Silniki w urządzeniach wielowirnikowych są dwojakiego rodzaju: kolektorowe i bezszczotkowe. Ich główna różnica polega na tym, że w silniku kolektorowym uzwojenia znajdują się na wirniku (część obrotowa), a w silniku bezszczotkowym na stojanie. Nie wchodząc w szczegóły, powiedzmy, że silnik bezszczotkowy jest lepszy od silnika kolektorowego, ponieważ najlepiej spełnia stawiane mu wymagania. Dlatego w tym artykule skupimy się tylko na tego typu silnikach. Możesz przeczytać więcej o różnicy między silnikami bezszczotkowymi i szczotkowanymi.
Pomimo tego, że silniki BC zaczęły być stosowane stosunkowo niedawno, sama idea ich urządzenia pojawiła się dawno temu. Jednak pojawienie się przełączników tranzystorowych i potężnych magnesów neodymowych umożliwiło ich komercyjne zastosowanie.
Urządzenie BK - silniki
Konstrukcja silnika bezszczotkowego składa się z wirnika, na którym zamocowane są magnesy oraz stojana, na którym znajdują się uzwojenia. Tylko na podstawie względnej pozycji tych komponentów, silniki BC dzielą się na inrunner i outrunner.
W systemach wielowirnikowych częściej stosuje się schemat Outrunner, ponieważ pozwala na uzyskanie najwyższego momentu obrotowego.
Plusy i minusy BC - silniki
Plusy:
- Uproszczona konstrukcja silnika dzięki wykluczeniu z niego kolektora.
- Wyższa wydajność.
- Dobre chłodzenie
- Silniki BK mogą pracować w wodzie! Nie zapominaj jednak, że ze względu na włączoną wodę części mechaniczne silnik może z czasem rdzewieć i zepsuć się. Unikać podobne sytuacje zaleca się smarowanie silników smarem hydrofobowym.
- Najniższy RFI
Minusy:
Z minusów można jedynie zauważyć niemożność użycia tych silników bez ESC (regulatorów prędkości). To nieco komplikuje konstrukcję i sprawia, że silniki BC są droższe niż silniki kolektorowe. Jeśli jednak złożoność projektu jest parametrem priorytetowym, to istnieją silniki BC z wbudowanymi regulatorami prędkości.
Jak wybrać silniki do swojego helikoptera?
Wybierając demona silniki kolektorów przede wszystkim należy zwrócić uwagę na następujące cechy:
- Prąd maksymalny - ta charakterystyka pokazuje, jaki maksymalny prąd może wytrzymać uzwojenie silnika w krótkim czasie. Jeśli ten czas zostanie przekroczony, awaria silnika jest nieunikniona. Ten parametr wpływa również na wybór ESC.
- Maksymalne napięcie - podobnie jak maksymalny prąd pokazuje, jakie napięcie można przyłożyć do uzwojenia przez krótki czas.
- KV to liczba obrotów silnika na wolt. Ponieważ ten wskaźnik zależy bezpośrednio od obciążenia na wale silnika, jest wskazany w przypadku braku obciążenia.
- Odporność - zależy od oporu Sprawność silnika... Dlatego im mniejszy opór, tym lepiej.
Opublikowano 19.03.2013
Tym artykułem rozpoczynam serię publikacji o silnikach bezszczotkowych. prąd stały... Opiszę przystępnym językiem informacje ogólne, urządzenie, algorytmy sterowania silnikiem bezszczotkowym. Zostanie rozważony różne rodzaje silników, podano przykłady doboru parametrów sterownika. Opiszę urządzenie i algorytm regulatora, sposób doboru wyłączników mocy oraz główne parametry regulatora. Logicznym zakończeniem publikacji będzie schemat regulatora.
Silniki bezszczotkowe stał się powszechny dzięki rozwojowi elektroniki, a w szczególności dzięki pojawieniu się niedrogich przełączników tranzystorowych mocy. Ważną rolę odegrało również pojawienie się potężnych magnesów neodymowych.
Jednak silnik bezszczotkowy nie powinien być uważany za nowość. Idea silnika bezszczotkowego sięga początków elektryczności. Jednak ze względu na niedostępność technologii poczekał do 1962 roku, kiedy pojawił się pierwszy komercyjny bezszczotkowy silnik prądu stałego. Tych. Od ponad pół wieku pojawiają się różne seryjne wdrożenia tego typu napędu elektrycznego!
Trochę terminologii
Bezszczotkowe silniki prądu stałego są również nazywane silnikami zaworowymi, w literaturze zagranicznej BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) lub PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor).
Strukturalnie silnik bezszczotkowy składa się z wirnika z magnesami trwałymi i stojana z uzwojeniami. Zwracam uwagę na to, że w silniku kolektorowym wręcz przeciwnie, uzwojenia są na wirniku. Dlatego w dalszej części tekstu wirnik to magnesy, stojan to uzwojenia.
Do sterowania silnikiem służy regulator elektroniczny. W literaturze zagranicznej Speed Controller lub ESC (elektroniczna regulacja prędkości).
Co to jest silnik bezszczotkowy?
Zwykle ludzie w obliczu czegoś nowego szukają analogii. Czasem trzeba usłyszeć zwroty „no cóż, to jak synchro”, albo jeszcze gorzej „wygląda na krok po kroku”. Ponieważ większość silników bezszczotkowych jest trójfazowych, jest to jeszcze bardziej mylące, co prowadzi do błędnego przekonania, że regulator zasila silnik prądem trójfazowym AC. Wszystko powyższe jest tylko częściowo prawdziwe. Faktem jest, że wszystkie silniki, z wyjątkiem asynchronicznych, można nazwać synchronicznymi. Wszystkie silniki prądu stałego są samosynchronicznymi silnikami synchronicznymi, ale ich zasada działania różni się od silników synchronicznych prąd przemienny które nie mają samosynchronizacji. Jako bezszczotkowy silnik krokowy prawdopodobnie też będzie mógł działać. Ale o to chodzi: cegła, może też latać… choć nie daleko, bo nie jest do tego przeznaczona. Bezszczotkowy silnik strumieniowy jest bardziej odpowiedni jako silnik krokowy.
Spróbujmy dowiedzieć się, czym jest silnik prądu stałego Brushless. W tym zdaniu odpowiedź jest już zawarta - jest to silnik prądu stałego bez kolektora. Funkcje kolektora pełni elektronika.
Zalety i wady
Z konstrukcji silnika usunięto dość skomplikowany, ciężki i iskrzący zespół – kolektor. Konstrukcja silnika jest znacznie uproszczona. Silnik jest lżejszy i bardziej kompaktowy. Straty przełączania są znacznie zmniejszone dzięki wymianie kolektora i styków szczotki klucze elektroniczne... W rezultacie otrzymujemy silnik elektryczny z najlepsza wydajność Wskaźnik wydajności i mocy na kilogram masy własnej, przy czym najwięcej szeroki zasięg zmiany prędkości obrotowej. W praktyce silniki bezszczotkowe pracują chłodniej niż ich szczotkowane odpowiedniki. Przenieść dokądś Ciężki ładunek przez chwile. Zastosowanie silnych magnesów neodymowych sprawiło, że silniki bezszczotkowe są jeszcze bardziej kompaktowe. Konstrukcja silnika bezszczotkowego pozwala na pracę w środowisku wodnym i agresywnym (oczywiście tylko silnik, regulator będzie bardzo drogi do zamoczenia). Silniki bezszczotkowe praktycznie nie generują zakłóceń radiowych.
Jedyną wadą jest skomplikowana i droga jednostka elektroniczna kontrola (regulator lub ESC). Jeśli jednak chcesz kontrolować prędkość obrotową silnika, nie sposób obejść się bez elektroniki. Jeśli nie musisz kontrolować obrotów silnika bezszczotkowego, nadal nie możesz obejść się bez elektronicznej jednostki sterującej. Bezszczotkowy silnik bez elektroniki to tylko kawałek sprzętu. Nie ma możliwości przyłożenia do niego napięcia i uzyskania normalnego obrotu, jak w przypadku innych silników.
Co dzieje się w bezszczotkowym regulatorze silnika?
Aby zrozumieć, co się dzieje w elektronice regulatora sterującego silnikiem bezszczotkowym, cofnijmy się trochę i najpierw zrozummy, jak działa silnik komutatorowy. Ze szkolnego kursu fizyki pamiętamy, jak pole magnetyczne działa na ramę z prądem. Ramka z prądem obraca się w polu magnetycznym. Co więcej, nie obraca się stale, ale obraca się do określonej pozycji. Aby nastąpiła ciągła rotacja, musisz zmienić kierunek prądu w ramce, w zależności od położenia ramki. W naszym przypadku rama z prądem jest uzwojeniem silnika, a komutator jest zaangażowany w przełączanie - urządzenie ze szczotkami i stykami. Urządzenie najprostszego silnika, patrz rysunek.
Elektronika sterująca silnikiem bezszczotkowym robi to samo - in odpowiednie chwilełączy napięcie DC z wymaganymi uzwojeniami stojana.
Czujniki położenia, silniki bez czujników
Z powyższego ważne jest, aby zrozumieć, że napięcie musi być przyłożone do uzwojeń silnika w zależności od położenia wirnika. Dlatego elektronika musi być w stanie określić położenie wirnika silnika. . W tym celu wykorzystywane są czujniki położenia. Oni mogą być różnych typów, optyczne, magnetyczne itp. Obecnie bardzo popularne są dyskretne czujniki Halla (np. SS41). Bezszczotkowy silnik 3-fazowy wykorzystuje 3 czujniki. Dzięki takim czujnikom elektroniczna jednostka sterująca zawsze wie, w jakiej pozycji znajduje się wirnik i na które uzwojenia w danym momencie należy podać napięcie. Później zostanie rozważony algorytm sterowania dla trójfazowego silnika bezszczotkowego.
Istnieją silniki bezszczotkowe, które nie mają czujników. W takich silnikach położenie wirnika określa się mierząc napięcie na nieużywanym ten moment uzwojenie czasu. Te metody zostaną również omówione później. Należy zwrócić uwagę na istotną kwestię: ta metoda ma zastosowanie tylko wtedy, gdy silnik się obraca. Ta metoda nie działa, gdy silnik się nie kręci lub kręci się bardzo wolno.
W jakich przypadkach stosowane są silniki bezszczotkowe z czujnikami, a w jakich bez czujników? Jaka jest różnica między nimi?
Silniki z enkoderem położenia są preferowane z punkt techniczny wizja. Algorytm sterowania dla takich silników jest znacznie prostszy. Jednak są też wady: wymagane jest doprowadzenie zasilania do czujników i okablowania od czujników w silniku do elektroniki sterującej; w przypadku awarii jednego z czujników silnik przestaje działać, a wymiana czujników z reguły wymaga demontażu silnika.
W przypadkach, gdy konstrukcyjnie niemożliwe jest umieszczenie czujników w obudowie silnika, stosuje się silniki bez czujników. Konstrukcyjnie takie silniki praktycznie nie różnią się od silników z czujnikami. Ale jednostka elektroniczna musi być w stanie sterować silnikiem bez czujników. W takim przypadku jednostka sterująca musi spełniać parametry konkretny model silnik.
Jeśli silnik musi uruchomić się przy znacznym obciążeniu wału silnika (pojazdy elektryczne, mechanizmy podnoszące itp.), stosuje się silniki z czujnikami.
Jeżeli silnik uruchamia się bez obciążenia na wale (wentylacja, śmigło pneumatyczne, stosuje się sprzęgło odśrodkowe itp.), można stosować silniki bez czujników. Pamiętaj: silnik bez czujników położenia musi uruchamiać się bez obciążenia wału. Jeśli ten warunek nie jest spełniony, należy zastosować silnik z czujnikami. Dodatkowo w momencie uruchomienia silnika bez czujników możliwe są drgania obrotowe osi silnika w różne strony... Jeśli ma to krytyczne znaczenie dla twojego systemu, użyj silnika z czujnikami.
Trzy fazy
Zakupione trójfazowe silniki bezszczotkowe najbardziej rozpowszechniony... Ale mogą być jedno, dwu, trzy lub więcej faz. Im więcej faz, tym płynniejszy obrót pola magnetycznego, ale także bardziej złożony system sterowania silnikiem. System 3-fazowy jest najbardziej optymalny pod względem stosunku wydajności do złożoności, dlatego stał się tak powszechny. Ponadto rozważany będzie tylko schemat trójfazowy, jako najczęstszy. W rzeczywistości fazy są uzwojeniami silnika. Dlatego jeśli powiesz „trójuzwojenie”, myślę, że będzie to również poprawne. Trzy uzwojenia są połączone w gwiazdę lub trójkąt. Bezszczotkowy silnik trójfazowy ma trzy przewody - przewody uzwojenia, patrz rysunek.
Silniki z enkoderami posiadają dodatkowo 5 przewodów (2-zasilanie czujników położenia i 3 sygnały z czujników).
W układzie trójfazowym napięcie jest przykładane do dwóch z trzech uzwojeń w dowolnym momencie. Istnieje zatem 6 opcji zasilania uzwojeń silnika napięciem stałym, jak pokazano na poniższym rysunku.
Silnik prądu stałego nazywa się Silnik elektryczny który jest zasilany prądem stałym. W razie potrzeby zaopatrz się w silnik o wysokim momencie obrotowym i stosunkowo niskich obrotach. Strukturalnie Inrunnery są prostsze ze względu na fakt, że stacjonarny stojan może służyć jako obudowa. Można do niego zamontować łączniki. W przypadku Outrunnerów obraca się cała zewnętrzna część. Silnik jest przymocowany do stałej osi lub części stojana. W przypadku koła silnikowego mocowanie odbywa się na nieruchomej osi stojana, druty są prowadzone do stojana przez wydrążoną oś mniejszą niż 0,5 mm.
Silnik prądu przemiennego nazywa się silnik elektryczny zasilany prądem przemiennym... Istnieją następujące typy silników prądu przemiennego:
Istnieje również UKD (uniwersalny silnik kolektora) z funkcją trybu pracy zarówno na prąd przemienny, jak i stały.
Innym typem silnika jest silnik krokowy ze skończoną liczbą pozycji wirnika... Pewna wskazana pozycja wirnika jest ustalana poprzez doprowadzenie zasilania do niezbędnych odpowiednich uzwojeń. Podczas usuwania napięcia zasilania z jednego uzwojenia i przenoszenia go na inne następuje proces przejścia do innej pozycji.
Silnik prądu przemiennego, gdy jest zasilany przez sieć handlową, zwykle nie pozwala na osiągnięcie: prędkość obrotowa więcej trzy tysiące obr/min... Z tego powodu, gdy konieczne jest uzyskanie wyższych częstotliwości, stosuje się silnik kolektorowy, dodatkowe korzyści czyli lekkość i zwartość przy zachowaniu wymaganej mocy.
Czasami używają też specjalnego skrzynia biegów zwany mnożnikiem, który zmienia parametry kinematyczne urządzenia na wymagane wskaźniki techniczne... Zespoły kolektorów zajmują czasami nawet połowę powierzchni całego silnika, dlatego silniki prądu przemiennego są zmniejszane i lżejsze dzięki zastosowaniu przemiennika częstotliwości, a czasami dzięki obecności sieci o podwyższonej częstotliwości do 400 Hz .
Zasoby dowolnego asynchronicznego silnika prądu przemiennego są zauważalnie wyższe niż w przypadku kolektora. To jest określone stan izolacji uzwojeń i łożysk... Silnik synchroniczny, przy zastosowaniu falownika i czujnika położenia wirnika, jest uważany za elektroniczny odpowiednik klasycznego silnika kolektorowego, który wspomaga pracę za pomocą prądu stałego.
Bezszczotkowy silnik prądu stałego. Informacje ogólne i projekt urządzenia
Bezszczotkowy silnik prądu stałego jest również nazywany trójfazowym silnikiem bezszczotkowym. Jest to urządzenie synchroniczne, którego zasada działania opiera się na samosynchronizującej regulacji częstotliwości, dzięki czemu sterowany jest wektor (począwszy od położenia wirnika) pola magnetycznego stojana.
Sterowniki silników tego typu są często zasilane przez stałe napięcie, dlatego dostali swoją nazwę. W anglojęzycznej literaturze technicznej silnik bezszczotkowy nazywa się PMSM lub BLDC.
Silnik bezszczotkowy został stworzony przede wszystkim w celu optymalizacji l dowolny silnik prądu stałego; ogólnie. DO Uruchamiacz Takie urządzenie (zwłaszcza jak na szybki mikrosiłownik z precyzyjnym pozycjonowaniem) było bardzo wymagające.
Być może doprowadziło to do zastosowania takich specyficznych urządzeń prądu stałego, bezszczotkowych silników trójfazowych, zwanych również BDPT. Są prawie identyczne w konstrukcji. silniki synchroniczne prąd przemienny, gdzie obrót wirnika magnetycznego występuje w konwencjonalnym stojanie warstwowym w obecności uzwojeń trójfazowych, a liczba obrotów zależy od napięcia i obciążenia stojana. W oparciu o określone współrzędne wirnika przełączane są różne uzwojenia stojana.
Bezszczotkowe silniki prądu stałego mogą istnieć bez żadnych oddzielnych czujników, jednak czasami są one obecne na wirniku, na przykład czujnik Halla. Jeśli urządzenie działa bez dodatkowy czujnik, następnie uzwojenia stojana pełnią rolę elementu mocującego,... Wtedy prąd powstaje w wyniku obrotu magnesu, gdy wirnik indukuje siłę elektromotoryczną w uzwojeniu stojana.
Jeśli jedno z uzwojeń jest wyłączone, to zaindukowany sygnał będzie mierzony i dalej przetwarzany, jednak ta zasada działania jest niemożliwa bez profesora przetwarzania sygnałów. Ale do cofania lub hamowania takiego silnika elektrycznego obwód mostkowy nie jest potrzebny - wystarczy dostarczyć impulsy sterujące w odwrotnej kolejności do uzwojeń stojana.
W VD (silnik zaworowy) cewka indukcyjna w postaci magnesu stałego znajduje się na wirniku, a uzwojenie twornika znajduje się na stojanie. Na podstawie położenia wirnika, powstaje napięcie zasilania wszystkich uzwojeń silnik elektryczny. Kiedy kolektor jest używany w takich konstrukcjach, przełącznik półprzewodnikowy będzie pełnił swoją funkcję w silniku zaworu.
Główna różnica między silnikami synchronicznymi i zaworowymi polega na samosynchronizacji tych ostatnich za pomocą DPR, który określa proporcjonalną częstotliwość obrotu wirnika i pola.
Najczęściej bezszczotkowy silnik prądu stałego jest używany w następujących obszarach:
Stojan
To urządzenie ma klasyczny wygląd i przypomina to samo urządzenie maszyny asynchronicznej. Kompozycja zawiera rdzeń miedziany(układany na obwodzie w rowkach), który określa liczbę faz i korpus. Zwykle fazy sinus i cosinus wystarczają do rotacji i samoczynnego rozruchu, jednak często tworzony jest silnik bezszczotkowy z trójfazowym, a nawet czterofazowym.
Silniki elektryczne z rewersem siła elektromotoryczna w zależności od rodzaju ułożenia zwojów na uzwojeniu stojana dzielą się na dwa typy:
- sinusoidalny kształt;
- trapezowy.
W odpowiednich typach silników prąd fazowy również zmienia się w zależności od sposobu zasilania sinusoidalnie lub trapezoidalnie.
Wirnik
Zwykle wirnik jest wykonany magnesy trwałe z liczbą par biegunów od dwóch do ośmiu, które z kolei zmieniają się z północy na południe lub odwrotnie.
Najczęstsze i najtańsze do produkcji wirnika są magnesy ferrytowe, ale ich wadą jest niski poziom Indukcja magnetyczna, dlatego urządzenia stworzone ze stopów różnych pierwiastków ziem rzadkich zastępują obecnie taki materiał, ponieważ mogą zapewnić wysoki poziom indukcja magnetyczna, która z kolei zmniejsza rozmiar wirnika.
DPR
Czujnik położenia wirnika zapewnia: sprzężenie zwrotne... Zgodnie z zasadą działania urządzenie dzieli się na następujące podgatunki:
- indukcyjny;
- fotoelektryczny;
- Czujnik Halla.
Ten ostatni typ zyskał największą popularność ze względu na jego prawie absolutna bezwładność właściwości oraz możliwość pozbycia się opóźnień w kanałach sprzężenia zwrotnego w oparciu o położenie wirnika.
Układ sterowania
Układ sterowania składa się z wyłączników mocy, czasem także tyrystorów lub tranzystorów mocy, w tym izolowanej bramki, prowadzącej do odbioru falownika prądu lub falownika napięcia. Najczęstszym procesem zarządzania tymi kluczami jest: za pomocą mikrokontrolera, który wymaga ogromnej ilości operacji obliczeniowych do sterowania silnikiem.
Zasada działania
Działanie silnika polega na tym, że sterownik komutuje określoną liczbę uzwojeń stojana w taki sposób, że wektory pól magnetycznych wirnika i stojana są ortogonalne. Z PWM (modulacja szerokości impulsu) sterownik kontroluje prąd płynący przez silnik i reguluje moment, który wpływa na wirnik. Kierunek tego efektywnego momentu jest określony przez podniesienie kąta między wektorami. W obliczeniach wykorzystywane są stopnie elektryczne.
Komutację należy wykonać w taki sposób, aby Ф0 (strumień wzbudzenia wirnika) był utrzymywany na stałym poziomie względem strumienia twornika. Przy interakcji takiego wzbudzenia i strumienia twornika powstaje moment obrotowy M, który ma tendencję do obracania wirnika i, równolegle, zapewnia koincydencję wzbudzenia i strumienia twornika. Jednak podczas obrotu wirnika pod wpływem czujnika położenia wirnika przełączane są różne uzwojenia, w wyniku czego przepływ twornika skręca w kierunku następnego kroku.
W takiej sytuacji wektor wynikowy przesuwa się i staje nieruchomy w stosunku do strumienia wirnika, który z kolei wytwarza niezbędny moment obrotowy na wale silnika.
Zarządzanie silnikiem
Bezszczotkowy sterownik silnika prądu stałego reguluje moment obrotowy działający na wirnik poprzez zmianę wielkości modulacji szerokości impulsu. Komutacja jest monitorowana i realizowane za pomocą elektroniki, w przeciwieństwie do konwencjonalnego szczotkowanego silnika prądu stałego. Powszechne są również systemy sterowania, które implementują modulację szerokości impulsu i algorytmy sterowania szerokością impulsu dla przepływu pracy.
Silniki ze sterowaniem wektorowym zapewniają najszerszy zakres znany z własnej regulacji prędkości. Regulacja tej prędkości, a także utrzymywanie połączenia strumienia na niezbędny poziom, wynika z przetwornicy częstotliwości.
Cechą regulacji napędu elektrycznego w oparciu o sterowanie wektorowe jest obecność kontrolowanych współrzędnych. Są w system stacjonarny oraz przekonwertowany na obrotowy, przydzielając stałą wartość proporcjonalną do kontrolowanych parametrów wektora, dzięki czemu powstaje akcja sterująca, a następnie przejście odwrotne.
Pomimo wszystkich zalet takiego systemu, towarzyszy mu wada w postaci złożoności sterowania urządzeniem do regulacji prędkości w szerokim zakresie.
Zalety i wady
Obecnie w wielu branżach ten typ silnika jest bardzo poszukiwany, ponieważ bezszczotkowy silnik prądu stałego łączy prawie wszystkie najlepsze cechy bezstykowe i inne rodzaje silników.
Niezaprzeczalne korzyści silnik zaworu są:
Pomimo wagi pozytywne punkty, v bezszczotkowy silnik prądu stałego jest też kilka wad:
Na podstawie powyższego i niedorozwoju nowoczesna elektronika w regionie wielu nadal uważa za wskazane stosowanie konwencjonalnego silnika asynchronicznego z przetwornicą częstotliwości.
Trójfazowy bezszczotkowy silnik prądu stałego
Ten typ silnika ma doskonałe osiągi, zwłaszcza gdy jest sterowany przez czujniki położenia. Jeśli moment oporu zmienia się lub jest zupełnie nieznany, a także czy jest to konieczne do osiągnięcia wyższy moment rozruchowy stosowane jest sterowanie za pomocą czujnika. Jeżeli czujnik nie jest używany (z reguły w wentylatorach) sterowanie daje możliwość obejścia się bez komunikacji przewodowej.
Cechy sterowania bezszczotkowym silnikiem trójfazowym bez czujnika położenia:
Funkcje kontrolne bezszczotkowy silnik trójfazowy z czujnikiem położenia na przykładzie czujnika Halla:
Wniosek
Bezszczotkowy silnik prądu stałego ma wiele zalet i stanie się godny wybór do użytku zarówno przez specjalistę, jak i zwykłego człowieka na ulicy.
Pojawienie się silników bezszczotkowych wynika z konieczności tworzenia maszyna elektryczna z wieloma korzyściami. Silnik bezszczotkowy to urządzenie bez kolektora, którego funkcję przejmuje elektronika.
BKEPT - bezszczotkowe silniki prądu stałego, mogą być zasilane np. 12, 30 woltami.
- Wybór odpowiedni silnik
- Zasada działania
- Urządzenie BLDC
- Czujniki i ich brak
- Brak czujnika
- Koncepcja częstotliwości PWM
- Układ Arduino
- Mocowanie silnika
Wybór odpowiedniego silnika
Aby wybrać jednostkę, należy porównać zasadę działania i cechy silników szczotkowych i bezszczotkowych.
Od lewej do prawej: silnik szczotkowy i silnik bezszczotkowy FC 28-12
Kolektory kosztują mniej, ale rozwijają niską prędkość obrotową. Są zasilane prądem stałym, lekkie i lekkie, niedroga naprawa wymienić części. Manifestacja negatywnej jakości ujawnia się, gdy otrzymuje się ogromną liczbę obrotów. Szczotki stykają się z kolektorem, powodując tarcie, które może uszkodzić mechanizm. Wydajność jednostki jest zmniejszona.
Szczotki nie tylko wymagają naprawy ze względu na szybkie zużycie, ale mogą również doprowadzić do przegrzania mechanizmu.
Główną zaletą bezszczotkowego silnika prądu stałego jest brak momentu obrotowego i styków przełączających. Oznacza to, że nie ma źródeł strat, jak w silnikach z magnesami trwałymi. Ich funkcje spełniają tranzystory MOS. Wcześniej ich koszt był wysoki, więc nie były dostępne. Dziś cena stała się akceptowalna, a wydajność znacznie się poprawiła. W przypadku braku grzejnika w systemie moc jest ograniczona od 2,5 do 4 watów, a prąd roboczy wynosi od 10 do 30 amperów. Efektywność silniki bezszczotkowe bardzo wysoki.
Drugą zaletą są ustawienia mechaniki. Oś zamontowana na szerokich łożyskach. W konstrukcji nie ma elementów łamliwych i usuwalnych.
Jedyną wadą jest kosztowna elektroniczna jednostka sterująca.
Rozważ przykład mechaniki obrabiarki CNC z wrzecionem.
Wymiana silnika kolektora na silnik bezszczotkowy ochroni wrzeciono CNC przed uszkodzeniem. Pod wrzecionem znajduje się viduval, który ma prawe i lewe obroty momentu obrotowego. Wrzeciono CNC ma duża moc... Prędkość momentu obrotowego jest kontrolowana przez regulator poprzez test serwa, a obroty są kontrolowane przez sterownik automatyczny. Koszt CNC z wrzecionem to około 4 tysięcy rubli.
Zasada działania
Główną cechą mechanizmu jest brak kolektora. A magnesy trwałe są zainstalowane na wrzecionie, są wirnikiem. Wokół niego znajdują się uzwojenia drutu, które mają różne pola magnetyczne. Różnica silniki bezszczotkowe 12 V to umieszczony na nim czujnik sterowania wirnikiem. Sygnały są wysyłane do jednostki regulatora prędkości.
Urządzenie BLDC
Rozmieszczenie magnesów wewnątrz stojana jest zwykle stosowane w silnikach dwufazowych o mała kwota bieguny. Zasada momentu obrotowego wokół stojana jest stosowana, gdy konieczne jest uzyskanie silnika dwufazowego o niskich obrotach.
Na wirniku są cztery bieguny. Magnesy prostokątne są instalowane z naprzemiennymi biegunami. Jednak liczba biegunów nie zawsze jest równa liczbie magnesów, która może wynosić 12, 14. Ale liczba biegunów musi być parzysta.Kilka magnesów może tworzyć jeden biegun.
Zdjęcie przedstawia 8 magnesów tworzących 4 bieguny. Moment siły zależy od mocy magnesów.
Czujniki i ich brak
Sterowniki skoku dzielą się na dwie grupy: z czujnikiem położenia wirnika i bez niego.
Siły prądu działają na uzwojenia silnika, gdy szczególna sytuacja wirnik. Jest to określone przez system elektroniczny za pomocą czujnika położenia. Występują w różnych typach. Popularnym kontrolerem podróży jest dyskretny czujnik z efektem Halla. Silnik 3-fazowy, 30-woltowy, będzie korzystał z 3 czujników. Elektronika stale posiada dane o położeniu wirnika i na czas kieruje napięcie na wymagane uzwojenia.
Powszechne urządzenie, które zmienia swoje wnioski podczas przełączania uzwojeń.
Urządzenie z otwartą pętlą mierzy prąd, prędkość. Kanały PWM są podłączone do dolnej części systemu sterowania.
Do czujnika Halla podłączone są trzy wejścia. Jeśli czujnik Halla zostanie wymieniony, rozpoczyna się proces przerwania recyklingu. Aby zapewnić szybką reakcję obsługi przerwań, czujnik Halla jest podłączony do dolnych pinów portu.
Korzystanie z czujnika położenia z mikrokontrolerem
Aby zaoszczędzić na rachunkach za prąd, nasi czytelnicy polecają „Electricity Saving Box”. Miesięczne płatności będą o 30-50% niższe niż przed rozpoczęciem korzystania z ekonomii. Usuwa z sieci składnik reaktywny, dzięki czemu zmniejsza się obciążenie, a co za tym idzie pobór prądu. Urządzenia elektryczne zużywają mniej energii elektrycznej, a koszty jej płacenia są zmniejszone.
Kontroler stopnia mocy jest sercem rdzenia AVR, który zapewnia inteligentne sterowanie bezszczotkowym silnikiem prądu stałego. AVR to chip do wykonywania określonych zadań.
Zasada działania regulatora może być z czujnikiem lub bez. Program płyt AVR realizuje:
- jak najszybsze uruchomienie silnika bez korzystania z dodatkowych urządzeń zewnętrznych;
- regulacja prędkości jednym zewnętrznym potencjometrem.
Oddzielny widok automatyczna kontrola sma, stosowany w pralkach.
Brak czujnika
Aby określić położenie wirnika, konieczne jest zmierzenie napięcia na nieużywanym uzwojeniu. Ta metoda ma zastosowanie, gdy silnik się obraca, w przeciwnym razie nie będzie działać.
Bezczujnikowe ESC są łatwiejsze w produkcji, co tłumaczy ich szerokie zastosowanie.
Kontrolery mają następujące właściwości:
- maksymalna stała wartość prądu;
- wartość maksymalnego napięcia roboczego;
- numer maksymalna prędkość;
- rezystancja wyłączników mocy;
- częstotliwość impulsów.
Podczas podłączania kontrolera ważne jest, aby przewody były jak najkrótsze. Ze względu na występowanie prądów rozruchowych na początku. Jeśli przewód jest długi, mogą wystąpić błędy w określeniu położenia wirnika. Dlatego też sterowniki sprzedawane są z przewodem 12-16 cm.
Kontrolery mają wiele ustawień oprogramowania:
- kontrola wyłączenia silnika;
- płynne lub twarde wyłączenie;
- hamowanie i płynne wyłączanie;
- wyprzedza moc i wydajność;
- miękki, twardy, szybki start;
- obecne ograniczenie;
- tryb gazowy;
- zmiana kierunku.
Kontroler LB11880 pokazany na rysunku zawiera potężny bezszczotkowy sterownik silnika, co oznacza, że można uruchomić silnik bezpośrednio do mikroukładu bez dodatkowych sterowników.
Koncepcja częstotliwości PWM
Po włączeniu kluczyków do silnika zostaje przyłożone pełne obciążenie. Urządzenie osiąga maksymalną prędkość. Aby sterować silnikiem, musisz zapewnić regulator mocy. To właśnie robi modulacja szerokości impulsu (PWM).
Ustala się wymaganą częstotliwość otwierania i zamykania kluczy. Napięcie zmienia się od zera do pracy. Aby kontrolować obroty, konieczne jest nałożenie sygnału PWM na sygnały klucza.
Sygnał PWM może być generowany przez urządzenie na kilku pinach. Lub utwórz PWM dla osobnego klucza z programem. Obwód staje się prostszy. Sygnał PWM ma 4-80 kHz.
Zwiększenie częstotliwości prowadzi do jeszcze procesy przejściowe, w których powstaje ciepło. Wysokość częstotliwości PWM zwiększa liczbę transjentów, co prowadzi do strat na kluczach. Niska częstotliwość nie daje pożądanej płynności sterowania.
Aby zmniejszyć straty na klawiszach podczas procesów przejściowych, sygnały PWM są podawane oddzielnie do górnego lub dolnego klawisza. Straty bezpośrednie są obliczane według wzoru P = R * I2, gdzie P to strata mocy, R to kluczowa rezystancja, I to siła prądu.
Mniejszy opór minimalizuje straty i zwiększa wydajność.
Układ Arduino
Często platforma obliczeniowa arduino służy do sterowania silnikami bezszczotkowymi. Opiera się na płycie i środowisku programistycznym w języku Wiring.
Płytka arduino zawiera mikrokontroler Atmel AVR oraz elementarne wiązanie do programowania i interakcji z obwodami. Płytka posiada regulator napięcia. Płytka Serial Arduino to prosty układ odwracający do konwersji sygnałów z jednego poziomu na drugi. Programy są instalowane przez USB. Niektóre modele, takie jak Arduino Mini, wymagają: dodatkowa opłata do programowania.
Język programowania Arduino wykorzystuje standardowe przetwarzanie. Niektóre modele arduino pozwalają na kontrolowanie wielu serwerów jednocześnie. Programy są przetwarzane przez procesor i kompilowane przez AVR.
Problemy ze sterownikiem mogą być spowodowane spadkami napięcia i przeciążeniem.
Mocowanie silnika
Mocowanie silnika - mechanizm mocowania silnika. Znajduje zastosowanie w instalacjach silnikowych. Rama silnika to połączony pręt i elementy ramy. Ramy silników są płaskie, przestrzenne pod względem elementów. Mocowanie silnika dla jednego silnika 30 V lub wielu urządzeń. Obwód zasilania mocowanie silnika składa się z zestawu prętów. Mocowanie silnika jest montowane w połączeniu elementów kratownicy i ramy.
Bezszczotkowy silnik prądu stałego to niezastąpiona jednostka stosowana zarówno w życiu codziennym, jak i w przemyśle. Na przykład obrabiarki CNC, sprzęt medyczny, mechanizmy samochodowe.
Silniki BLDC wyróżniają się niezawodnością, wysoką precyzją działania, automatycznym inteligentnym sterowaniem i regulacją.
Pewnie zastanawiałem się, czym taki silnik różni się od innych silników, na przykład od tych w wiertarkach. Silniki montowane w niezbyt mocnych maszynach zwykle nie iskrzą i nie pracują tak głośno, jak ta sama wiertarka, która ma mniejszą moc niż maszyna.
O co chodzi? Fakt jest taki silnik bezszczotkowy jest silnikiem szczotkowym, a silnik bezszczotkowy jest silnikiem bezszczotkowym;... Aby rozwiązać różne problemy, odpowiedni jest inny typ silnika - gdzieś lepsze dopasowanie kolektor, ale gdzieś można zainstalować tylko bezszczotkowy.
Silnik kolektora
Silnik komutatorowy ma z reguły tylko dwa przewody zasilające, jest łatwy w obsłudze, wystarczy wyregulować stałe lub przemienne napięcie zasilania i odpowiednio zmieni się prędkość. Możesz sterować silnikiem kolektora nawet za pomocą prostego ściemniacza. Główną zaletą silnika kolektorowego jest duża prędkość (dziesiątki tysięcy na minutę) przy wysokim momencie obrotowym.
Zasada działania silnika kolektora jest bardzo prosta. W rzeczywistości jego wirnik to zestaw miedzianych ramek w obwodzie magnetycznym, które są naprzemiennie komutowane do źródła zasilania na zespole kolektor-szczotka. Stojan może być albo magnesem trwałym, albo z uzwojeniem zasilanym z tego samego źródła co wirnik lub z oddzielnego źródła, a czasami stojan i wirnik są włączone w jeden obwód szeregowy (np. silniki pralek automatycznych).
Na każdym z odcinków uzwojenia wirnika, poprzez zespół kolektor-szczotka, naprzemiennie podczas obrotu wirnika, Elektryczność w rezultacie wirnik jest ponownie magnesowany, uzyskując wyraźnie wyraźne bieguny północne i południowe, dzięki czemu wirnik obraca się wewnątrz stojana (bieguny wirnika są wypychane przez bieguny stojana, następnie wirnik jest dalej ponownie magnesowany i ponownie wypychany ). Ponieważ wirnik jest za każdym razem przełączany na zasilanie przez następną sekcję, obrót nie zatrzymuje się tak długo, jak zasilanie jest dostarczane do kolektora.
Główna wada silnika kolektora
Szczotki szczotkowego silnika są bardzo wygodne w regulacji, ale gdy są wystarczająco wysokie, szczotki dają o sobie znać. Ponieważ szczotki są cały czas mocno przymocowane do kolektora, wysokie obroty szybko się zużywają, w końcu zostają zatkane w taki czy inny sposób i ostatecznie zaczynają iskrzyć.
Zużycie szczotek i ogólnie zespołu kolektor-szczotka prowadzi do spadku sprawności silnika kolektora. Więc ja zespół kolektor-szczotka - to jest główna wada silniki kolektorów... Dziś starają się zrezygnować z silników szczotkowanych na rzecz bezszczotkowych silników krokowych.
Silnik bezszczotkowy nie ma komutatora ani szczotek. Najprostszy przykład silnik bezszczotkowy - asynchroniczny silnik trójfazowy z wirnikiem klatkowym. Kolejny przykład silnika bezszczotkowego - bardziej nowoczesny - silnik krokowy z wirnikiem magnetycznym... Same uzwojenia stojana silnika bezszczotkowego są ponownie magnesowane, dzięki czemu wirnik zawsze obraca się i obraca w sposób ciągły w ten sposób.
Najczęściej nowoczesne silniki bezszczotkowe są wyposażone w czujnik położenia wirnika, zgodnie z sygnałami, z których działa regulator obrotów silnika. Sygnał z czujnika położenia wirnika jest przesyłany do procesora ponad 100 razy na sekundę, co zapewnia precyzyjne pozycjonowanie wirnika i wysoki moment obrotowy. Istnieją oczywiście silniki bezszczotkowe bez czujnika położenia wirnika, żywym przykładem jest ten sam asynchroniczny silnik trójfazowy. Silniki bez czujnika położenia są tańsze niż silniki z enkoderem.
Zalety silników bezszczotkowych
Ponieważ żywotność łożysk wirnika jest niezwykle długa, można powiedzieć, że w silniku bezszczotkowym praktycznie nie ma części, które z czasem się zużywają i nie wymaga on żadnej konserwacji podczas pracy. Tarcie jest tutaj zminimalizowane, nie ma problemu z przegrzaniem kolektora, ogólnie niezawodność i sprawność silników bezszczotkowych jest bardzo wysoka.
Brak szczotek iskrzących, czujnik położenia wirnika pomoże w dokładnym sterowaniu - praktycznie nie ma wad, są tylko zalety. Czy to cena jakości? silniki krokowe wyższa niż kolektora (plus sterownik), ale to nic w porównaniu z regularna wymiana sprężyny, szczotki i kolektory do silników kolektorów.