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 pracuj efektywnie w więcej szeroki zasięg rewolucje i mieć 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 drugiej grupy - "outrunnerów", mają wewnątrz silnika stałe uzwojenia, wokół których obraca się korpus z umieszczonym na jego wewnętrznej ścianie magnesy trwałe... 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 najwyższa prędkość obrót przy najniższym momencie obrotowym. Z założenia silniki te mogą być tylko „internistami”. 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 niskiej prędkości, zapewniają duży ciąg, ale dają modelowi niską prędkość, podczas gdy 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 skorzystać ze specjalnego programu 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, płynny lub gwałtowny rozruch, ograniczenie maksymalnego prądu, funkcję „hamulca” i szereg innych precyzyjnych ustawień silnika na potrzeby modelarz. 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 prąd stały z 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 działania bezszczotkowego silnika prądu stałego i szczegółowo opisuje sterowanie silnikiem BLDC w trybie dotykowym, a także zawiera 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. Najpopularniejszą i najprostszą metodą sterowania przełączaniem stosowaną do sterowania silnikami BLDC jest obwód włącz-wyłącz, w którym uzwojenie albo przewodzi, albo nie. Tylko dwa uzwojenia mogą być zasilane jednocześnie, a trzecie pozostaje wyłączone. Podłączenie uzwojeń do szyn zasilających powoduje przepływ prądu elektrycznego. 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.

Silniki są wykorzystywane w wielu dziedzinach techniki. Aby wirnik silnika mógł się obracać, musi być obecne wirujące pole magnetyczne. W konwencjonalnych silnikach prądu stałego ten obrót jest wykonywany mechanicznie za pomocą szczotek przesuwających się po kolektorze. Powoduje to powstawanie iskier, a ponadto, ze względu na tarcie i zużycie szczotek, silniki te wymagają ciągłej konserwacji.

Dzięki rozwojowi technologii stało się możliwe generowanie wirującego pola magnetycznego elektronicznie, który został zastosowany w bezszczotkowych silnikach prądu stałego (BRMT).

Urządzenie i zasada działania

Głównymi elementami BDPT są:

• wirnik na których przymocowane są magnesy trwałe;
• stojan na którym zainstalowane są uzwojenia;
• sterownik elektroniczny.

Z założenia taki silnik może być dwojakiego rodzaju:

z wirnikiem wewnętrznym (inrunner)

zwycięzca

W pierwszym przypadku wirnik obraca się wewnątrz stojana, aw drugim wirnik obraca się wokół stojana.

Silnik typu Inrunner używane, gdy jest to konieczne do uzyskania wysoka prędkość obrót. Ten silnik ma prostsze standardowy projekt co pozwala na zastosowanie stacjonarnego stojana do zamontowania silnika.

Silnik Outrunner nadaje się do uzyskania dużego momentu obrotowego przy niskie obroty... W tym przypadku silnik jest montowany za pomocą stałej osi.

Silnik typu Inrunner- wysokie obroty, niski moment obrotowy. Silnik Outrunner- niskie obroty, wysoki moment obrotowy.

Liczba biegunów w silniku prądu stałego może być różna. Niektóre cechy silnika można ocenić na podstawie liczby biegunów. Na przykład silnik z 2-biegunowym wirnikiem ma wyższą prędkość i niższy moment obrotowy. Silniki o zwiększonej liczbie biegunów mają wyższy moment obrotowy, ale mniejszą liczbę obrotów. Zmieniając liczbę biegunów wirnika, możesz zmienić prędkość silnika. Tym samym, zmieniając konstrukcję silnika, producent może dobrać niezbędne parametry silnika pod względem momentu obrotowego i prędkości obrotowej.

Biuro BDPT

Regulator prędkości, wygląd

Aby sterować silnikiem bezszczotkowym, użyj specjalny sterownik - regulator prędkości obrotowej wału silnika prąd stały. Jego zadaniem jest generowanie i dostarczanie wymaganego napięcia do właściwego uzwojenia we właściwym czasie. W sterowniku urządzeń zasilanych z sieci 220 V najczęściej stosuje się układ falownika, w którym prąd zamieniany jest z częstotliwością 50 Hz najpierw na prąd stały, a następnie na sygnały z modulacją szerokości impulsu (PWM). Potężne przełączniki elektroniczne na tranzystorach bipolarnych lub innych elementach mocy służą do dostarczania napięcia zasilania do uzwojeń stojana.

Moc i prędkość silnika reguluje się poprzez zmianę cyklu pracy impulsów, a w konsekwencji przez efektywną wartość napięcia dostarczanego do uzwojeń stojana silnika.

Schemat ideowy regulatora prędkości. K1-K6 - klucze D1-D3 - czujniki położenia wirnika (czujniki Halla)

Ważną kwestią jest terminowe połączenie. klucze elektroniczne do każdego uzwojenia. Aby to zapewnić sterownik musi określić położenie wirnika i jego prędkość... Do uzyskania takich informacji można wykorzystać czujniki optyczne lub magnetyczne (np. Czujniki Halla), a także odwrotne pola magnetyczne.

Bardziej powszechne zastosowanie Czujniki Halla, który reagować na obecność pola magnetycznego... Czujniki są umieszczone na stojanie tak, że działa na nie pole magnetyczne wirnika. W niektórych przypadkach czujniki są instalowane w urządzeniach, które umożliwiają zmianę położenia czujników i odpowiednio regulację rozrządu.

Regulatory prędkości wirnika są bardzo wrażliwe na siłę przepływającego przez niego prądu. Jeśli odbierzesz bateria do ponownego ładowania przy wyższym prądzie wyjściowym regulator się wypali! Wybierz odpowiednią kombinację cech!

Zalety i wady

W porównaniu z silniki konwencjonalne BDPT mają następujące zalety:

• wysoka wydajność;
• wysoka wydajność;
• możliwość zmiany prędkości;
• brak iskrzących szczotek;
• niski dźwięk, zarówno w zakresie audio, jak i wysokich częstotliwości;
• niezawodność;
• zdolność wytrzymywania przeciążenia momentem obrotowym;
• świetny stosunek wielkości do mocy.

Silnik bezszczotkowy jest bardzo wydajny. Może osiągnąć 93-95%.

Wysoką niezawodność części mechanicznej jednostki detekcyjnej tłumaczy się tym, że wykorzystuje łożyska kulkowe i nie ma szczotek. Rozmagnesowanie magnesów trwałych jest dość powolne, zwłaszcza jeśli są one wykonane z pierwiastków ziem rzadkich. W przypadku zastosowania w kontrolerze ochrony prądowej, żywotność tego urządzenia jest dość długa. Tak właściwie żywotność silnika BCD można określić na podstawie żywotności łożysk kulkowych.

Wadami BDPT są złożoność systemu sterowania i wysoki koszt.

Podanie

Obszary zastosowania BDTP to:

• tworzenie modeli;
• Medycyna;
• Branża motoryzacyjna;
• Przemysłu naftowo-gazowego;
• Urządzenia;
• wyposażenie wojskowe.

Stosowanie DB dla modeli samolotów daje znaczną przewagę pod względem mocy i wymiarów. Porównanie konwencjonalnych silnik kolektora Typ Speed-400 i BJTP tej samej klasy Astro Flight 020 pokazują, że silnik pierwszego typu ma sprawność 40-60%. Wydajność drugiego silnik w tych samych warunkach może osiągnąć 95%. Tym samym zastosowanie OBD umożliwia niemal podwojenie mocy sekcji mocy modelu lub jego czasu lotu.

Ze względu na niski poziom hałasu i brak ogrzewania podczas pracy, BDPT znajdują szerokie zastosowanie w medycynie, zwłaszcza w stomatologii.

W samochodach takie silniki stosuje się m.in podnośniki szyb, elektryczne wycieraczki, spryskiwacze reflektorów i elektryczne sterowanie podnoszeniem siedzeń.

Brak kolektora i łuku szczotek pozwala na wykorzystanie DB jako elementów urządzeń blokujących w przemyśle naftowym i gazowym.

Jako przykład wykorzystania bazy danych w sprzęcie AGD można wymienić pralka bęben z napędem bezpośrednim firmy LG. Ta firma używa BJTP typu Outrunner. Na wirniku silnika znajduje się 12 magnesów, a na stojanie 36 cewek indukcyjnych, które są nawinięte drutem o średnicy 1 mm na rdzeniach ze stali przewodzącej magnetycznie. Cewki są połączone szeregowo po 12 sztuk na fazę. Rezystancja każdej fazy wynosi 12 omów. Czujnik Halla jest używany jako czujnik położenia wirnika. Wirnik silnika jest przymocowany do zbiornika pralki.

Silnik ten jest szeroko stosowany w dyskach twardych do komputerów, co czyni je kompaktowymi, w napędach CD i DVD oraz układach chłodzenia urządzeń mikroelektronicznych i nie tylko.

Oprócz małych i średnich DB, duże DBPT są coraz częściej wykorzystywane w przemyśle ciężkim, okrętowym i wojskowym.

DB duża moc zaprojektowany dla Marynarki Wojennej USA. Na przykład firma Powertec opracowała BDTP o mocy 220 kW i prędkości 2000 obr./min. Moment obrotowy silnika sięga 1080 Nm.

Oprócz tych obszarów DB są wykorzystywane w projektach obrabiarek, pras, linii do przetwórstwa tworzyw sztucznych, a także w energetyce wiatrowej i wykorzystaniu energii fal pływowych.

Specyfikacje

Główne cechy silnika:

• moc znamionowa;
• maksymalna moc;
• maksymalny prąd;
• maksymalny napięcie robocze ;
• maksymalna prędkość(lub współczynnik Kv);
• rezystancja uzwojenia;
• kąt prowadzenia;
• Tryb pracy;
• ogólna charakterystyka wagi silnik.

Głównym wskaźnikiem silnika jest jego moc znamionowa, czyli moc generowana przez silnik podczas długiej jego eksploatacji.

Maksymalna moc- Jest to moc, którą silnik może dać przez krótki czas bez zawalenia się. Na przykład dla wspomnianego powyżej silnika bezszczotkowego Astro Flight 020 jest to 250 watów.

Maksymalny prąd... W przypadku Astro Flight 020 jest to 25 A.

Maksymalne napięcie robocze- napięcie, jakie mogą wytrzymać uzwojenia silnika. Astro Flight 020 jest ustawiony na zakres napięcia roboczego od 6 do 12 V.

Maksymalna prędkość obrotowa silnika... Czasami w paszporcie podany jest współczynnik Kv - liczba obrotów silnika na wolt. Dla Astro Flight 020 Kv = 2567 obr./min. W tym przypadku maksymalny numer obroty można określić, mnożąc ten współczynnik przez maksymalne napięcie robocze.

Zwykle rezystancja uzwojenia w przypadku silników jest to dziesiąte lub tysięczne oma. Dla Astro Flight 020 R = 0,07 oma. Ten opór wpływa na wydajność BDPT.

Kąt prowadzenia reprezentuje postęp przełączania napięć na uzwojeniach. Jest to związane z indukcyjnym charakterem rezystancji uzwojenia.

Tryb pracy może być długotrwały lub krótkoterminowy. Przy długotrwałej eksploatacji silnik może pracować przez długi czas. W takim przypadku wytworzone przez nią ciepło jest całkowicie rozpraszane i nie przegrzewa się. W tym trybie silniki pracują np. w wentylatorach, przenośnikach czy schodach ruchomych. Tryb krótkotrwały jest używany dla urządzeń takich jak winda, golarka elektryczna. W takich przypadkach silnik pracuje przez krótki czas, a następnie przez długi czas stygnie.

Paszport silnika zawiera jego wymiary i wagę. Dodatkowo np. do silników przeznaczonych do modeli samolotów, wymiary do lądowania i średnica wału. W szczególności dla silnika Astro Flight 020 podane są następujące cechy:

• długość wynosi 1,75 ";
• średnica wynosi 0,98 ";
• średnica wału wynosi 1/8 ”;
• waga wynosi 2,5 uncji.

Wnioski:

1. W symulacji, w różnych produktach technicznych, w przemyśle i technice obronnej stosuje się BDPT, w których wirujące pole magnetyczne jest generowane przez obwód elektroniczny.
2. Ze względu na swoją konstrukcję, BDPT mogą być z wewnętrznym (wewnętrznym) i zewnętrznym (wychodzącym) układem wirnika.
3. W porównaniu z innymi silnikami BDPT mają szereg zalet, z których główne to brak szczotek i łuku, wysoka sprawność i wysoka niezawodność.

Zasada działania bezszczotkowego silnika prądu stałego (BKDP) znana jest od bardzo dawna, a silniki bezszczotkowe zawsze stanowiły ciekawą alternatywę dla tradycyjnych rozwiązań. Mimo to podobne samochody elektryczne dopiero w XXI wieku znalazły szerokie zastosowanie w technologii. Decydującym czynnikiem w powszechnym wdrożeniu była wielokrotna redukcja kosztów elektroniki sterującej napędem BDKP.

Problemy z silnikiem kolektora

Na podstawowym poziomie zadaniem każdego silnika elektrycznego jest przekształcanie energii elektrycznej w energię mechaniczną. Istnieją dwa główne zjawiska fizyczne leżące u podstaw urządzenia maszyn elektrycznych:

Silnik jest zaprojektowany w taki sposób, że pola magnetyczne generowane na każdym z magnesów zawsze oddziałują ze sobą, dając obrót wirnika. Tradycyjny silnik prądu stałego składa się z czterech głównych części:

• stojan (element nieruchomy z pierścieniem magnesów);
• armatura (element obrotowy z uzwojeniami);
• szczotki węglowe;
• kolektor.

Ta konstrukcja zapewnia obrót twornika i kolektora na tym samym wale w stosunku do szczotek stacjonarnych. Prąd płynie ze źródła przez sprężynowy do dobry kontakt szczotki na komutatorze, który rozdziela prąd między uzwojenia twornika. Indukowane w nich pole magnetyczne oddziałuje z magnesami stojana, co powoduje obrót stojana.

Główna wada tradycyjny silnik fakt, że mechaniczny kontakt szczotek nie może być zapewniony bez tarcia. Wraz ze wzrostem prędkości problem objawia się mocniej. Zespół kolektora z czasem zużywa się, a także jest podatny na wyładowania łukowe i jonizację. powietrze otoczenia... Tak więc pomimo prostoty i niskich kosztów produkcji, takie silniki elektryczne mają pewne wady nie do pokonania:

• zużycie szczotek;
• zakłócenia elektryczne spowodowane wyładowaniami łukowymi;
• ograniczenia w maksymalna prędkość;
• trudności z chłodzeniem wirującego elektromagnesu.

Pojawienie się technologii procesorowej i tranzystorów mocy pozwoliło projektantom zrezygnować z mechanicznej jednostki przełączającej i zmienić rolę wirnika i stojana w silniku elektrycznym prądu stałego.

Zasada działania BDKP

V Silnik bezszczotkowy, w przeciwieństwie do swojego poprzednika, rolę wyłącznika mechanicznego pełni konwerter elektroniczny. Umożliwia to realizację schematu „wywróconego na lewą stronę” BDKP – jego uzwojenia znajdują się na stojanie, co eliminuje konieczność stosowania kolektora.

Innymi słowy, główne podstawowa różnica pomiędzy klasyczny silnik a BDKP polega na tym, że zamiast magnesów stacjonarnych i cewek obrotowych, te ostatnie składają się z uzwojeń stacjonarnych i magnesów obrotowych. Pomimo tego, że samo przełączanie odbywa się w nim w podobny sposób, jego fizyczna implementacja w napędach bezszczotkowych jest znacznie bardziej skomplikowana.

Główną kwestią jest precyzyjne sterowanie silnikiem bezszczotkowym, przy założeniu prawidłowej kolejności i częstotliwości przełączania poszczególnych sekcji uzwojeń. Problem ten można konstruktywnie rozwiązać tylko wtedy, gdy możliwe jest ciągłe określanie aktualnej pozycji wirnika.

Dane potrzebne do przetwarzania przez elektronikę pozyskiwane są na dwa sposoby.:

• wykrywanie bezwzględnej pozycji wału;
• poprzez pomiar napięcia indukowanego w uzwojeniach stojana.

Do realizacji sterowania pierwszą metodą stosuje się najczęściej pary optyczne lub czujniki Halla przymocowane do stojana, które reagują na strumień magnetyczny wirnika. Główna zaleta podobne systemy zbieranie informacji o położeniu wału to ich wydajność nawet przy bardzo niskie prędkości i w spoczynku.

Sterowanie bezczujnikowe w celu oszacowania napięcia w cewkach wymaga co najmniej minimalnego obrotu wirnika. Dlatego w takich konstrukcjach przewidziany jest tryb rozruchu silnika do obrotów, przy których można oszacować napięcie na uzwojeniach, a stan spoczynku jest badany poprzez analizę wpływu pola magnetycznego na przepływające impulsy prądu testowego. cewki.

Pomimo wszystkich powyższych trudności projektowych, silniki bezszczotkowe zyskują coraz większą popularność ze względu na swoje parametry i zestaw cech niedostępnych kolekcjonerowi. Krótka lista głównych przewag BDKP nad klasycznymi wygląda tak:

• brak mechanicznych strat energii spowodowanych tarciem szczotki;
• porównawcza bezgłośność pracy;
• Łatwość przyspieszania i zwalniania obrotów dzięki małej bezwładności wirnika;
• precyzyjna kontrola obrotów;
• możliwość zorganizowania chłodzenia ze względu na przewodność cieplną;
• umiejętność pracy przy dużych prędkościach;
• trwałość i niezawodność.

Nowoczesna aplikacja i perspektywy

Istnieje wiele urządzeń, dla których wydłużanie czasu pracy ma kluczowe znaczenie. W takim sprzęcie zastosowanie BDKP jest zawsze uzasadnione, mimo ich stosunkowo wysoki koszt... Mogą to być pompy wody i paliwa, turbiny do chłodzenia klimatyzatorów i silników itp. Silniki bezszczotkowe znajdują zastosowanie w wielu modelach elektrycznych Pojazd... Obecnie przemysł motoryzacyjny poważnie koncentruje się na silnikach bezszczotkowych.

BDKP są idealne do małych napędów pracujących w trudne warunki lub z dużą precyzją: podajniki i przenośniki taśmowe, roboty przemysłowe, systemy pozycjonowania. Są obszary, w których silniki bezszczotkowe dominują bezspornie: dyski twarde, pompy, ciche wentylatory, małe Urządzenia, napędy CD/DVD. Niska waga i duża moc wyjściowa sprawiły, że BDKP jest również podstawą do produkcji nowoczesnych bezprzewodowych narzędzi ręcznych.

Można powiedzieć, że w dziedzinie napędów elektrycznych nastąpił znaczny postęp. Ciągły spadek cen elektroniki cyfrowej zapoczątkował tendencję do powszechnego stosowania silników bezszczotkowych w celu zastąpienia tradycyjnych.

Bezszczotkowy silnik prądu stałego 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 bezszczotkowego silnika prądu stałego jest realizowane przez wyspecjalizowane zespoły elektroniki – 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. Do określenia właściwy momentłącząc kolejne uzwojenia 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 wirnik zewnętrzny... 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 obniża niezawodność silników prądu stałego z magnesami trwałymi. 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 do wszystkich zastosowań, takich jak wysoka prędkość jest naprawdę konieczne

Różnice w stosunku do silników synchronicznych 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. Ponadto silniki synchroniczne zakładają zasilanie napięciem sinusoidalnym, natomiast silniki bezszczotkowe umożliwiają zasilanie napięciem przemiennym o kształcie skokowym (komutacja blokowa), a nawet zakładają jego zastosowanie w nominalnych trybach pracy.

Kiedy potrzebny jest silnik bezszczotkowy?

Odpowiedź na to pytanie jest dość prosta - w przypadkach, gdy ma przewagę nad innymi typami silników. Na przykład jest prawie niemożliwe obejście się bez silnika bezszczotkowego w zastosowaniach, które wymagają: wysokie prędkości obroty: 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). Szybkoobrotowe silniki bezszczotkowe w tym przypadku będą miały prędkość wyższą niż maksymalna dopuszczalna prędkość skrzyni biegów iz 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 zwiększone promieniowanie, manifestuje się słaby punkt silników bezszczotkowych - 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.

W tym artykule chcielibyśmy opowiedzieć o tym, jak stworzyliśmy silnik elektryczny od podstaw: od pomysłu i pierwszego prototypu do pełnoprawnego silnika, który przeszedł wszystkie testy. Jeśli ten artykuł wydaje Ci się interesujący, osobno, bardziej szczegółowo, opowiemy Ci o najbardziej interesujących Cię etapach naszej pracy.

Na zdjęciu od lewej do prawej: wirnik, stojan, częściowy zespół silnika, zespół silnika

Wstęp

Dziś dzięki rozwojowi nowoczesna elektronika oraz pojawienie się potężnych magnesów opartych na metalach ziem rzadkich, możliwe jest stworzenie mocniejszych, a jednocześnie kompaktowych i lekkich silników elektrycznych „Brushless”. Jednocześnie, ze względu na prostotę konstrukcji, są to najbardziej niezawodne silniki elektryczne, jakie kiedykolwiek stworzono. Stworzenie takiego silnika zostanie omówione w tym artykule.

Opis silnika

Pierwszy taki silnik został przez nas wydrukowany w 3D jako eksperyment. Zamiast specjalnych płyt wykonanych ze stali elektrotechnicznej zastosowaliśmy zwykły plastik na obudowę wirnika i rdzeń stojana, na który nawinięto miedzianą cewkę. Na wirniku zamocowano magnesy neodymowe o przekroju prostokątnym. Oczywiście taki silnik nie był w stanie dostarczyć maksymalna moc... Jednak to wystarczyło, aby silnik rozkręcił się do 20 tys. Ten eksperyment skłonił nas do stworzenia pełnoprawnego silnika.

Kilka pierwszych prototypów

Wirnik nowego silnika wykonaliśmy z jednego magnesu neodymowego w kształcie walca. Magnes epoksydowy został przyklejony do wału wykonanego ze stali narzędziowej w produkcji pilotażowej.

Stojan wycinamy laserem z zestawu blach transformatorowych o grubości 0,5mm. Każda płyta została następnie starannie polakierowana, a gotowy stojan został sklejony z około 50 płyt. Płyty zostały pokryte lakierem, aby uniknąć zwarcia między nimi i wykluczyć straty energii spowodowane prądami Foucaulta, które mogłyby powstać w stojanie.

Obudowa silnika została wykonana z dwóch aluminiowych części w kształcie kontenera. Stojan ściśle przylega do aluminiowej obudowy i dobrze przylega do ścian. Ten projekt zapewnia dobre chłodzenie silnik.

Pomiar cech

Głównym elementem stoiska jest duży ładunek w postaci podkładki. Podczas pomiarów silnik obraca to obciążenie i prędkość kątowa i przyspieszenie, obliczana jest moc wyjściowa i moment obrotowy silnika.

Aby zmierzyć prędkość obrotową obciążenia, para magnesów na wale i magnes wskaźnik cyfrowy A3144 oparty na efekcie halla. Oczywiście możliwe byłoby mierzenie obrotów impulsami bezpośrednio z uzwojeń silnika, ponieważ ten silnik jest synchroniczny. Wersja z czujnikiem jest jednak bardziej niezawodna i będzie działać nawet przy bardzo niskich prędkościach, przy których impulsy będą nieczytelne.

Oprócz obrotów nasze stanowisko jest w stanie zmierzyć kilka ważniejszych parametrów:

• prąd zasilania (do 30A) z wykorzystaniem czujnika prądu opartego na efekcie Halla ACS712;
• napięcie zasilania. Mierzone bezpośrednio przez ADC mikrokontrolera, przez dzielnik napięcia;
• temperatura wewnątrz / na zewnątrz silnika. Temperatura jest mierzona za pomocą termistora półprzewodnikowego;

Dzięki temu nasze stanowisko testowe jest w stanie w dowolnym momencie zmierzyć następujące parametry silnika:

• zużyty prąd;
• zużyte napięcie;
• pobór energii;
• moc wyjściowa;
• obroty wału;
• moment na wale;
• moc przechodzi w ciepło;
• temperatura wewnątrz silnika.