше никаких догадок… Получите «ФАКТЫ» и получите преимущество над конкурентами с помощью измерителя сопротивления / индуктивности бесколлекторного двигателя FACTS MACHINE 3S!

ХАРАКТЕРИСТИКИ:

• Прецизионная калибровка с использованием миллиомметра Instek GOM-802 (такой же, как у ROAR) и измерителя индуктивности Duoyi DY-4070G
• Диапазон сопротивления: от 0 до 999 мОм
• Диапазон индуктивности: от 0 до 0,999 мГн
• Отображает значения сопротивления и индуктивности всех 3 полюсов одновременно, пока устройство не будет сброшено (устраняет необходимость запоминать или записывать каждое число)
• ЖК-дисплей с подсветкой
• Высококачественные позолоченные зажимы сопротивления Mueller® и высококачественные зажимы индуктивности Кельвина
• Возможность тестирования каждого полюса по отдельности или двух полюсов одновременно
• Питание от сети переменного тока — включает сетевой блок питания 6 В
• Напечатанный на 3D-принтере чехол с логотипом Fantom
• Поставляется в прочном пенопластовом ящике для хранения
• Ручная сборка в США!

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:

• РАЗМЕРЫ: 2,85″ (72 мм) Д x 1,58″ (40 мм) Ш x 0,72″ (18,4 мм) В (0,78″ / 20 мм В, включая экран)
• ВЕС: 2,45 унции (69,46 г)

НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ ДЛЯ ПОЛНОГО РУКОВОДСТВА

Только зарегистрированные клиенты, которые приобрели этот продукт, могут оставить отзыв.