Demon silnik kolektora prąd stały ma trójfazowe uzwojenie na stojanie i magnes stały na wirniku. Uzwojenie stojana tworzy wirujące pole magnetyczne, w wyniku którego wirnik magnetyczny zaczyna się poruszać. Aby wytworzyć wirujące pole magnetyczne, do uzwojenia stojana przykładany jest trójfazowy układ napięciowy, który może mieć inny kształt i jest uformowany różne sposoby... Tworzenie napięć zasilających (przełączanie uzwojeń) dla Silnik bezszczotkowy prąd stały jest wytwarzany przez wyspecjalizowane jednostki elektroniczne - sterownik silnika.

Zamów silnik bezszczotkowyw naszym katalogu

W najprostszym przypadku uzwojenia są połączone parami ze źródłem stałe napięcie a gdy wirnik obraca się w kierunku wektora pola magnetycznego uzwojenia stojana, napięcie jest połączone z inną parą uzwojeń. W takim przypadku wektor pola magnetycznego stojana przyjmuje inną pozycję i nadal obraca się wirnik. Aby określić właściwy moment do podłączenia kolejnych uzwojeń, stosuje się czujnik położenia wirnika, częściej niż inne czujniki Halla.

Możliwe warianty i przypadki szczególne

Dostępne obecnie silniki bezszczotkowe są dostępne w wielu różnych wersjach.

Przez wykonanie uzwojenie stojana można wyróżnić silniki z klasycznym uzwojeniem nawiniętym na stalowy rdzeń i silniki z pustym uzwojeniem cylindrycznym bez stalowego rdzenia. Klasyczne uzwojenie ma znacznie wyższą indukcyjność niż puste uzwojenie cylindryczne, a zatem dłuższą stałą czasową. Z tego powodu z jednej strony puste cylindryczne uzwojenie umożliwia bardziej dynamiczną zmianę prądu (a tym samym momentu obrotowego), z drugiej strony podczas pracy ze sterownika silnika przy użyciu modulacji PWM o niskiej częstotliwości w celu wygładzenia tętnień prądu , wymagane są dławiki filtrujące o większej wartości (i odpowiednio o większym rozmiarze). Ponadto klasyczne uzwojenie z reguły ma zauważalnie wyższy magnetyczny moment docisku, a także niższą sprawność niż uzwojenie cylindryczne wydrążone.

Kolejna różnica, według której są podzielone różne modele silniki - jest to względne położenie wirnika i stojana - istnieją silniki z wirnikiem wewnętrznym i silniki z wirnikiem zewnętrznym. Silniki z wirnikiem wewnętrznym mają na ogół wyższe prędkości i niższy moment bezwładności wirnika niż modele z wirnikiem zewnętrznym. W rezultacie silniki z wirnikiem wewnętrznym mają wyższą dynamikę. Silniki z wirnikiem zewnętrznym często mają nieco wyższy moment obrotowy dla tej samej średnicy zewnętrznej silnika.

Różnice w stosunku do innych typów silników

Różnice w stosunku do DCT kolektora. Umieszczenie uzwojenia na wirniku umożliwiło porzucenie szczotek i kolektora i tym samym pozbycie się ruchomego kontakt elektryczny, co znacznie zmniejsza niezawodność DPT z magnesy trwałe... Z tego samego powodu prędkość silników bezszczotkowych jest z reguły znacznie wyższa niż silników prądu stałego z magnesami trwałymi. Z jednej strony pozwala to zwiększyć określona moc z drugiej strony silnik bezszczotkowy, nie we wszystkich zastosowaniach tak duża prędkość jest naprawdę potrzebna

Różnice od silniki synchroniczne z magnesami trwałymi. Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi na wirniku są bardzo podobne do konstrukcji bezszczotkowych silników prądu stałego, ale istnieje wiele różnic. Po pierwsze, termin silnik synchroniczny łączy wiele różne rodzaje silniki, z których część jest przeznaczona do bezpośredniej pracy ze standardowej sieci prąd przemienny, druga część (np. serwomotory synchroniczne) może być obsługiwana tylko przez przemienniki częstotliwości (sterowniki silników). Silniki bezszczotkowe, mimo że mają trójfazowe uzwojenie na stojanie, nie pozwalają praca bezpośrednia od napięcia sieciowego i koniecznie wymagają obecności odpowiedniego sterownika. Dodatkowo silniki synchroniczne mogą być zasilane napięciem sinusoidalnym, a silniki bezszczotkowe napięciem przemiennym o kształcie skokowym (komutacja blokowa), a nawet zakładać jego zastosowanie w nominalnych warunkach pracy.

Kiedy potrzebny jest silnik bezszczotkowy?

Odpowiedź na to pytanie jest dość prosta - w przypadkach, gdy ma przewagę nad innymi typami silników. Na przykład w zastosowaniach, w których wymagane są wysokie prędkości obrotowe, prawie niemożliwe jest obejście się bez silnika bezszczotkowego: ponad 10 000 obr./min. Stosowanie silników bezszczotkowych jest również uzasadnione w przypadkach, w których wymagana jest długa żywotność silnika. W przypadkach, w których wymagane jest zastosowanie zespołu z silnika ze skrzynią biegów, zdecydowanie uzasadnione jest zastosowanie silników bezszczotkowych wolnoobrotowych (o dużej liczbie biegunów). W tym przypadku szybkie silniki bezszczotkowe będą miały prędkość wyższą niż limit dopuszczalna prędkość skrzyni biegów i z tego powodu nie będzie możliwe wykorzystanie ich pełnej mocy. W przypadku zastosowań, w których sterowanie silnikiem jest tak proste, jak to tylko możliwe (bez użycia sterownika silnika), naturalnym wyborem jest szczotkowy silnik prądu stałego.

Z drugiej strony w warunkach podniesiona temperatura lub manifestuje się zwiększone promieniowanie słabość silniki bezszczotkowe - czujniki Halla. Standardowe modele czujników Halla mają ograniczoną odporność na promieniowanie i zakres temperatur pracy. Jeśli jednak w takiej aplikacji konieczne jest zastosowanie silnika bezszczotkowego, wówczas nieuniknione stają się wersje na zamówienie z wymianą czujników Halla na bardziej odporne na te czynniki, co zwiększa cenę silnika i czas dostawy.

Zadanie silnik elektryczny stworzyć rotację, która napędza modele sterowane radiowo.Często te same modele sterowane radiowo - modele samochodów, modele samolotów, modele statków - różnią się znacznie od siebie ceną - prawie 2 razy. Modele te mogą być wyposażone w silniki szczotkowe i bezszczotkowe oraz odpowiednie regulatory. Musisz zrozumieć, który silnik wybrać.

W modelach RC stosowane są 2 główne typy silników elektrycznych: szczotkowane i bezszczotkowe.

(szczotkowany, szczotkowany) jest tańszy, ale modele z takimi silnikami rozwijają mniejszą prędkość i takie silniki są mniej niezawodne.

Cechą charakterystyczną silników kolektorów jest obecność zespołu szczotko-kolektora, który zapewnia ruch modelu sterowanego radiowo. Główną zewnętrzną różnicą między silnikiem szczotkowym a silnikiem bezszczotkowym jest to, że ma dwa przewody zamiast trzech. Silnik kolektora składa się z części ruchomej - wirnika i części stałej - stojana (korpusu). Kolektor to zespół styków umieszczonych na rotorze, a szczotki to styki ślizgowe umieszczone na zewnątrz rotora i dociśnięte do kolektora. Wirnik z uzwojeniami obraca się wewnątrz stojana. Szczotki służą do przesyłania energii elektrycznej do uzwojeń wirujących uzwojeń wirnika. Konwencjonalne silniki szczotkowe mają tylko dwa przewody (dodatni i ujemny), które łączą silnik z regulatorem prędkości.

Silniki szczotkowe stosowane w modelach RC są zasilane prądem stałym. Np. podając odpowiednie napięcie na dwa przewody silnika ze źródła prądu stałego, np. konwencjonalnej baterii lub akumulatora, wprawiamy w ruch wał silnika. Obwód regulatora silnika kolektora jest prosty, co również obniża koszt takiej konfiguracji. Wirnik silnika przyspiesza pole magnetyczne wytworzone na uzwojeniach. Wielkość tego pola zależy od napięcia przyłożonego do uzwojeń, im większe jest wytwarzane pole magnetyczne, tym szybciej obraca się wirnik. Silnik zwykle wskazuje liczbę obrotów uzwojenia silnika, im niższa liczba, tym wyższa prędkość obrotowa wału silnika.
Wśród zalet silników szczotkowych modele sterowane radiowo można wyróżnić: mały rozmiar, wagę, a także stosunkowo niska cena... Dlatego ten typ silnika jest najczęściej używany w poziomy wykończenia budżetu modele lub w modelach poziom podstawowy... Jeśli mówimy o niezawodności silnika szczotkowego, jest on znacznie gorszy od silnika bezszczotkowego. Mimo całej swojej prostoty mają jedną ogromną wadę - ograniczony zasób. Obecność jednostki zbierającej pędzle implikuje: układ mechaniczny przenoszenie kontaktów, czyli Praca mechaniczna szczotki i kolektor mogą prowadzić do iskrzenia w przypadku przegrzania i szybkiego zużycia, gdy niekorzystne warunki praca (wilgoć, brud, kurz). W trakcie pracy silników kolektorów następuje stopniowe zużycie pędzle grafitowe i metal kolektora, po którym ślizgają się szczotki i prędzej czy później zawodzą. Przed przystąpieniem do eksploatacji modelu wskazane jest dotarcie do silnika przy zmniejszonym obciążeniu, aby szczotki prawidłowo ocierały się o kolektor. Przy agresywnej (może 2 wyścigi) lub długotrwałej pracy modelu wymiana silnika kolektora jest częstym i powszechnym zjawiskiem.

Silniki bezszczotkowe(bezszczotkowy, bezszczotkowy) - droższy, ale zdolny do rozwoju duża prędkość a także bardziej odporne na zużycie. Wyposażony w najnowocześniejszy system bezszczotkowy, model działa szybciej i dłużej.

Wysoka wydajność (współczynnik przydatne działanie) i odporność na zużycie jest osiągana dzięki brakowi zespołu zbieraka szczotek. Silniki bezszczotkowe mają większą moc niż silniki szczotkowe tej samej wielkości. Główna różnica zewnętrzna Silnik bezszczotkowy z kolektora to obecność trzech przewodów zamiast dwóch. W silniku bezszczotkowym część ruchoma to po prostu stojan (obudowa) z magnesami trwałymi, a część nieruchoma to wirnik z uzwojeniem trójfazowym. Przełączanie uzwojeń następuje z powodu stosunkowo złożonego obwód elektryczny- regulator.

Silnik bezszczotkowy jest napędzany trójfazowym prądem przemiennym, dlatego do ich działania wymagany jest specjalny regulator prędkości (regulator), który zamienia prąd stały z akumulatora na prąd przemienny. Zarówno silnik bezszczotkowy, jak i regulator silnika bezszczotkowego są bardziej złożone w konstrukcji, co zwiększa koszty.

Silniki zastosowane w modelach mają zamkniętą obudowę, dzięki czemu są odporne na wilgoć, kurz, brud. Można powiedzieć, że silniki bezszczotkowe praktycznie się nie zużywają. Tylko łożyska mogą się zużywać. Jedynym sposobem na złamanie silnika jest kolizja. Możesz też spalić sterownik - jak każdy regulator, ale jeśli sterownik ma zabezpieczenie prądowe to też wytrzyma długo.

Wartości wydajności silnika dla modeli RC

Oprócz podziału na kolektorowe i bezszczotkowe, silniki dzielą się według następujących istotnych cech: moc, KV, napięcie, maksymalny prąd.

Według rozmiaru... Dla silnika kolektora - ta cecha nazywana jest klasą, gdzie liczba, na przykład 280, 300,400, 480, 500, 600, 650, 700, 720, 820, 900, oznacza długość obudowy silnika. Istnieje zestaw klas.
Przykład: klasę silnika określa jego długość - jeśli mówimy o silniku klasy 400, to mówimy o silniku o długości korpusu 400 mm. Ważną cechą silników bezszczotkowych jest ich rozmiar – długość i szerokość. Różnica wielkości daje wyobrażenie o mocy silnika bezszczotkowego. Im większy rozmiar, tym wyższa moc.
Przykład: Silnik 4274 oznacza:
średnica - 42 mm,
długość - 74 mm.
Na przykład silnik tej wielkości jest jednym z najmocniejszych i będzie pasował do samochodu w skali 1:8.

Moc motor (moc, wat) - określa pracę jaką silnik może wykonać w jednostce czasu. Najbardziej ważna cecha silnik. Znając moc, możesz określić maksymalne obciążenie które silnik może wytrzymać zgodnie ze wzorem.
Moc (wat) = napięcie zasilania (wolt) * prąd (amper).
Znając moc, możesz dobrać akumulator i regulator zgodnie z maksymalnym prądem uzyskanym ze wzoru.

Obroty, rev / V (KV, RPM) - obroty na wolt.
Ważnym parametrem jest prędkość obrotowa wału silnika. RPM jest określany przez liczbę obrotów na minutę, innymi słowy, jak szybko obraca się silnik. Prędkość wirnika mierzona w KV. Tak więc zwyczajowo oznacza się stosunek stosunku prędkości obrotowej silnika (obr/min) do napięcia zasilania silnika (V). Ogólnie rzecz biorąc, kV pokazuje, jak szybko będą się obracać różne silniki przy tym samym napięciu.
Maksymalna prędkość = KV * Napięcie zasilania silnika.
Na przykład: silnik 980KV zasilany napięciem 11,1V z akumulatora będzie obracał się z prędkością 980 x 11,1 = 10878 obr/min bez obciążenia.
Aktualny odczyt może reprezentować maksymalny prąd ciągły i wartości graniczne prąd, który może być dostarczony do silnika. Wybierając akumulator i regulator należy wybrać te, które wskazują wartości maksymalnego prądu ciągłego równe lub większe od wartości prądu na silniku.
Do różne modele, różne używane przekładnie i śmigła, wymagane kV silnika dobierane i obliczane jest indywidualnie. Za pomocą tego parametru można wybrać zastosowanie silnika, akumulatora i śmigła. Tak więc silniki o KV powyżej 2000 są z reguły używane w helikopterach lub w modelach o dużej prędkości. Silnik o wysokim KV może być używany z mniejszą liczbą akumulatorów i jest bardziej wydajny przy śmigle o mniejszym skoku. Silniki tej klasy są częściej używane na latających skrzydłach. Silniki o niższym KV pozwalają na umieszczenie akumulatorów o dużej ilości ogniw, przez co przybierają na wadze, ale wydłużają czas lotu - nie ze względu na pojemność, ale ze względu na zmniejszenie maksymalnych prądów podczas tej samej pracy wykonywanej przez silnik. Im wyższe KV silników, tym bardziej zwarte powinny być śmigła. Śruby nie są duży rozmiar zapewnić więcej wysoka prędkość ale zmniejsz wydajność. Konfiguracja z dużymi śmigłami i odpowiednio silnikami o niższej wartości KV jest łatwiejsza do stabilnego lotu, zużywa mniej energii i pozwala na podnoszenie większej masy.
KV jest istotną cechą silników bezszczotkowych. W przypadku silników kolektorów KV zwykle nie jest brane pod uwagę. Jeśli modelarz zdecydował się na wymianę silnika kolektora, zwykle zmienia się on na dokładnie taki sam.

Napięcie zasilanie, V (liczba ogniw, wolty)
Napięcie, do którego przystosowany jest silnik. Określa liczbę ogniw akumulatora, które mogą być używane w motocyklu. Po przekroczeniu żywotność silnika gwałtownie się zmniejsza.
Na przykład istnieją silniki o napięciu roboczym 4,8 V, 6 V i 7,2 V. Liczby te wskazują, z iloma ogniwami w akumulatorze ma pracować ten silnik. Napięcie na jednym ogniwie akumulatora NiMH (niklowo-metalowo-wodorkowego) wynosi 1,2 V - silnik o napięciu roboczym 4,8 V jest przeznaczony do zasilania z akumulatora 4-ogniwowego. Liczby te są przybliżone, silniki mogą pracować przy podwyższonych napięciach.
Napięcie i KV są podłączone.

Maksymalna wydajność,% (maksymalna wydajność)
Sprawność to ilość energii, na którą bezpośrednio przekłada silnik użyteczna praca... Im wyższy, tym lepiej.

Z założenia silniki bezszczotkowe są podzielone na dwie grupy: inrunner i outrunner. Ta cecha mówi o cechy konstrukcyjne silnik.
Silniki Inrunner mają uzwojenia umieszczone na wewnętrznej powierzchni obudowy, a wewnątrz obracający się wirnik magnetyczny. Większość modeli samochodów RC i łodzi wymaga silnika bezszczotkowego Inrunner.
Silniki Wyprzedzający mają uzwojenia stacjonarne, wewnątrz silnika, wokół których obraca się korpus z magnesami trwałymi umieszczonymi na jego wewnętrznej ścianie, czyli zewnętrzna część silnika obraca się w wyrzutnikach. Outrunnery są wybierane do modeli samolotów, ponieważ dzięki swojej konstrukcji są lepiej chłodzone i mają więcej możliwości mocowania. Silniki Outrunner mają niższe kilowolty, co oznacza, że ​​działają z niższą prędkością, ale z większym momentem obrotowym. Zazwyczaj o sile Outrunnerów nie decyduje: wymiary zewnętrzne... Outrunnery dzięki swojej konstrukcji pozwalają na zastosowanie większej liczby biegunów magnetycznych.

Liczba biegunów magnesów stosowane w silnikach bezszczotkowych mogą być różne.
Na podstawie liczby biegunów możesz ocenić moment obrotowy i prędkość silnika. Silniki z wirnikami dwubiegunowymi mają najwyższa prędkość obrót przy najniższym momencie obrotowym. Silniki o większej liczbie biegunów mają niższą prędkość obrotową, ale wyższy moment obrotowy.

Również silniki bezszczotkowe są sensoryczne i bezczujnikowe.
Sensoryczny lepiej, bo czujnik zapewnia więcej gładka operacja silnik, szybki i płynny rozruch, bardziej racjonalne wykorzystanie energii.

Silniki bezszczotkowe

Bezszczotkowe silniki elektryczne weszły do ​​modelowania stosunkowo niedawno, w ciągu ostatnich 5-7 lat. W przeciwieństwie do silników kolektorowych są zasilane prądem przemiennym trójfazowym. Silniki bezszczotkowe działają wydajnie w szerszym zakresie obrotów i mają więcej wysoka wydajność... Jednocześnie konstrukcja silnika jest prostsza, nie posiada zespołu szczotek i nie ma potrzeby utrzymanie... Można powiedzieć, że silniki bezszczotkowe praktycznie się nie zużywają. Koszt silników bezszczotkowych jest nieco wyższy niż silników szczotkowanych. Wynika to z faktu, że wszystkie silniki bezszczotkowe są wyposażone w łożyska i z reguły są lepszej jakości. Chociaż różnica cenowa między dobrem silnik kolektora a silnik bezszczotkowy tej samej klasy nie jest taki świetny.

Z założenia silniki bezszczotkowe są podzielone na dwie grupy: inrunner (wymawiane „inrunner”) i outrunner (wymawiane „outrunner”). Silniki z pierwszej grupy mają uzwojenia umieszczone wzdłuż wewnętrznej powierzchni obudowy i obracający się wewnątrz wirnik magnetyczny. Silniki z drugiej grupy - "outrunners" mają wewnątrz silnika nieruchome uzwojenia, wokół których obraca się korpus z magnesami trwałymi umieszczonymi na jego wewnętrznej ściance. Liczba biegunów magnesów stosowanych w silnikach bezszczotkowych może być różna. Na podstawie liczby biegunów możesz ocenić moment obrotowy i prędkość silnika. Silniki z wirnikami dwubiegunowymi mają najwyższą prędkość obrotową przy najniższym momencie obrotowym. Z założenia silniki te mogą być tylko „internatami”. Silniki te są często sprzedawane w postaci wstępnie zmontowanej. przekładnie planetarne, ponieważ ich obroty są zbyt wysokie dla bezpośredniego obrotu śmigła. Czasami takie silniki są używane bez skrzyni biegów - na przykład są montowane w modelach samolotów wyścigowych. Silniki o większej liczbie biegunów mają niższą prędkość obrotową, ale wyższy moment obrotowy. Silniki te pozwalają na zastosowanie śmigieł o dużej średnicy bez konieczności stosowania przekładni. Ogólnie rzecz biorąc, śmigła o dużej średnicy i małym skoku, przy stosunkowo niskich obrotach, zapewniają duży ciąg, ale powiedz modelowi niska prędkość, natomiast śmigła o małej średnicy z dużym skokiem wysokie obroty zapewniają dużą prędkość przy stosunkowo niskim ciągu. Tak więc silniki wielobiegunowe są idealne do modeli, które wymagają wysokiego stosunku ciągu do masy, a dwubiegunowe bez przekładni są idealne do modeli o dużej prędkości. Dla dokładniejszego doboru silnika i śmigła do pewien model, możesz użyć program specjalny MotoCalc.

Ponieważ silniki bezszczotkowe są zasilane prądem przemiennym, do pracy potrzebują specjalnego sterownika (regulatora), który zamienia prąd stały z akumulatorów na prąd przemienny. Regulatory do silników bezszczotkowych to programowalne urządzenia, które pozwalają kontrolować wszystko w swoim życiu. ważne parametry silnik. Pozwalają nie tylko na zmianę prędkości i kierunku pracy silnika, ale również zapewniają, w zależności od potrzeb, płynną lub nagły start, ograniczenie prądu maksymalnego, funkcja „hamulca” oraz szereg innych dostrojeń silnika na potrzeby modelarza. Do zaprogramowania regulatora służą urządzenia do podłączenia go do komputera lub w warunki terenowe można to zrobić za pomocą nadajnika i specjalnej zworki.

Jest dla nich wielu producentów silników bezszczotkowych i regulatorów. Silniki bezszczotkowe różnią się również znacznie pod względem konstrukcji i wielkości. Ponadto, własna produkcja Silniki bezszczotkowe oparte na częściach z napędów CD i innych przemysłowych silników bezszczotkowych stały się dość powszechne w ostatnich latach. Być może z tego powodu silniki bezszczotkowe dzisiaj nie mają nawet takiego przybliżenia Generalna klasyfikacja jak bracia kolekcjonerzy. Podsumujmy krótko. Obecnie silniki szczotkowe są używane głównie w niedrogich modelach hobbystycznych lub modele sportowe poziom podstawowy. Silniki te są niedrogie, łatwe w obsłudze i nadal stanowią najpopularniejszy typ silnika elektrycznego w modelu. Zastępują je silniki bezszczotkowe. Jedynym ograniczeniem pozostaje ich cena. Wraz z regulatorem silnik bezszczotkowy kosztuje 30-70% więcej. Jednak ceny elektroniki i silników spadają, a stopniowe wypieranie silników kolektorowych z branży modelarskiej jest tylko kwestią czasu.

AVR492: Bezszczotkowe sterowanie silnikiem prądu stałego za pomocą AT90PWM3

Cechy charakterystyczne:

• Ogólne informacje o silniku BLDC
• Wykorzystuje kontroler stopnia mocy
• Implementacja sprzętowa
• Przykładowy kod programu

Wstęp

Niniejsza nota aplikacyjna opisuje, jak zaimplementować bezszczotkowy sterownik silnika prądu stałego (silnik BLDC) za pomocą czujników położenia opartych na mikrokontrolerze AT90PWM3 AVR.

Wysokowydajny rdzeń mikrokontrolera AVR, który zawiera kontroler stopnia mocy, umożliwia wdrożenie szybkiego bezszczotkowego urządzenia sterującego silnikiem prądu stałego.

Ten dokument zawiera krótki opis tego, jak to działa. Silnik bezszczotkowy prąd stały, a szczegółowo sterowanie silnikiem BLDC w trybie dotykowym, a także opis schemat projekt referencyjny ATAVRMC100, na którym opiera się niniejsza nota aplikacyjna.

Omówiono również implementację oprogramowania z zaimplementowaną programowo pętlą sterowania opartą na regulatorze PID. Do sterowania procesem przełączania zakłada się, że wykorzystywane są wyłącznie czujniki położenia oparte na efekcie Halla.

Zasada działania

Pola zastosowań silników BLDC stale się powiększają, co wiąże się z szeregiem ich zalet:

1. Brak montażu kolektora, co upraszcza lub wręcz eliminuje konserwację.
2. Pokolenie ponad niski poziom hałas akustyczny i elektryczny w porównaniu z uniwersalnymi szczotkowanymi silnikami prądu stałego.
3. Możliwość pracy w środowiskach niebezpiecznych (z produktami łatwopalnymi).
4. Dobry stosunek charakterystyki wagi i rozmiaru do mocy ...

Silniki tego typu charakteryzują się małą bezwładnością wirnika, ponieważ uzwojenia znajdują się na stojanie. Komutacja jest sterowana elektronicznie. Momenty przełączania są określane na podstawie informacji z czujników położenia lub pomiaru siły przeciwelektromotorycznej generowanej przez uzwojenia.

W przypadku sterowania za pomocą czujników silnik BLDC składa się zwykle z trzech głównych części: stojana, wirnika i czujników Halla.

Stojan klasycznego trójfazowego silnika BLDC zawiera trzy uzwojenia. W wielu silnikach uzwojenia są podzielone na kilka sekcji, aby zmniejszyć tętnienie momentu obrotowego.

Rysunek 1 przedstawia obwód zastępczy stojana elektrycznego. Składa się z trzech uzwojeń, z których każde zawiera trzy elementy połączone szeregowo: indukcyjność, rezystancję i odwrotne emf.

Wirnik silnika BLDC składa się z parzystej liczby magnesów trwałych. Liczba biegunów magnetycznych w wirniku również wpływa na wielkość skoku i tętnienie momentu obrotowego. W jaki sposób duża ilość bieguny, mniejszy rozmiar krok obrotu i mniejsze tętnienia momentu obrotowego. Można użyć magnesów trwałych z 1,5 parami biegunów. W niektórych przypadkach liczba par biegunów wzrasta do 8 (rysunek 2).

Uzwojenia są zamontowane na stałe i magnes się obraca. Wirnik BLDC charakteryzuje się mniejszą masą w porównaniu z wirnikiem konwencjonalnym silnik uniwersalny prąd stały, w którym uzwojenia znajdują się na wirniku.

Czujnik Halla

W obudowie silnika wbudowane są trzy czujniki Halla, które służą do oceny położenia wirnika. Czujniki są instalowane pod kątem 120° względem siebie. Za pomocą tych czujników można wykonać 6 różnych przełączeń.

Przełączanie faz zależy od stanu czujników Halla.

Podanie napięć zasilających na uzwojenia zmienia się po zmianie stanów wyjść czujników Halla. Na prawidłowe wykonanie zsynchronizowana komutacja, moment obrotowy pozostaje w przybliżeniu stały i wysoki.

Przełączanie faz

Na potrzeby uproszczonego opisu działania trójfazowego silnika BLDC rozważymy tylko jego wersję z trzema uzwojeniami. Jak pokazano wcześniej, przełączanie faz zależy od wartości wyjściowych czujników Halla. Gdy napięcie jest prawidłowo przyłożone do uzwojeń silnika, powstaje pole magnetyczne i rozpoczyna się obrót. Najczęstsze i w prosty sposób Sterowanie przełączaniem używane do sterowania silnikiem BLDC jest obwodem włączania i wyłączania, w którym uzwojenie albo przewodzi, albo nie. Tylko dwa uzwojenia mogą być zasilane jednocześnie, a trzecie pozostaje wyłączone. Podłączenie uzwojeń do szyn zasilających powoduje wyciek prąd elektryczny. Ta metoda zwane przełączaniem trapezowym lub przełączaniem blokowym.

Do sterowania silnikiem BLDC wykorzystywany jest stopień mocy składający się z 3 półmostków. Schemat stopnia mocy pokazano na rysunku 4.

Na podstawie odczytanych wartości czujników Halla określa się, które klucze należy zamknąć.

Opublikowano 19.03.2013

Tym artykułem rozpoczynam serię publikacji dotyczących bezszczotkowych silników prądu stałego. Opiszę to 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 stały się powszechne 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 samosynchronizującymi się silnikami synchronicznymi, ale ich zasada działania różni się od silników synchronicznych prądu przemiennego, które nie są samosynchronizujące. 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. Jak silnik krokowy bardziej odpowiedni jest silnik ze strumieniem zaworowym.

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.