Zasada działania silnika bezszczotkowego. Różnice między silnikami kolektorowymi i bezszczotkowymi

Trochę historii:

Głównym problemem wszystkich silników jest przegrzanie. Wirnik obracał się w stojanie, dlatego ciepło z przegrzania nigdzie nie poszło. Ludzie wpadli na genialny pomysł: nie obracać wirnika, ale stojana, który podczas obrotu byłby chłodzony powietrzem. Kiedy taki silnik został stworzony, zaczął być szeroko stosowany w lotnictwie i przemyśle stoczniowym, dlatego też nazywał się Valve Engine.

Wkrótce powstał elektryczny analog silnika zaworu. Nazwali go silnikiem bezszczotkowym, ponieważ nie miał kolektorów (szczotek).

Bezszczotkowe silniki bezszczotkowe przybyły do \u200b\u200bnas stosunkowo niedawno 10-15 lat. W przeciwieństwie do silników kolektorowych, są one zasilane trójfazowym prądem przemiennym. Silniki bezszczotkowe działają wydajnie w szerszym zakresie prędkości i mają więcej wysoka wydajność. Konstrukcja silnika jest stosunkowo prostsza, nie ma zespołu szczotki, który stale ociera się o wirnik i wytwarza iskry. Można powiedzieć, że silniki bezszczotkowe praktycznie się nie zużywają. Koszt silników bezszczotkowych jest nieco wyższy niż silników kolektorowych. Wynika to z faktu, że wszystkie silniki bezszczotkowe są wyposażone w łożyska i z reguły są bardziej wydajne.

Testy wykazały:
Pręt ze śrubą 8x6 \u003d 754 gramów,
Prędkość \u003d 11550 obr./min,
Pobór mocy \u003d 9 watów(bez śruby) , 101 watów(ze śrubą)

Moc i wydajność

Moc można obliczyć w następujący sposób:
1) Moc w mechanice oblicza się według następującego wzoru: N \u003d F * vgdzie F jest siłą, a v jest prędkością. Ale ponieważ śruba jest w stanie statycznym, nie ma innego ruchu niż obrotowy. Jeśli ten silnik jest zainstalowany na modelu samolotu, możemy zmierzyć prędkość (wynosi 12 m / s) i obliczyć moc netto:
Wznoszenie N \u003d 7,54 * 12 \u003d 90,48 wata
2) Sprawność silnika elektrycznego określa wzór: Wydajność \u003d N użyteczne / N wydane * 100%gdzie Koszt N \u003d 101 watów
Sprawność \u003d 90,48 / 101 * 100% \u003d 90%
Średnio sprawność silników bezszczotkowych jest realna i waha się w okolicach 90% (najwyższa sprawność osiągana przez ten typ silników to 99.68% )

Funkcje silnika:

Napięcie: 11,1 wolta
Obroty: 11550 obr./min
Maksymalny prąd: 15A
Moc: 200 watów
Ciąg: 754 gramów (śruba 8x6)

Wniosek:

Cena jakiejkolwiek rzeczy zależy od skali jej produkcji. Producenci silników bezszczotkowych rozmnażają się jak grzyby po deszczu. Dlatego chcę wierzyć, że w niedalekiej przyszłości cena kontrolerów i silników bezszczotkowych spadnie, podobnie jak spadła na sprzęt do sterowania radiowego ... Możliwości mikroelektroniki rozszerzają się każdego dnia, wielkość i waga kontrolerów stopniowo maleją. Można założyć, że w niedalekiej przyszłości sterowniki zaczną być wbudowane bezpośrednio w silniki! Może dożyjemy tego dnia ...

Silnik bezszczotkowy

Zasada działania silnika zaworu trójfazowego

Silnik zaworu  to silnik synchroniczny oparty na zasadzie regulacji częstotliwości z samosynchronizacją, którego istotą jest sterowanie wektorem pola magnetycznego stojana w zależności od położenia wirnika. Silniki zaworów (w literaturze angielskiej BLDC lub PMSM) są również nazywane bezszczotkowymi silnikami prądu stałego, ponieważ kolektor takiego silnika jest zwykle zasilany stałym napięciem.

Opis VD

Ten typ silnika ma na celu poprawę właściwości silników prądu stałego. Wysokie wymagania dotyczące siłowników (w szczególności szybkich mikrosilników precyzyjnego pozycjonowania) doprowadziły do \u200b\u200bzastosowania określonych silników prądu stałego: bezdotykowych trójfazowych silników prądu stałego (BDTT lub BLDC). Strukturalnie przypominają synchroniczne silniki prądu przemiennego: wirnik magnetyczny obraca się w stojanie z wyłożeniem z uzwojeniami trójfazowymi. Ale rpm jest funkcją obciążenia i napięcia na stojanie. Ta funkcja jest realizowana przez przełączanie uzwojeń stojana w zależności od współrzędnych wirnika. BDTT istnieje w wykonaniu z oddzielnymi czujnikami na wirniku i bez oddzielnych czujników. Czujniki Halla są stosowane jako indywidualne czujniki. Jeśli wykonanie jest bez osobnych czujników, uzwojenia stojana działają jak element mocujący. Gdy magnes się obraca, wirnik indukuje EMF w uzwojeniach stojana, co powoduje powstanie prądu. Gdy jedno uzwojenie jest wyłączone, sygnał, który został w nim indukowany, jest mierzony i przetwarzany. Ten algorytm wymaga procesora sygnału. Do hamowania i cofania BJPS nie jest potrzebny obwód mostkowy do cofania mocy - wystarczy przyłożyć impulsy sterujące do uzwojenia stojana w odwrotnej kolejności.

Główną różnicą między VD a silnikiem synchronicznym jest samosynchronizacja za pomocą DPR, w wyniku czego VD ma częstotliwość obrotu pola proporcjonalną do prędkości wirnika.

Stojan

Bezszczotkowy stojan silnika

Stojan ma tradycyjną konstrukcję i jest podobny do stojana maszyny asynchronicznej. Składa się z korpusu, rdzenia ze stali elektrycznej i uzwojenia miedzianego ułożonego w rowkach na obwodzie rdzenia. Liczba zwojów określa liczbę faz silnika. Do samodzielnego uruchomienia i rotacji wystarczą dwie fazy - sinus i cosinus. Zazwyczaj VD są trójfazowe, rzadziej czterofazowe.

Zgodnie z metodą układania zwojów w uzwojeniach stojana wyróżnia się silniki o odwrotnej sile elektromotorycznej o kształcie trapezoidalnym (BLDC) i sinusoidalnym (PMSM). Zgodnie z metodą zasilania prąd fazowy w odpowiednich typach silników zmienia się również trapezowo lub sinusoidalnie.

Wirnik

Wirnik jest wytwarzany przy użyciu magnesów trwałych i zwykle ma od dwóch do ośmiu par biegunów z naprzemiennymi biegunami północnym i południowym.

Początkowo do wykonania wirnika zastosowano magnesy ferrytowe. Są powszechne i tanie, ale mają wadę niskiego poziomu indukcji magnetycznej. Obecnie magnesy wykonane ze stopów metali ziem rzadkich zyskują popularność, ponieważ umożliwiają uzyskanie wysokiego poziomu indukcji magnetycznej i zmniejszenie wielkości wirnika.

Czujnik położenia wirnika

Czujnik położenia wirnika (DPR) realizuje informacje zwrotne na temat położenia wirnika. Jego praca może opierać się na różnych zasadach - fotoelektrycznych, indukcyjnych, na efekt Halla itp. Największą popularność zyskały czujniki Halla i czujniki fotoelektryczne, ponieważ są one praktycznie bezwładne i pozwalają pozbyć się opóźnienia w kanale sprzężenia zwrotnego dzięki położeniu wirnika.

Czujnik fotoelektryczny w swojej klasycznej formie zawiera trzy stacjonarne fotodetektory, które są na przemian zamykane migawką obracającą się synchronicznie z wirnikiem. Pokazano to na rysunku 1 (żółta kropka). Kod binarny otrzymany z DPR przechwytuje sześć różnych pozycji wirnika. Sygnały z czujników są przetwarzane przez urządzenie sterujące na kombinację napięć sterujących, które sterują przełącznikami mocy, dzięki czemu dwa przełączniki są podłączone do każdego cyklu (fazy) silnika, a dwa z trzech uzwojeń twornika są połączone szeregowo. Uzwojenie kotwic U, V, W  znajduje się na stojanie z przesunięciem o 120 °, a ich początki i końce są połączone tak, że przy przełączaniu kluczy tworzy obrotowy gradient pól magnetycznych.

System kontroli HP

Układ sterowania zawiera przełączniki mocy, często tyrystory lub izolowane tranzystory mocy bramkowej. Spośród nich montowany jest falownik napięciowy lub prądowy. System zarządzania kluczami jest zwykle wdrażany za pomocą mikrokontrolera, ze względu na dużą liczbę operacji obliczeniowych do zarządzania silnikiem.

Zasada VD

Zasada działania VD opiera się na fakcie, że sterownik VD zamienia uzwojenia stojana tak, że wektor pola magnetycznego stojana jest zawsze prostopadły do \u200b\u200bwektora pola magnetycznego wirnika. Korzystając z modulacji szerokości impulsu (PWM), sterownik kontroluje prąd przepływający przez uzwojenia VD, tj. wektor pola magnetycznego stojana, a tym samym moment działający na wirnik VD jest regulowany. Znak pod kątem między wektorami określa kierunek momentu działającego na wirnik.

Przełączanie odbywa się tak, aby przepływ wzbudzenia wirnika był F 0  utrzymywane na stałym poziomie w stosunku do przepływu kotwicy. W wyniku interakcji przepływu twornika i wzbudzenia powstaje moment obrotowy M., który ma na celu obrócenie wirnika w taki sposób, aby przepływ twornika i wzbudzenia był zbieżny, ale gdy wirnik obraca się pod wpływem działania DPR, uzwojenia przełączają się, a strumień twornika przechodzi do następnego kroku.

W takim przypadku uzyskany wektor prądu zostanie przesunięty i zatrzymany względem przepływu wirnika, co tworzy moment na wale silnika.

W trybie pracy silnikowej MDS stojana wyprzedza MDS wirnika o kąt 90 °, który jest obsługiwany przez DPR. W trybie hamowania MDS stojana pozostaje w tyle za MDS wirnika, kąt 90 ° jest również obsługiwany przez DPR.

Kontrola silnika

Sterownik VD reguluje moment działający na wirnik, zmieniając wartość PWM.

W przeciwieństwie do bezszczotkowego silnika prądu stałego komutacja w VD odbywa się i jest sterowana elektronicznie.

Systemy sterowania wdrażające algorytmy regulacji szerokości impulsu i modulacji szerokości impulsu do sterowania VD są szeroko rozpowszechnione.

System zapewniający najszerszy zakres kontroli prędkości przeznaczony jest dla silników sterowanych wektorowo. Za pomocą przetwornicy częstotliwości kontroluje się prędkość obrotową silnika, a wiązkę strumienia w maszynie utrzymuje się na danym poziomie.

Osobliwością regulacji napędu elektrycznego sterowanego wektorem jest to, że kontrolowane współrzędne mierzone w stałym układzie współrzędnych są przekształcane w układ obrotowy, przypisywana jest od nich stała wartość, która jest proporcjonalna do składników wektorów kontrolowanych parametrów, za pomocą których tworzone są działania kontrolne, a następnie przejście odwrotne.

Wadą tych systemów jest złożoność urządzeń kontrolnych i funkcjonalnych dla szerokiego zakresu kontroli prędkości.

Zalety i wady VD

Ostatnio ten typ silnika szybko zyskuje na popularności, docierając do wielu branż. Znajduje zastosowanie w różnych obszarach zastosowania: od urządzeń gospodarstwa domowego po pojazdy szynowe.

VD z elektronicznymi systemami sterowania często łączą najlepsze cechy silników bezstykowych i silników prądu stałego.

Zalety:

• Szeroki zakres prędkości
• Bezdotykowy i brak elementów konserwacyjnych - maszyna bezszczotkowa
• Możliwość zastosowania w środowisku wybuchowym i agresywnym
• Przeciążalność o wysokim momencie obrotowym
• Wysoka wydajność energetyczna (sprawność powyżej 90%)

• Długa żywotność, wysoka niezawodność i zwiększona żywotność ze względu na brak przesuwnych styków elektrycznych

Wady:

• Stosunkowo wyrafinowany system zarządzania silnikiem
• Wysokie koszty silnika ze względu na zastosowanie drogich magnesów stałych w konstrukcji wirnika
• W wielu przypadkach zastosowanie silnika indukcyjnego z przetwornicą częstotliwości jest bardziej racjonalne.

W przypadku aplikacji łączących maksymalną osiągalną wydajność z niezwykle prostymi i niezawodnymi jednostkami sterującymi (przełącznik kluczowy, który nie wykorzystuje PWM), możemy również podkreślić następującą cechę: Pomimo faktu, że prędkość może się znacznie różnić w zależności od jednostki sterującej, akceptowalną wydajność można uzyskać tylko w stosunkowo wąskim zakresie prędkości kątowe. Jest to określone przez indukcyjność uzwojeń. Jeśli prędkość jest niższa niż optymalna, ciągłe dostarczanie prądu do tej fazy, po osiągnięciu granicy strumienia magnetycznego, doprowadzi jedynie do niepotrzebnego nagrzewania. Przy prędkościach wyższych niż optymalne strumień magnetyczny na biegunie nie osiąga maksimum z powodu indukcyjności ograniczonej czasem narastania prądu. Przykładami takich silników są modele bezszczotkowe. Muszą być wydajne, lekkie i niezawodne, a aby zapewnić optymalną prędkość kątową przy danej charakterystyce obciążenia, producenci wytwarzają linie modelowe o różnych indukcyjnościach (liczbie zwojów) uzwojeń. Co więcej, mniejsza liczba zwojów odpowiada silnikowi o większej prędkości.

Zobacz także

Referencje

• http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/app/micros/avr/AVR440.htm AVR440: Sterowanie dwufazowym bezszczotkowym silnikiem prądu stałego bez czujników
• http://www.unilib.neva.ru/dl/059/CHAPTER5/Chapter5.html 5.4. Silniki wentylatorów
• http://www.imafania.narod.ru/bldc.htm O silniku bezszczotkowym i zastosowaniu silnika krokowego jako silnika bezszczotkowego

Sprzęt gospodarstwa domowego i medyczny, modelowanie samolotów, napędy do rur rurociągów gazowych i naftowych - to nie jest pełna lista obszarów zastosowania bezszczotkowych silników prądu stałego. Spójrzmy na urządzenie i zasadę działania tych napędów elektromechanicznych, aby lepiej zrozumieć ich zalety i wady.

Informacje ogólne, urządzenie, zakres

Jednym z powodów zainteresowania tą bazą danych jest zwiększone zapotrzebowanie na szybkie mikrosilniki z dokładnym pozycjonowaniem. Wewnętrzny układ takich napędów pokazano na rysunku 2.

Jak widać, konstrukcja jest wirnikiem (kotwicą) i stojanem, na pierwszym jest magnes stały (lub kilka magnesów ułożonych w określonej kolejności), a drugi jest wyposażony w cewki (B) do wytworzenia pola magnetycznego.

Warto zauważyć, że te mechanizmy elektromagnetyczne mogą być zarówno z wewnętrzną kotwicą (tylko ten typ konstrukcji można zobaczyć na ryc. 2), jak i zewnętrzną (patrz ryc. 3).

W związku z tym każdy z projektów ma określony zakres. Urządzenia z wewnętrznym twornikiem mają wysoką prędkość obrotową, dlatego są stosowane w układach chłodzenia, jako jednostki napędowe dla dronów itp. Siłowniki z zewnętrznym wirnikiem są stosowane tam, gdzie wymagane jest precyzyjne pozycjonowanie i odporność na przeciążenie momentem obrotowym (robotyka, sprzęt medyczny, maszyny CNC itp.).

Zasada działania

W przeciwieństwie do innych napędów, na przykład asynchronicznej maszyny prądu przemiennego, do działania bazy danych potrzebny jest specjalny kontroler, który włącza uzwojenia tak, aby wektory pola magnetycznego twornika i stojana były względem siebie ortogonalne. To znaczy, że urządzenie sterujące kontroluje moment obrotowy działający na kotwicę bazy danych. Proces ten wyraźnie pokazano na rycinie 4.

Jak widać, dla każdego ruchu zwory konieczne jest pewne przełączenie uzwojenia stojana silnika bezszczotkowego. Ta zasada działania nie pozwala na płynną kontrolę obrotów, ale umożliwia szybkie uzyskanie pędu.

Różnice między kolektorem a silnikami bezszczotkowymi

Napęd typu kolektorowego różni się od DB zarówno cechami konstrukcyjnymi (patrz rys. 5.), jak i zasadą działania.

Rozważ różnice projektowe. Z ryc. 5 można zobaczyć, że wirnik (1 na ryc. 5) silnika typu kolektorowego, w przeciwieństwie do silnika bezszczotkowego, ma cewki, które mają prosty obwód uzwojenia, a magnesy stałe (zwykle dwa) są zamontowane na stojanie (2 na ryc. 5) ) Ponadto na wale zainstalowany jest kolektor, do którego są podłączone szczotki, które dostarczają napięcie do uzwojeń twornika.

Krótko opowiedz o zasadzie działania maszyn zbierających. Gdy napięcie zostanie przyłożone do jednej z cewek, zostanie wzbudzone i powstanie pole magnetyczne. Oddziałuje z magnesami trwałymi, co powoduje obrót kotwy i umieszczonego na niej kolektora. W rezultacie energia jest dostarczana do innego uzwojenia i cykl się powtarza.

Częstotliwość rotacji zwory takiej struktury zależy bezpośrednio od natężenia pola magnetycznego, które z kolei jest wprost proporcjonalne do napięcia. Oznacza to, że aby zwiększyć lub zmniejszyć prędkość, wystarczy zwiększyć lub zmniejszyć poziom odżywiania. I dla odwrotności konieczne jest odwrócenie polaryzacji. Ta metoda sterowania nie wymaga specjalnego sterownika, ponieważ sterownik skoku można wykonać na podstawie rezystora zmiennego, a zwykły przełącznik będzie działał jako falownik.

Cechy konstrukcyjne silników bezszczotkowych omówiono w poprzednim rozdziale. Jak pamiętacie, ich połączenie wymaga specjalnego kontrolera, bez którego po prostu nie będą działać. Z tego samego powodu silniki te nie mogą być używane jako generator.

Warto również zauważyć, że w niektórych napędach tego typu w celu bardziej skutecznego sterowania położenia wirników są monitorowane za pomocą czujników Halla. To znacznie poprawia charakterystykę silników bezszczotkowych, ale prowadzi do wyższych cen i tak drogiej konstrukcji.

Jak uruchomić silnik bezszczotkowy?

Aby dyski tego typu działały, potrzebujesz specjalnego kontrolera (patrz rys. 6). Bez tego uruchomienie nie jest możliwe.

Samo zmontowanie takiego urządzenia nie ma sensu, kupienie gotowego będzie tańsze i bardziej niezawodne. Możesz go wybrać zgodnie z następującymi cechami charakterystycznymi dla sterowników kanałów PWM:

• Maksymalna dopuszczalna siła prądu, ta charakterystyka jest podana dla normalnej pracy urządzenia. Dość często producenci wskazują taki parametr w nazwie modelu (na przykład Phoenix-18). W niektórych przypadkach podawana jest wartość szczytowa, którą kontroler może obsługiwać przez kilka sekund.
• Maksymalna wartość napięcia nominalnego dla pracy ciągłej.
• Rezystancja wewnętrznych obwodów sterownika.
• Dopuszczalna prędkość jest wskazywana w obr / min. Powyżej tej wartości sterownik nie pozwoli na zwiększenie obrotu (ograniczenie jest wdrażane na poziomie oprogramowania). Należy pamiętać, że prędkość jest zawsze podawana dla napędów dwubiegunowych. Jeśli jest więcej par biegunów, podziel wartość przez ich liczbę. Na przykład wskazana jest liczba 60000 obr / min, dlatego w przypadku silnika 6-magnetycznego prędkość obrotowa wyniesie 60 000/3 \u003d 20 000 prm.
• Częstotliwość generowanych impulsów, dla większości sterowników parametr ten mieści się w zakresie od 7 do 8 kHz, droższe modele pozwalają przeprogramować parametr, zwiększając go do 16 lub 32 kHz.

Zauważ, że pierwsze trzy cechy określają moc bazy danych.

Bezszczotkowe sterowanie silnikiem

Jak już wspomniano powyżej, sterowanie przełączaniem uzwojeń napędu odbywa się za pomocą elektroniki. Aby określić, kiedy zmienić, kierowca monitoruje pozycję zwory za pomocą czujników Halla. Jeśli przemiennik częstotliwości nie jest wyposażony w takie detektory, to uwzględniany jest odwrotny EMF występujący w niepodłączonych cewkach stojana. Kontroler, który w rzeczywistości jest kompleksem sprzętowo-programowym, monitoruje te zmiany i ustawia kolejność przełączania.

Trójfazowy bezszczotkowy silnik prądu stałego

Większość baz danych jest wykonywana w trybie trójfazowym. Aby sterować takim napędem, sterownik ma przetwornik impulsowy prądu stałego na trójfazowy (patrz rys. 7).

Aby wyjaśnić, jak działa taki silnik zaworu, należy rozważyć rysunek 4 wraz z rysunkiem 7, na którym kolejno pokazano wszystkie etapy napędu. Napiszemy je:

1. Dodatni impuls jest dostarczany do cewek „A”, podczas gdy ujemny impuls jest dostarczany do „B”, w wyniku czego zwora się przesuwa. Czujniki zarejestrują jego ruch i dadzą sygnał do następnego przełączenia.
2. Cewka „A” jest wyłączona, a dodatni impuls przechodzi do „C” („B” pozostaje niezmieniony), a następnie sygnał jest wysyłany do następnego zestawu impulsów.
3. Na „C” - dodatni, „A” - ujemny.
4. Działa para „B” i „A”, na które odbierane są impulsy dodatnie i ujemne.
5. Impuls dodatni jest ponownie przykładany do „B”, a ujemny do „C”.
6. Cewki „A” są włączone (+ jest dostarczany) i powtarza się ujemny impuls do „C”. Następnie cykl się powtarza.

Pozorna prostota zarządzania ma wiele trudności. Konieczne jest nie tylko śledzenie położenia zwory w celu wytworzenia następnej serii impulsów, ale także kontrolowanie częstotliwości obrotów poprzez regulację prądu w cewkach. Ponadto należy wybrać najbardziej optymalne parametry przyspieszenia i hamowania. Należy również pamiętać, że kontroler musi być wyposażony w jednostkę, która pozwala kontrolować jego działanie. Wygląd takiego urządzenia wielofunkcyjnego można zobaczyć na rycinie 8.

Zalety i wady

Elektryczny silnik bezszczotkowy ma wiele zalet, a mianowicie:

• Żywotność jest znacznie dłuższa niż w przypadku konwencjonalnych analogów kolektorów.
• Wysoka wydajność
• Szybkie wybieranie maksymalnej prędkości obrotowej.
• Jest mocniejszy niż CD.
• Brak iskier podczas pracy pozwala na użytkowanie napędu w warunkach zagrożenia pożarowego.
• Nie wymaga dodatkowego chłodzenia.
• Prosta obsługa

Teraz rozważmy minusy. Istotną wadą ograniczającą korzystanie z bazy danych jest ich stosunkowo wysoki koszt (biorąc pod uwagę cenę sterownika). Do niedogodności należy między innymi niemożność korzystania z bazy danych bez sterownika, nawet w przypadku krótkotrwałego włączenia, na przykład w celu sprawdzenia operacyjności. Naprawa problemów, szczególnie jeśli wymagane jest przewijanie do tyłu.

Pojawienie się silników bezszczotkowych tłumaczy się potrzebą stworzenia maszyny elektrycznej o wielu zaletach. Silnik bezszczotkowy to urządzenie bez kolektora, którego funkcję przejmuje elektronika.

BKEPT - bezszczotkowe silniki prądu stałego, mogą mieć moc, na przykład 12, 30 woltów.

• Wybór odpowiedniego silnika
• Zasada działania
• Urządzenie BKEPT
• Czujniki i ich brak
• Brak czujnika
• Pojęcie częstotliwości PWM
• System Arduino
• Mocowanie silnika

Wybór odpowiedniego silnika

Aby wybrać jednostkę, należy porównać zasadę działania i cechy kolektora i silników bezszczotkowych.

Od lewej do prawej: silnik kolektora i silnik bezszczotkowy FC 28-12

Kolektory kosztują mniej, ale rozwijają niską prędkość obrotową. Działają na prąd stały, mają niewielki ciężar i rozmiar, niedrogie naprawy w celu wymiany części. Przejaw ujemnej jakości jest wykrywany po otrzymaniu ogromnej liczby obrotów. Szczotki dotykają kolektora, powodując tarcie, które może uszkodzić mechanizm. Wydajność urządzenia jest zmniejszona.

Szczotki wymagają nie tylko naprawy z powodu szybkiego zużycia, 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 pełnią tranzystory MOS. Wcześniej ich koszt był wysoki, więc nie były dostępne. Dzisiaj cena stała się akceptowalna, a wydajność znacznie się poprawiła. Jeśli w systemie nie ma grzejnika, moc jest ograniczona od 2,5 do 4 watów, a prąd roboczy wynosi od 10 do 30 amperów. Wydajność silników bezszczotkowych jest bardzo wysoka.

Drugą zaletą są ustawienia mechaniczne. Oś jest osadzona na szerokich łożyskach. W konstrukcji nie ma elementów łamliwych i zmywalnych.

Jedynym minusem jest droga elektroniczna jednostka sterująca.

Rozważ przykład mechaniki maszyny CNC z wrzecionem.

Zastąpienie silnika kolektora silnikiem bezszczotkowym zabezpieczy CNC przed pęknięciem wrzeciona. Pod wrzecionem znajduje się liściasta z prawym i lewym obrotem momentu obrotowego. Wrzeciono CNC jest bardzo mocne. Prędkość obrotowa jest kontrolowana przez kontroler serwo-testowy, a obroty kontrolowane są przez automatyczny kontroler. Koszt CNC z wrzecionem wynosi około 4 tysięcy rubli.

Zasada działania

Główną cechą mechanizmu jest brak kolektora. A magnesy trwałe zamontowane na wrzecionie to wirnik. Wokół niego znajdują się uzwojenia z drutu o różnych polach magnetycznych. Różnica między 12-woltowymi silnikami bezszczotkowymi polega na umieszczonym na nich czujniku kontroli wirnika. Sygnały są wysyłane do jednostki kontrolera prędkości.

Urządzenie BKEPT

Rozmieszczenie magnesów wewnątrz stojana jest zwykle stosowane w silnikach dwufazowych z niewielką liczbą biegunów. Zasada momentu obrotowego wokół stojana jest stosowana w razie potrzeby do uzyskania silnika dwufazowego o niskich prędkościach.

Na wirniku znajdują się cztery bieguny. Prostokątne magnesy są montowane naprzemiennie między biegunami. Jednak liczba biegunów nie zawsze jest równa liczbie magnesów, która może wynosić 12, 14. Liczba biegunów musi być jednakowa. Kilka magnesów może być jednym biegunem.

Zdjęcie pokazuje 8 magnesów tworzących 4 bieguny. Moment siły zależy od mocy magnesów.

Czujniki i ich brak

Kontrolery jazdy są podzielone na dwie grupy: z czujnikiem położenia wirnika i bez niego.

Siły prądowe przykładane są do uzwojenia silnika z wirnikiem w specjalnej pozycji, która jest określana przez układ elektroniczny za pomocą czujnika położenia. Występują w różnych typach. Popularnym kontrolerem podróży jest dyskretny czujnik Halla. Silnik użyje 3 czujników dla trzech faz 30 woltów. Jednostka elektroniczna stale ma dane o położeniu wirnika i kieruje napięcie w czasie do pożądanych uzwojeń.

Typowe urządzenie, które zmienia swoje ustalenia podczas przełączania uzwojeń.

Urządzenie z otwartą pętlą mierzy prąd i prędkość. Kanały PWM są przymocowane do dolnej części systemu sterowania.

Trzy wejścia są podłączone do czujnika Halla. W przypadku zmiany czujnika Halla rozpoczyna się proces przetwarzania przerwania. Aby zapewnić szybką reakcję na przetwarzanie przerwań, czujnik Halla jest podłączony do dolnych styków portu.

Korzystanie z czujnika położenia z mikrokontrolerem

Aby zaoszczędzić na rachunkach za prąd, nasi czytelnicy zalecają skrzynkę oszczędnościową. Miesięczne płatności będą o 30-50% niższe niż były przed użyciem ekonomizera. Usuwa składnik bierny z sieci, co skutkuje zmniejszonym obciążeniem, aw rezultacie prądem konsumpcyjnym. Urządzenia elektryczne zużywają mniej energii elektrycznej, co zmniejsza koszty jej zapłaty.

Kaskadowy kontroler mocy stanowi podstawę rdzenia AVR, który zapewnia właściwe sterowanie bezszczotkowym silnikiem prądu stałego. AVR to układ do niektórych zadań.

Zasada działania kontrolera podróży może być z czujnikiem lub bez niego. Program tablicy AVR zapewnia:

• uruchomienie silnika tak szybko, jak to możliwe, bez użycia zewnętrznych urządzeń dodatkowych;
• kontrola prędkości za pomocą jednego zewnętrznego potencjometru.

Oddzielny rodzaj automatycznego sterowania SMA, stosowany w pralkach.

Brak czujnika

Aby określić położenie wirnika, należy zmierzyć napięcie na jałowym uzwojeniu. Ta metoda ma zastosowanie, gdy silnik się obraca, w przeciwnym razie nie zadziała.

Bezczujnikowe kontrolery podróży są łatwiejsze, co tłumaczy ich szerokie zastosowanie.

Kontrolery mają następujące właściwości:

• wartość maksymalnego prądu stałego;
• wartość maksymalnego napięcia roboczego;
• liczba maksymalnych obrotów;
• rezystancja przełącznika zasilania;
• częstotliwość impulsów.

Podczas podłączania kontrolera ważne jest, aby przewody były jak najkrótsze. Ze względu na występowanie prądów rozruchowych na początku. Jeśli drut jest długi, mogą wystąpić błędy w określaniu położenia wirnika. Dlatego sterowniki są sprzedawane z drutem o długości 12–16 cm.

Kontrolery mają wiele ustawień oprogramowania:

• kontrola wyłączania silnika;
• płynne lub trudne wyłączenie;
• hamowanie i płynne wyłączanie;
• zwiększenie mocy i wydajności;
• miękki, twardy, szybki start;
• aktualne limity;
• tryb gazowy;
• zmiana kierunku.

Przedstawiony na rysunku kontroler LB11880 zawiera sterownik bezszczotkowego silnika o dużym obciążeniu, co oznacza, że \u200b\u200bsilnik można uruchomić bezpośrednio na chipie bez dodatkowych sterowników.

Pojęcie częstotliwości PWM

Po włączeniu kluczyków do silnika przykładane jest pełne obciążenie. Jednostka osiąga maksymalną prędkość. Aby kontrolować silnik, konieczne jest zapewnienie regulatora mocy. Tak właśnie działa modulacja szerokości impulsu (PWM).

Ustawiona jest wymagana częstotliwość otwierania i zamykania kluczy. Napięcie zmienia się od zera do pracy. Aby kontrolować obroty, konieczne jest nałożenie sygnału PWM na sygnały kluczy.

Sygnał PWM może być generowany przez urządzenie na podstawie kilku wniosków. Lub utwórz PWM dla programu z jednym kluczem. Obwód staje się łatwiejszy. Sygnał PWM ma 4-80 kiloherców.

Zwiększenie częstotliwości prowadzi do większej liczby procesów przejściowych, co powoduje wzrost ciepła. Wysokość częstotliwości PWM zwiększa liczbę stanów nieustalonych, co powoduje utratę kluczy. Niska częstotliwość nie zapewnia pożądanej płynności sterowania.

Aby zmniejszyć utratę klucza podczas stanów nieustalonych, sygnały PWM są stosowane indywidualnie do górnego lub dolnego klawisza. Straty bezpośrednie oblicza się według wzoru P \u003d R * I2, gdzie P jest potęgą strat, R jest kluczowym oporem, I jest siłą prądu.

Mniejszy opór minimalizuje straty, zwiększa wydajność.

System Arduino

Często platforma komputerowa arduino służy do sterowania silnikami bezszczotkowymi. Opiera się na płytce i środowisku programistycznym w języku Wiring.

Płyta arduino zawiera mikrokontroler AVR Atmel i elementarny pakiet programowania i interakcji z obwodami. Na płycie znajduje się regulator napięcia. Płytka szeregowa 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 dodatkowej karty programowania.

Język programowania Arduino wykorzystuje standardowe przetwarzanie. Niektóre modele Arduino umożliwiają zarządzanie wieloma serwerami jednocześnie. Programy są przetwarzane przez procesor i kompilują AVR.

Problemy ze sterownikiem mogą wystąpić z powodu spadków napięcia i nadmiernego obciążenia.

Mocowanie silnika

Motorama - mechanizm mocowania silnika. Jest stosowany w instalacjach silnikowych. Motorama to połączone ze sobą pręty i elementy ramy. Ramy silnika są płaskie, przestrzennie rozmieszczone w elementach. Silnik pojedynczy silnik 30 woltów lub kilka urządzeń. Obwód mocy silnika składa się z zestawu prętów. Mocowanie silnika jest montowane w kombinacji elementów kratownicy i ramy.

Bezszczotkowy silnik prądu stałego jest niezbędnym urządzeniem wykorzystywanym zarówno w życiu codziennym, jak i w przemyśle. Na przykład maszyna CNC, sprzęt medyczny, mechanizmy motoryzacyjne.

BKEPT wyróżnia się niezawodnością, precyzją działania, automatycznym inteligentnym sterowaniem i regulacją.

Sprzęt gospodarstwa domowego i medyczny, modelowanie samolotów, napędy do rur rurociągów gazowych i naftowych - to nie jest pełna lista obszarów zastosowania bezszczotkowych silników prądu stałego. Spójrzmy na urządzenie i zasadę działania tych napędów elektromechanicznych, aby lepiej zrozumieć ich zalety i wady.

Informacje ogólne, urządzenie, zakres

Jednym z powodów zainteresowania tą bazą danych jest zwiększone zapotrzebowanie na szybkie mikrosilniki z dokładnym pozycjonowaniem. Wewnętrzny układ takich napędów pokazano na rysunku 2.

Jak widać, konstrukcja jest wirnikiem (kotwicą) i stojanem, na pierwszym jest magnes stały (lub kilka magnesów ułożonych w określonej kolejności), a drugi jest wyposażony w cewki (B) do wytworzenia pola magnetycznego.

Warto zauważyć, że te mechanizmy elektromagnetyczne mogą być zarówno z wewnętrzną kotwicą (tylko ten typ konstrukcji można zobaczyć na ryc. 2), jak i zewnętrzną (patrz ryc. 3).

W związku z tym każdy z projektów ma określony zakres. Urządzenia z wewnętrznym twornikiem mają wysoką prędkość obrotową, dlatego są stosowane w układach chłodzenia, jako jednostki napędowe dla dronów itp. Siłowniki z zewnętrznym wirnikiem są stosowane tam, gdzie wymagane jest precyzyjne pozycjonowanie i odporność na przeciążenie momentem obrotowym (robotyka, sprzęt medyczny, maszyny CNC itp.).

Zasada działania

W przeciwieństwie do innych napędów, na przykład asynchronicznej maszyny prądu przemiennego, do działania bazy danych potrzebny jest specjalny kontroler, który włącza uzwojenia tak, aby wektory pola magnetycznego twornika i stojana były względem siebie ortogonalne. To znaczy, że urządzenie sterujące kontroluje moment obrotowy działający na kotwicę bazy danych. Proces ten wyraźnie pokazano na rycinie 4.

Jak widać, dla każdego ruchu zwory konieczne jest pewne przełączenie uzwojenia stojana silnika bezszczotkowego. Ta zasada działania nie pozwala na płynną kontrolę obrotów, ale umożliwia szybkie uzyskanie pędu.

Różnice między kolektorem a silnikami bezszczotkowymi

Napęd typu kolektorowego różni się od DB zarówno cechami konstrukcyjnymi (patrz rys. 5.), jak i zasadą działania.

Rozważ różnice projektowe. Z ryc. 5 można zobaczyć, że wirnik (1 na ryc. 5) silnika typu kolektorowego, w przeciwieństwie do silnika bezszczotkowego, ma cewki, które mają prosty obwód uzwojenia, a magnesy stałe (zwykle dwa) są zamontowane na stojanie (2 na ryc. 5) ) Ponadto na wale zainstalowany jest kolektor, do którego są podłączone szczotki, które dostarczają napięcie do uzwojeń twornika.

Krótko opowiedz o zasadzie działania maszyn zbierających. Gdy napięcie zostanie przyłożone do jednej z cewek, zostanie wzbudzone i powstanie pole magnetyczne. Oddziałuje z magnesami trwałymi, co powoduje obrót kotwy i umieszczonego na niej kolektora. W rezultacie energia jest dostarczana do innego uzwojenia i cykl się powtarza.

Częstotliwość rotacji zwory takiej struktury zależy bezpośrednio od natężenia pola magnetycznego, które z kolei jest wprost proporcjonalne do napięcia. Oznacza to, że aby zwiększyć lub zmniejszyć prędkość, wystarczy zwiększyć lub zmniejszyć poziom odżywiania. I dla odwrotności konieczne jest odwrócenie polaryzacji. Ta metoda sterowania nie wymaga specjalnego sterownika, ponieważ sterownik skoku można wykonać na podstawie rezystora zmiennego, a zwykły przełącznik będzie działał jako falownik.

Cechy konstrukcyjne silników bezszczotkowych omówiono w poprzednim rozdziale. Jak pamiętacie, ich połączenie wymaga specjalnego kontrolera, bez którego po prostu nie będą działać. Z tego samego powodu silniki te nie mogą być używane jako generator.

Warto również zauważyć, że w niektórych napędach tego typu w celu bardziej skutecznego sterowania położenia wirników są monitorowane za pomocą czujników Halla. To znacznie poprawia charakterystykę silników bezszczotkowych, ale prowadzi do wyższych cen i tak drogiej konstrukcji.

Jak uruchomić silnik bezszczotkowy?

Aby dyski tego typu działały, potrzebujesz specjalnego kontrolera (patrz rys. 6). Bez tego uruchomienie nie jest możliwe.

Samo zmontowanie takiego urządzenia nie ma sensu, kupienie gotowego będzie tańsze i bardziej niezawodne. Możesz go wybrać zgodnie z następującymi cechami charakterystycznymi dla sterowników kanałów PWM:

• Maksymalna dopuszczalna siła prądu, ta charakterystyka jest podana dla normalnej pracy urządzenia. Dość często producenci wskazują taki parametr w nazwie modelu (na przykład Phoenix-18). W niektórych przypadkach podawana jest wartość szczytowa, którą kontroler może obsługiwać przez kilka sekund.
• Maksymalna wartość napięcia nominalnego dla pracy ciągłej.
• Rezystancja wewnętrznych obwodów sterownika.
• Dopuszczalna prędkość jest wskazywana w obr / min. Powyżej tej wartości sterownik nie pozwoli na zwiększenie obrotu (ograniczenie jest wdrażane na poziomie oprogramowania). Należy pamiętać, że prędkość jest zawsze podawana dla napędów dwubiegunowych. Jeśli jest więcej par biegunów, podziel wartość przez ich liczbę. Na przykład wskazana jest liczba 60000 obr / min, dlatego w przypadku silnika 6-magnetycznego prędkość obrotowa wyniesie 60 000/3 \u003d 20 000 prm.
• Częstotliwość generowanych impulsów, dla większości sterowników parametr ten mieści się w zakresie od 7 do 8 kHz, droższe modele pozwalają przeprogramować parametr, zwiększając go do 16 lub 32 kHz.

Zauważ, że pierwsze trzy cechy określają moc bazy danych.

Bezszczotkowe sterowanie silnikiem

Jak już wspomniano powyżej, sterowanie przełączaniem uzwojeń napędu odbywa się za pomocą elektroniki. Aby określić, kiedy zmienić, kierowca monitoruje pozycję zwory za pomocą czujników Halla. Jeśli przemiennik częstotliwości nie jest wyposażony w takie detektory, to uwzględniany jest odwrotny EMF występujący w niepodłączonych cewkach stojana. Kontroler, który w rzeczywistości jest kompleksem sprzętowo-programowym, monitoruje te zmiany i ustawia kolejność przełączania.

Trójfazowy bezszczotkowy silnik prądu stałego

Większość baz danych jest wykonywana w trybie trójfazowym. Aby sterować takim napędem, sterownik ma przetwornik impulsowy prądu stałego na trójfazowy (patrz rys. 7).

Aby wyjaśnić, jak działa taki silnik zaworu, należy rozważyć rysunek 4 wraz z rysunkiem 7, na którym kolejno pokazano wszystkie etapy napędu. Napiszemy je:

1. Dodatni impuls jest dostarczany do cewek „A”, podczas gdy ujemny impuls jest dostarczany do „B”, w wyniku czego zwora się przesuwa. Czujniki zarejestrują jego ruch i dadzą sygnał do następnego przełączenia.
2. Cewka „A” jest wyłączona, a dodatni impuls przechodzi do „C” („B” pozostaje niezmieniony), a następnie sygnał jest wysyłany do następnego zestawu impulsów.
3. Na „C” - dodatni, „A” - ujemny.
4. Działa para „B” i „A”, na które odbierane są impulsy dodatnie i ujemne.
5. Impuls dodatni jest ponownie przykładany do „B”, a ujemny do „C”.
6. Cewki „A” są włączone (+ jest dostarczany) i powtarza się ujemny impuls do „C”. Następnie cykl się powtarza.

Pozorna prostota zarządzania ma wiele trudności. Konieczne jest nie tylko śledzenie położenia zwory w celu wytworzenia następnej serii impulsów, ale także kontrolowanie częstotliwości obrotów poprzez regulację prądu w cewkach. Ponadto należy wybrać najbardziej optymalne parametry przyspieszenia i hamowania. Należy również pamiętać, że kontroler musi być wyposażony w jednostkę, która pozwala kontrolować jego działanie. Wygląd takiego urządzenia wielofunkcyjnego można zobaczyć na rycinie 8.

Zalety i wady

Elektryczny silnik bezszczotkowy ma wiele zalet, a mianowicie:

• Żywotność jest znacznie dłuższa niż w przypadku konwencjonalnych analogów kolektorów.
• Wysoka wydajność
• Szybkie wybieranie maksymalnej prędkości obrotowej.
• Jest mocniejszy niż CD.
• Brak iskier podczas pracy pozwala na użytkowanie napędu w warunkach zagrożenia pożarowego.
• Nie wymaga dodatkowego chłodzenia.
• Prosta obsługa

Teraz rozważmy minusy. Istotną wadą ograniczającą korzystanie z bazy danych jest ich stosunkowo wysoki koszt (biorąc pod uwagę cenę sterownika). Do niedogodności należy między innymi niemożność korzystania z bazy danych bez sterownika, nawet w przypadku krótkotrwałego włączenia, na przykład w celu sprawdzenia operacyjności. Naprawa problemów, szczególnie jeśli wymagane jest przewijanie do tyłu.