Design motoare DC fără perii. Motoare DC fără perii

Publicat la 04.11.2013

Dispozitiv general (Inrunner, Outrunner)

Motorul de curent continuu fără perii este format dintr-un rotor cu magnet permanent și un stator cu înfășurări. Există două tipuri de motoare: Inrunner, în care magneții rotorului se află în interiorul statorului cu înfășurări și Câineghid, în care magneții sunt amplasați în exterior și se rotesc în jurul unui stator staționar cu înfășurări.

Sistem Inrunner folosit de obicei pentru motoare de mare viteză Cu cantitate mică stâlpi. Câineghid dacă este necesar, obțineți un motor cu cuplu mare, cu turații relativ mici. Din punct de vedere structural, Inrunner-urile sunt mai simple datorită faptului că statorul staționar poate servi drept carcasă. Pe el pot fi montate elemente de fixare. În cazul Outrunners, întreaga parte exterioară se rotește. Motorul este fixat pe o axă fixă ​​sau pe părți ale statorului. În cazul unei roți-motor, fixarea se realizează pentru axa fixă ​​a statorului, firele sunt conduse la stator prin axa tubulară.

Magneți și stâlpi

Numărul de poli de pe rotor este par. Forma magneților utilizați este de obicei dreptunghiulară. Magneții cilindrici sunt utilizați mai rar. Sunt instalate cu stalpi alternanți.

Numărul de magneți nu corespunde întotdeauna cu numărul de poli. Mai mulți magneți pot forma un pol:

În acest caz, 8 magneți formează 4 poli. Dimensiunea magneților depinde de geometria motorului și de caracteristicile motorului. Cu cât magneții utilizați sunt mai puternici, cu atât cuplul generat de motor pe arbore este mai mare.

Magneții de pe rotor sunt fixați cu lipici special. Mai puțin frecvente sunt modelele cu un suport pentru magnet. Materialul rotorului poate fi conductiv magnetic (oțel), conductiv nemagnetic (aliaje de aluminiu, materiale plastice etc.), combinat.

Înfășurări și dinți

Înfășurare trifazată demon motor colector executat cu sarma de cupru. Firul poate fi solid sau poate fi format din mai mulți conductori izolați. Statorul este realizat din mai multe foi de oțel conductiv magnetic stivuite împreună.

Numărul de dinți ai statorului trebuie împărțit la numărul de faze. acestea. pentru motor trifazat fără perii numărul de dinți ai statorului trebuie să fie divizibil cu 3... Numărul de dinți ai statorului poate fi mai mare sau mai mic decât numărul de poli de pe rotor. De exemplu, există motoare cu circuite: 9 dinți / 12 magneți; 51 de dinți / 46 de magneți.

Motoarele cu stator cu 3 dinți sunt rar folosite. Întrucât în ​​fiecare moment funcționează doar două faze (când sunt pornite de o stea), forțele magnetice acționează asupra rotorului nu uniform pe toată circumferința (vezi fig.).

Forțele care acționează asupra rotorului încearcă să-l oblige, ceea ce duce la creșterea vibrațiilor. Pentru a elimina acest efect, statorul este realizat cu un număr mare de dinți, iar înfășurarea este distribuită pe dinții întregii circumferințe a statorului cât mai uniform posibil.

În acest caz, forțele magnetice care acționează asupra rotorului se anulează reciproc. Nu există dezechilibru.

Variante ale distribuției înfășurărilor de fază de-a lungul dinților statorului

Opțiune de bobinare pentru 9 dinți

Opțiune de bobinare pentru 12 dinți

În diagramele date, numărul de dinți este ales în așa fel încât acesta nu numai împărțit la 3... De exemplu, pentru 36 dintii au 12 dinți pe fază. Cei 12 dinți pot fi repartizați astfel:

Cea mai preferată schemă este 6 grupe de 2 dinți.

Există motor cu 51 de dinti pe stator! 17 dinți pe fază. 17 este un număr prim, este complet divizibil doar cu 1 și prin el însuși. Cum se distribuie înfășurarea de-a lungul dinților? Din păcate, nu am putut găsi exemple și tehnici în literatură care să ajute la rezolvarea acestei probleme. S-a dovedit că înfășurarea a fost distribuită după cum urmează:

Luați în considerare un circuit de înfășurare real.

Vă rugăm să rețineți că înfășurarea are direcții de înfășurare diferite pe dinți diferiți. Diferitele direcții de înfășurare sunt indicate prin litere mari și mici. Detalii despre designul înfășurărilor pot fi găsite în literatura sugerată la sfârșitul articolului.

Înfășurarea clasică se realizează cu un fir pentru o fază. Acestea. toate înfășurările de pe dinții unei faze sunt conectate în serie.

Înfășurările dentare pot fi, de asemenea, conectate în paralel.

Pot fi și incluziuni combinate

Conexiunea paralelă și combinată vă permite să reduceți inductanța înfășurării, ceea ce duce la o creștere a curentului statorului (și, prin urmare, a puterii) și a vitezei motorului.

Revoluții electrice și reale

Dacă rotorul motorului are doi poli, atunci cu o rotație completă a câmpului magnetic pe stator, rotorul face o rotație completă. La 4 poli, este nevoie de două ture ale câmpului magnetic de pe stator pentru a roti arborele motorului cu o rotație completă. Cu cât este mai mare numărul de poli ai rotorului, cu atât sunt necesare mai multe rotații electrice pentru a roti arborele motorului pe rotație. De exemplu, avem 42 de magneți pe rotor. Pentru a întoarce rotorul cu o rotație, sunt necesare 42/2 = 21 de rotații electrice. Această proprietate poate fi folosită ca un fel de reductor. Alegând numărul necesar de poli, puteți obține un motor cu cel dorit caracteristicile vitezei... În plus, o înțelegere a acestui proces va fi necesară pentru noi în viitor, atunci când alegem parametrii regulatorului.

Senzori de poziție

Designul motoarelor fără senzori diferă de motoarele cu senzori numai în absența acestora din urmă. Alții diferențe fundamentale Nu. Cei mai comuni senzori de poziție bazați pe efectul Hall. Senzorii reacționează la un câmp magnetic, de obicei sunt poziționați pe stator astfel încât să fie afectați de magneții rotorului. Unghiul dintre senzori ar trebui să fie de 120 de grade.

Aceasta se referă la grade „electrice”. Acestea. pentru un motor multipolar, locația fizică a senzorilor poate fi după cum urmează:

Uneori, senzorii sunt amplasați în afara motorului. Iată un exemplu de locație a senzorilor. Era de fapt un motor fără senzori. Asa de într-un mod simplu era echipat cu senzori de sală.

La unele motoare sunt instalați senzori dispozitiv special, care vă permite să mutați senzorii într-un anumit interval. Cu un astfel de dispozitiv, timpul este setat. Cu toate acestea, dacă motorul necesită marșarier (rotire în interior reversul) veți avea nevoie de un al doilea set de senzori configurați pentru inversare. Din moment ce sincronizarea nu are crucial la început şi turații mici, puteți seta senzorii la punctul zero, iar unghiul de avans poate fi corectat de software atunci când motorul începe să se rotească.

Principalele caracteristici ale motorului

Fiecare motor este proiectat pentru cerințe specifice și are următoarele caracteristici principale:

• Ore de lucru pentru care este proiectat motorul: pe termen lung sau pe termen scurt. Lung modul de funcționare presupune că motorul poate funcționa ore întregi. Aceste motoare sunt proiectate astfel încât transferul de căldură către mediu să fie mai mare decât disiparea de căldură a motorului în sine. În acest caz, nu se va încălzi. Exemplu: ventilație, scară rulantă sau rulare transportoare. Termen scurt - implică faptul că motorul va porni o perioadă scurtă, timp în care nu va avea timp să se încălzească la temperatura maximă, urmată de o perioadă lungă în care motorul are timp să se răcească. Exemplu: acționare a liftului, aparate de ras electric, uscătoare de păr.
• Rezistenta infasurarii motorului... Rezistența înfășurării motorului afectează eficiența motorului. Cu cât rezistența este mai mică, cu atât eficiența este mai mare. Măsurând rezistența, puteți afla prezența închidere ture în turăîn înfăşurare. Rezistența înfășurării motorului este de miimi de ohm. Pentru a-l măsura, este necesar un dispozitiv special sau o tehnică specială de măsurare.
• Maxim tensiune de operare ... Tensiunea maximă pe care o poate suporta înfășurarea statorului. Tensiunea maximă este legată de următorul parametru.
• RPM maxim... Uneori ele indică nu viteza maximă, dar Kv - numărul de rotații ale motorului pe volt fără sarcină pe arbore. Înmulțirea acestui indicator cu tensiune maxima, obținem turația maximă a motorului fără sarcină pe arbore.
• Curent maxim... Maxim curent admisibilînfăşurări. De regulă, este indicat și timpul în care motorul poate rezista curentului specificat. Limitarea curentului maxim este asociată cu o posibilă supraîncălzire a înfășurării. Prin urmare, la temperaturi scăzute mediu, timpul efectiv de funcționare cu curent maxim va fi mai lung, iar la căldură, motorul se va arde mai devreme.
• Puterea maximă a motorului. Legat direct la parametrul anterior. Aceasta este puterea maximă pe care o poate furniza motorul pentru o perioadă scurtă de timp, de obicei câteva secunde. La muncă îndelungată pe putere maxima supraîncălzirea motorului și defecțiunea acestuia sunt inevitabile.
• Putere nominală... Puterea pe care o poate dezvolta motorul pe parcursul intregului timp de pornire.
• Unghiul de avans al fazei (sincronizare)... Înfășurarea statorului are o anumită inductanță, care inhibă creșterea curentului în înfășurare. Curentul va atinge maximul după un timp. Pentru a compensa această întârziere, comutarea de fază se realizează cu oarecare avans. Este similar cu aprinderea într-un motor cu ardere internă, unde timpul de aprindere este stabilit ținând cont de timpul de aprindere a combustibilului.

De asemenea, ar trebui să acordați atenție faptului că la sarcina nominală nu veți primi viteza maxima pe arborele motorului. Kv indicat pentru un motor neîncărcat. Când alimentați motorul de la baterii, luați în considerare „scăderea” tensiunii de alimentare sub sarcină, care, la rândul său, va reduce și turația maximă a motorului.

Apariția motoarelor fără perii se datorează necesității de a crea o mașină electrică cu multe avantaje. Un motor fără perii este un dispozitiv fără colector, a cărui funcție este preluată de electronică.

BKEPT - motoare de curent continuu fără perii, pot avea putere, de exemplu, 12, 30 volți.

• Alegerea motorului potrivit
• Principiul de funcționare
• Dispozitiv BLDC
• Senzorii și absența lor
• Lipsa senzorului
• Conceptul de frecvență PWM
• Sistem Arduino
• Suport motor

Alegerea motorului potrivit

Pentru a selecta o unitate, este necesar să comparați principiul de funcționare și caracteristicile motoarelor cu perii și fără perii.

De la stânga la dreapta: motor cu perii și motor fără perii FC 28-12

Cele colectoare costă mai puțin, dar dezvoltă o viteză de rotație mică. Sunt alimentate în curent continuu, ușoare și ușoare, reparație accesibilă pentru a înlocui piese. Manifestarea calității negative se dezvăluie atunci când se primesc un număr mare de revoluții. Periile vin în contact cu colectorul provocând frecare care ar putea deteriora mecanismul. Performanța unității este redusă.

Periile nu necesită doar reparații din cauza uzurii rapide, dar pot duce și la supraîncălzirea mecanismului.

Principalul avantaj al unui motor DC fără perii este lipsa cuplului și a contactelor de comutare. Aceasta înseamnă că nu există surse de pierderi, ca în motoarele cu magnet permanenți. Funcțiile lor sunt îndeplinite de tranzistori MOS. Anterior, costul lor era mare, așa că nu erau disponibile. Astăzi prețul a devenit acceptabil și performanța s-a îmbunătățit semnificativ. În absența unui radiator în sistem, puterea este limitată de la 2,5 la 4 wați, iar curentul de funcționare este de la 10 la 30 de amperi. Eficiența motoarelor fără perii este foarte mare.

Al doilea avantaj îl reprezintă setările mecanice. Axa este montata pe rulmenti lati. Nu există elemente de rupere și șters în structură.

Singurul dezavantaj este scumpul unitatea electronică management.

Luați în considerare un exemplu de mecanică a unei mașini-unelte CNC cu ax.

Înlocuirea motorului colectorului cu un motor fără perii va proteja axul CNC de deteriorare. Există un viduval sub ax, care are ture de cuplu la dreapta și la stânga. Axul CNC are de mare putere... Viteza cuplului este controlată de regulator prin testul servo, iar turațiile sunt controlate de controlerul automat. Costul unui CNC cu ax este de aproximativ 4 mii de ruble.

Principiul de funcționare

Principala caracteristică a mecanismului este absența unui colector. Iar magneții permanenți sunt instalați la ax, ei sunt rotorul. În jurul lui sunt înfășurări de sârmă care au câmpuri magnetice diferite. Diferența dintre motoarele fără perii de 12 volți este senzorul de control al rotorului situat pe acesta. Semnalele sunt trimise către unitatea de control al vitezei.

Dispozitiv BLDC

Dispunerea magneților în interiorul statorului este de obicei folosită pentru motoarele bifazate cu un număr mic de poli. Principiul cuplului în jurul statorului este utilizat atunci când este necesar să se obțină un motor bifazat cu turații mici.

Sunt patru poli pe rotor. Magneții dreptunghiulari sunt instalați cu poli alternanți. Cu toate acestea, numărul de poli nu este întotdeauna egal cu numărul de magneți, care poate fi 12, 14. Dar numărul de poli trebuie să fie par.Mai mulți magneți pot alcătui un pol.

Imaginea prezintă 8 magneți formând 4 poli. Momentul de forță depinde de puterea magneților.

Senzorii și absența lor

Controlerele de cursă sunt împărțite în două grupe: cu și fără senzor de poziție a rotorului.

Forțele de curent sunt aplicate înfășurărilor motorului într-o poziție specială a rotorului. sistem electronic folosind un senzor de poziție. Ele vin într-o varietate de tipuri. Controlerul de călătorie popular este un senzor discret cu efect Hall. Un motor trifazat de 30 de volți va folosi 3 senzori. Unitatea electronică are în mod constant date despre poziția rotorului și direcționează tensiunea la timp către înfășurările necesare.

Un dispozitiv comun care își schimbă concluziile la comutarea înfășurărilor.

Un dispozitiv cu buclă deschisă măsoară curentul, viteza. Canalele PWM sunt conectate la partea de jos a sistemului de control.

Trei intrări sunt conectate la senzorul Hall. În cazul unei modificări a senzorului Hall, începe procesul de reciclare întreruptă. Pentru a asigura un răspuns rapid la gestionarea întreruperilor, un senzor Hall este conectat la pinii inferiori ai portului.

Folosind un senzor de poziție cu un microcontroler

Pentru a economisi la facturile de energie electrică, cititorii noștri recomandă „Cutia de economisire a energiei electrice”. Plățile lunare vor fi cu 30-50% mai mici decât erau înainte de utilizarea economiei. Îndepărtează componenta reactivă din rețea, în urma căreia sarcina și, ca urmare, consumul de curent sunt reduse. Aparatele electrice consumă mai puțină energie electrică, iar costurile de plată pentru aceasta sunt reduse.

Controlerul etapei de putere se află în centrul nucleului AVR, care oferă control inteligent al motorului DC fără perii. AVR este un cip pentru îndeplinirea unor sarcini specifice.

Principiul de funcționare al regulatorului poate fi cu sau fără senzor. Programul de bord AVR implementează:

• pornirea motorului cât mai repede posibil, fără a utiliza dispozitive suplimentare externe;
• controlul vitezei cu un potențiometru extern.

Vedere separată control automat sma, folosit la mașinile de spălat.

Lipsa senzorului

Pentru a determina poziția rotorului, este necesar să se măsoare tensiunea pe înfășurarea neutilizată. Aceasta metoda aplicabil atunci când motorul se rotește, altfel nu va funcționa.

ESC-urile fără senzori sunt mai ușor de fabricat, ceea ce explică utilizarea lor pe scară largă.

Controlerele au următoarele proprietăți:

• valoarea curentului constant maxim;
• valoarea tensiunii maxime de operare;
• numărul de rotații maxime;
• rezistența întrerupătoarelor de alimentare;
• frecvența pulsului.

Când conectați un controler, este important să păstrați firele cât mai scurte posibil. Datorită apariției curenților de aprindere la pornire. Dacă firul este lung, pot apărea erori în determinarea poziției rotorului. Prin urmare, controlerele se vând cu sârmă de 12 - 16 cm.

Controlerele au o mulțime de setări software:

• controlul opririi motorului;
• oprire lină sau dură;
• frânare și oprire lină;
• înaintea puterii și eficienței;
• pornire moale, tare, rapidă;
• limitarea curentului;
• modul de gaz;
• schimbare de directie.

Controlerul LB11880 prezentat în figură conține un driver de motor fără perii de sarcină puternic, adică puteți rula motorul direct la microcircuit fără drivere suplimentare.

Conceptul de frecvență PWM

Când cheile sunt pornite, sarcina completă este aplicată motorului. Unitatea atinge viteza maximă. Pentru a controla motorul, trebuie să furnizați un regulator de putere. Acesta este ceea ce face modularea lățimii impulsului (PWM).

Se stabilește frecvența necesară de deschidere și închidere a cheilor. Tensiunea se schimbă de la zero la funcționare. Pentru a controla rpm, este necesar să suprapuneți un semnal PWM pe semnalele cheie.

Semnalul PWM poate fi generat de dispozitiv pe mai mulți pini. Sau creați un PWM pentru o cheie separată cu un program. Circuitul devine mai simplu. Semnalul PWM are 4-80 kHz.

Creșterea frecvenței duce la Mai mult procese de tranziție, care dă naștere căldurii. Înălțimea frecvenței PWM crește numărul de tranzitorii, ceea ce duce la pierderi pe taste. O frecvență scăzută nu oferă controlul neted dorit.

Pentru a reduce pierderile de pe taste în timpul proceselor tranzitorii, semnalele PWM sunt transmise separat la tastele superioare sau inferioare. Pierderile directe sunt calculate folosind formula P = R * I2, unde P este pierderea de putere, R este rezistența cheie, I este puterea curentului.

Mai puțină rezistență minimizează pierderile și crește eficiența.

Sistem Arduino

Adesea, platforma de calcul hardware arduino este folosită pentru a controla motoarele fără perii. Se bazează pe placa și mediul de dezvoltare în limbajul Wiring.

Placa arduino include un microcontroler Atmel AVR și o legătură elementară pentru programare și interacțiune cu circuitele. Placa are un regulator de tensiune. Placa Serial Arduino este un circuit inversor simplu pentru convertirea semnalelor de la un nivel la altul. Programele sunt instalate prin USB. Unele modele, cum ar fi Arduino Mini, necesită o placă de programare suplimentară.

Limbajul de programare Arduino folosește procesarea standard. Unele modele arduino vă permit să controlați mai multe servere în același timp. Programele sunt procesate de procesor și compilate de AVR.

Problemele controlerului pot fi cauzate de scăderi de tensiune și supraîncărcare.

Suport motor

Suport motor - mecanism de montare motor. Este utilizat în instalațiile de motoare. Cadrul motorului este o tijă și elemente de cadru interconectate. Cadrele motoarelor sunt plate, spațiale din punct de vedere al elementelor. Suport motor pentru un singur motor de 30 volți sau mai multe dispozitive. Circuitul de alimentare suportul motorului este format dintr-un set de tije. Suportul motorului este instalat într-o combinație de elemente de fermă și cadru.

Motorul de curent continuu fără perii este o unitate de neînlocuit folosită atât în ​​viața de zi cu zi, cât și în industrie. De exemplu, mașini-unelte CNC, echipamente medicale, mecanisme auto.

Motoarele BLDC se disting prin fiabilitate, principiul de funcționare de înaltă precizie, control și reglare automată inteligentă.

Un motor DC fără perii are o înfășurare trifazată pe stator și un magnet permanent pe rotor. Un câmp magnetic rotativ este creat de înfășurarea statorului, la interacțiunea cu care rotorul magnetic începe să se miște. Pentru a crea un câmp magnetic rotativ, pe înfășurarea statorului este aplicat un sistem de tensiune trifazat, care poate avea o formă diferită și se formează în moduri diferite. Formarea tensiunilor de alimentare (comutarea înfășurărilor) pentru un motor DC fără perii este realizată de unități electronice specializate - un controler de motor.

Comandați un motor fără periiîn catalogul nostru

În cel mai simplu caz, înfășurările sunt conectate în perechi la sursă tensiune constantă iar pe măsură ce rotorul se rotește în direcția vectorului câmpului magnetic al înfășurării statorului, o tensiune este conectată la o altă pereche de înfășurări. În acest caz, vectorul câmpului magnetic al statorului ia o poziție diferită și rotația rotorului continuă. Pentru determinare momentul potrivit conectarea următoarelor înfășurări, se folosește un senzor de poziție a rotorului, mai des decât alții se folosesc senzori Hall.

Variante posibile și cazuri speciale

Motoarele fără perii disponibile astăzi vin în multe modele diferite.

În funcție de proiectarea înfășurării statorului, este posibil să se distingă motoarele cu o înfășurare clasică înfășurată pe un miez de oțel și motoarele cu o înfășurare cilindrică goală fără miez de oțel. O înfășurare clasică are o inductanță mult mai mare decât o înfășurare cilindrică goală și, în consecință, o constantă de timp mai lungă. Din acest motiv, pe de o parte, înfășurarea cilindrică goală permite o schimbare mai dinamică a curentului (și, prin urmare, a cuplului), pe de altă parte, atunci când funcționează de la un controler de motor care utilizează modulația PWM de joasă frecvență pentru a netezi ondulațiile curentului. , sunt necesare șocuri de filtru cu un rating mai mare (și, în consecință, o dimensiune mai mare). În plus, o înfășurare clasică, de regulă, are un cuplu de strângere magnetic vizibil mai mare, precum și o eficiență mai mică decât o înfășurare cilindrică goală.

O altă diferență prin care sunt împărțite diferitele modele de motoare este poziția relativă a rotorului și a statorului - există motoare cu rotor intern și motoare cu rotorul extern... Motoarele cu rotor intern au, în general, viteze mai mari și un moment de inerție mai mic decât modelele cu rotor extern. Ca rezultat, motoarele cu rotor intern au o dinamică mai mare. Motoarele cu rotor extern au adesea o valoare nominală de cuplu puțin mai mare pentru același diametru exterior al motorului.

Diferențele față de alte tipuri de motoare

Diferențele față de DCT-urile colectoare. Plasarea înfășurării pe rotor a făcut posibilă abandonarea periilor și a colectorului și, prin urmare, a scăpa de elementele mobile. contact electric, ceea ce reduce semnificativ fiabilitatea motoarelor de curent continuu cu magneți permanenți. Din același motiv, viteza motoarelor fără perii, de regulă, este semnificativ mai mare decât cea a motoarelor de curent continuu cu magneți permanenți. Pe de o parte, acest lucru vă permite să creșteți putere specifică motor fără perii, pe de altă parte, nu pentru toate aplicațiile o viteză atât de mare este cu adevărat necesară

Diferențele față de motoarele sincrone cu magnet permanenți. Motoarele sincrone cu magneți permanenți pe rotor sunt foarte asemănătoare cu motoarele de curent continuu fără perii în design, dar există o serie de diferențe. În primul rând, termenul de motor sincron combină multe tipuri diferite motoare, dintre care unele sunt proiectate pentru funcționare directă dintr-o rețea standard curent alternativ, cealaltă parte (de ex. servomotoare sincrone) poate fi acționată numai de convertizoare de frecvență (controlere de motoare). Motoarele fără perii, deși au o înfășurare trifazată pe stator, nu permit munca directă de la tensiunea de rețea și necesită în mod necesar prezența unui controler adecvat. în plus motoare sincrone presupun alimentarea cu o tensiune sinusoidală, în timp ce motoarele fără perii permit alimentarea cu tensiune alternativă de formă de treaptă (comutație bloc) și chiar presupun utilizarea acesteia în moduri nominale de funcționare.

Când este nevoie de un motor fără perii?

Răspunsul la această întrebare este destul de simplu - în cazurile în care are un avantaj față de alte tipuri de motoare. De exemplu, este aproape imposibil să faci fără un motor fără perii în aplicațiile care necesită viteze mari rotatie: peste 10.000 rpm. Utilizarea motoarelor fără perii este justificată și în acele cazuri în care este necesară o durată lungă de viață a motorului. În cazurile în care este necesară utilizarea unui ansamblu dintr-un motor cu cutie de viteze, utilizarea motoarelor fără perii de viteză mică (cu un număr mare de poli) este cu siguranță justificată. Motoarele fără perii de mare viteză vor avea în acest caz o viteză mai mare decât limita viteza admisa cutie de viteze și, din acest motiv, nu va fi posibilă utilizarea maximă a puterii lor. Pentru aplicațiile în care controlul motorului este cât se poate de simplu (fără a utiliza un controler de motor), un motor DC cu perii este alegerea naturală.

Pe de alta parte, in conditii temperatură ridicată sau se manifestă radiaţii crescute slăbiciune motoare fără perii - senzori Hall. Modelele standard de senzori cu efect Hall au rezistență limitată la radiații și interval de temperatură de funcționare. Dacă într-o astfel de aplicație este totuși necesară utilizarea unui motor fără perii, atunci versiunile personalizate cu înlocuirea senzorilor Hall cu mai rezistenți la acești factori devin inevitabile, ceea ce crește prețul motorului și timpul de livrare.

Care este diferența dintre motoarele cu perii și motoarele fără perii, principalele avantaje și dezavantaje ale ambelor tipuri.

Nu există în inginerie solutii ideale poate doar găsi soluție optimă pentru o anumită aplicație. Soluțiile potențiale de control al mișcării variază foarte mult în funcție de aplicație - de la dispozitive de explorare spațială, unde costul este neglijabil și este necesară fiabilitatea absolută, până la linii de ambalare de mare viteză care funcționează 24/7. Din fericire, echipele de dezvoltare au o varietate de opțiuni din care să aleagă. Una dintre deciziile cheie pe care trebuie să le luați este utilizarea unui motor DC cu perii sau fără perii. Pentru a face acest lucru, trebuie să înțelegeți care este diferența dintre motoarele colectoare și motoarele fără perii analogic.

Motoare cu perii de curent continuu

Motoarele electrice funcționează datorită forțelor Lorentz, care apar atunci când un curent electric trece prin înfășurările situate într-un câmp magnetic. Impactul acestor forțe face ca rotorul să se rotească în jurul axei sale. Cuplul generat de forța Lorentz este un produs vectorial, ceea ce înseamnă că atunci când polii electromagneților formați de înfășurările rotorului sunt aliniați cu polii opuși ai magneților statori, forța scade la zero și rotorul încetează să se rotească.

Cu toate acestea, o schimbare a direcției curentului în înfășurări va duce la o modificare a polarității electromagneților. Puterea va fi restabilită și rotorul își va relua mișcarea. Dacă această schimbare are loc de fiecare dată când trece de statorul vertical, rotorul va continua să se rotească și să efectueze lucrări utile.
Pentru a inversa direcția curentului la o frecvență controlată, motoarele de curent continuu cu perii necesită un colector. Colectorul este un inel segmentat conectat corespunzător la fiecare dintre înfășurările rotorului. Când rotorul se rotește, se întâmplă și cu colectorul. Pentru a aduce curent la colector la acesta cu părți opuse sunt presate o pereche de perii staţionare (vezi Fig. 2). Pe măsură ce colectorul / rotorul se rotește, fiecare segment al colectorului contactează secvenţial mai întâi o perie / sursă de alimentare și apoi cealaltă. Ca urmare, curentul din bobinele rotorului se modifică de fiecare dată când rotorul este rotit cu 180 °, menținând motorul în rotație.

Aceasta este foarte model simplu oferit ca exemplu. După cum se explică în ghid de studiu, din motive practice - motoarele de curent continuu cu perii au de obicei trei sau mai multe faze.
Periile pot fi realizate din diverse materiale: aliaje pe bază de carbon precum grafit-cupru sau grafit-argint, metale prețioase precum aurul, argintul sau platina. Alegere material adecvat pensule - depinde de aplicarea specifica.

Periile de grafit sunt fabricate din bucăți solide de grafit. Periile din grafit sunt auto-lubrifiante și suficient de robuste. Sunt potrivite pentru motoare mari funcționează la viteză mare (peste 1000 rpm). Dezavantajul periilor de grafit este că acumulează resturi în timp, care pot murdări galeria și pot cauza funcționarea defectuoasă a motorului. Este foarte important ca aceste perii să fie folosite cu suficientă viteze mari pentru curățarea de murdărie.
Perii de la metale pretioase sunt alcătuite din filamente individuale, ceea ce le face mai casante decât periile de grafit. În același timp, periile din metale prețioase oferă performanțe mai bune cu zgomot electric și poluare sonoră mai reduse. Sunt mai compacte și mai eficiente în aplicațiile cu ciclu de lucru redus. De asemenea, sunt potrivite pentru sistemele de joasă tensiune, deoarece căderea de tensiune între colector și perie tinde să fie scăzută. Pe de altă parte, nu au un efect de autolubrifiere, ceea ce duce la mai multă uzură și necesitatea folosirii lubrifianților externi.

Motoare fără perii sau cu perii - Avantaje și dezavantaje

Motoarele cu perii necesită funcționare calificată. Trecerea unei anumite densități de curent, de exemplu, duce la arderea periilor. Dacă viteza este prea mare, periile pot zbura de pe colector. Motoarele cu perii la altitudine pot necesita întreținere specială, cum ar fi utilizarea de aditivi precum bisulfura de molibden sau carbonatul de litiu.

Nevoia de colector și perii crește dimensiunea motorului. Periile necesită întreținere periodică de aceea motoarele trebuie să fie accesibile. Deoarece rotorul și înfășurările sunt în interior (statorul), motoarele cu perii pot disipa căldura doar prin spațiul de aer, ceea ce complică sarcina schimbului de căldură. O cădere de tensiune între perii reduce eficiența motoarelor periilor.

În cele din urmă, frecarea periilor de contactele colectorului reduce și mai mult eficiența și creează zgomot audibil. Frecarea duce la o scădere a cuplului la viteze mari. Pe lângă dezavantajele de mai sus, frecarea periilor pe colector poate provoca, de asemenea, arc și o creștere a interferențelor electromagnetice (EMI); iar în cel mai rău caz pot fi generate scântei, ceea ce face motoare cu perii curent continuu nepotrivit pentru utilizare în medii explozive.

Motoare DC fără perii (motoare cu supape)

O alternativă sunt motoarele de curent continuu fără perii (BLDC) ( Motoare cu supape(VD)) sau motoare cu comutator electronic (ECM). Motoarele BLDC sunt motoare sincrone cu magnet permanent. Ele pot funcționa ca și servomotoare motoare pas cu pas... Această definiție include și motoarele de comutare cu rezistență. În scopuri de comparație, luați în considerare designul unui motor BLDC, care este un motor DC cu perii întors pe dos. Magneți permanenți montat pe rotor iar statorul este format dintr-un cadru laminat cu bobine. Ca urmare, rotorul nu are nevoie de cabluri, iar motorul nu are nevoie de colector și perii.

Deși motoarele BLDC sunt clasificate ca motoare de curent continuu și sunt alimentate de o sursă de curent continuu, ele au multe în comun cu motoarele de curent alternativ. Pentru a menține rotorul în rotație, înfășurările statorului trebuie alimentate în serie; în principiu, arată ca o sursă de curent pulsat, de obicei cu o formă de undă sinusoidală, atunci când este utilizat pentru controlul servomotoarelor. Pentru a potrivi distribuția câmpului magnetic generat de înfășurările statorului cu distribuția câmpului magnetic al rotorului, în motoarele BLDC, se monitorizează poziția unghiulară a rotorului, de obicei folosind senzori Hall. Acest feedback este utilizat pentru a controla comutarea curentului în înfășurări.

Deoarece motoarele BLDC nu folosesc perii și colectoare, acestea sunt mai compacte decât motoarele cu perii. Ele oferă performanțe mai mari într-o singură dimensiune. Absența periilor reduce nevoia de întreținere și permite rotorului să se rotească la viteze mai mari. Lipsa frecării aplatizează curba viteză/cuplu, elimină posibilitatea apariției arcului și reduce interferența electromagnetică (EMI). Deplasarea înfășurărilor generatoare de căldură spre exterior facilitează disiparea căldurii. Această abordare reduce, de asemenea, inerția rotorului, permițând servo-urilor BLDC să ofere un răspuns dinamic mai bun. Lipsa căderii de tensiune între perii îmbunătățește, de asemenea, eficiența motoarelor BLDC.

Pe de altă parte, motoarele BLDC sunt mai complexe decât omologii lor cu perii. Utilizarea electronicii încorporate crește semnificativ costul acestora.

După cum sa discutat la începutul acestui articol, alegerea tipului de motor este dictată de cerințele impuse acestuia. Un proiect cu un buget limitat și cerințe moderate pentru performanța motorului poate fi implementat perfect folosind un motor DC cu perii. Dacă performanța și ciclul de funcționare sunt mai importante pentru proiect, motorul BLDC poate fi cea mai bună soluție. OEM și utilizatorii finali ar trebui să ia în considerare nu numai capacitățile motorului, ci și capacitățile personalului lor de a instala și întreține echipamentul. Efectiv solutie tehnica poate fi acceptat numai cu o alegere rezonabilă a echipamentului.

Principiul de funcționare al unui motor de curent continuu fără perii (BKDP) este cunoscut de foarte mult timp, iar motoarele fără perii au reprezentat întotdeauna o alternativă interesantă la soluțiile tradiționale. În ciuda acestui fapt, asemănător mașini electrice abia în secolul XXI au găsit aplicare largă în tehnologie. Factorul decisiv în implementarea pe scară largă a fost reducerea multiplă a costului electronicii de control al acționării a BDKP.

Probleme cu motorul colectorului

La un nivel fundamental, sarcina oricărui motor electric este să transforme energia electrică în energie mecanică. Sunt două principale fenomene fizice care stă la baza dispozitivului mașinilor electrice:

Motorul este proiectat în așa fel încât câmpurile magnetice generate pe fiecare dintre magneți interacționează întotdeauna între ele, dând rotirea rotorului. Un motor de curent continuu tradițional are patru părți principale:

• stator (element staționar cu un inel de magneți);
• armătură (element rotativ cu înfășurări);
• perii de cărbune;
• colector.

Acest design prevede rotirea armăturii și a colectorului pe același arbore în raport cu periile staționare. Curentul curge de la sursă prin periile încărcate cu arc pentru un contact bun cu comutatorul, care distribuie electricitatea între înfășurările armăturii. Câmpul magnetic indus în acesta din urmă interacționează cu magneții statori, ceea ce face ca statorul să se rotească.

Principalul dezavantaj motor tradițional faptul că contactul mecanic pe perii nu poate fi asigurat fără frecare. Pe măsură ce viteza crește, problema se manifestă mai puternic. Ansamblul colectorului se uzează în timp și este, de asemenea, predispus la arc și ionizare. aerul înconjurător... Astfel, în ciuda simplității și a costului redus de fabricare, astfel de motoare electrice au câteva dezavantaje insurmontabile:

• uzura periilor;
• interferențe electrice datorate arcului electric;
• restricții în viteza maxima;
• dificultăți la răcirea unui electromagnet rotativ.

Apariția tehnologiei procesoarelor și a tranzistorilor de putere a permis proiectanților să abandoneze unitatea de comutare mecanică și să schimbe rolul rotorului și al statorului într-un motor electric de curent continuu.

Principiul de funcționare al BDKP

V motor fara perii, spre deosebire de predecesorul său, rolul unui comutator mecanic este îndeplinit de un convertor electronic. Acest lucru face posibilă implementarea schemei „întors pe dos” a BDKP - înfășurările sale sunt situate pe stator, ceea ce elimină necesitatea unui colector.

Cu alte cuvinte, principala diferență fundamentală între motor clasic iar BDKP este că, în loc de magneți staționari și bobine rotative, acestea din urmă constă din înfășurări staționare și magneți rotativi. În ciuda faptului că comutarea în sine are loc într-un mod similar, implementarea sa fizică în unitățile fără perii este mult mai complicată.

Problema principală este controlul precis al motorului fără perii, ceea ce presupune succesiunea corectăși frecvența de comutare a secțiunilor individuale de înfășurare. Această problemă este rezolvabilă constructiv numai dacă este posibilă determinarea continuă a poziției curente a rotorului.

Datele necesare procesării de către electronică sunt obținute în două moduri.:

• detectarea poziției absolute a arborelui;
• prin măsurarea tensiunii induse în înfăşurările statorului.

Pentru a implementa controlul prin prima metodă, cel mai des sunt utilizați fie perechi optice, fie senzori Hall fixați pe stator, care reacționează la fluxul magnetic al rotorului. Principalul avantaj sisteme similare colectarea de informații despre poziția arborelui este performanța lor chiar și cu foarte viteze mici si in repaus.

Controlul fără senzor pentru a estima tensiunea din bobine necesită cel puțin o rotație minimă a rotorului. Prin urmare, în astfel de proiecte, este prevăzut un mod de pornire a motorului până la rotații, la care poate fi estimată tensiunea de pe înfășurări, iar starea de repaus este testată prin analizarea efectului câmpului magnetic asupra impulsurilor curentului de testare care trec prin bobinele.

În ciuda tuturor dificultăților de proiectare de mai sus, motoare fără perii câștigă din ce în ce mai multă popularitate datorită performanței lor și a unui set de caracteristici inaccesibile colecționarului. O scurtă listă a principalelor avantaje ale BDKP față de cele clasice arată astfel:

• absența pierderilor de energie mecanică din cauza frecării periei;
• zgomot comparativ al muncii;
• Ușurință de accelerare și decelerare a rotației datorită inerției reduse a rotorului;
• control precis al rotației;
• posibilitatea de a organiza racirea datorita conductibilitatii termice;
• capacitatea de a lucra la viteze mari;
• durabilitate si fiabilitate.

Aplicație și perspective moderne

Există multe dispozitive pentru care are un timp de funcționare crescut importanță critică... În astfel de echipamente, utilizarea BDKP este întotdeauna justificată, în ciuda relativității lor cost ridicat... Poate fi apă și pompe de combustibil, turbine pentru racirea aparatelor de aer conditionat si motoare etc. Motoarele fara perii sunt folosite in multe modele de electrice Vehicul... În zilele noastre, industria auto se concentrează serios pe motoarele fără perii.

BDKP sunt ideale pentru unitățile mici care operează în conditii dificile sau cu mare precizie: alimentatoare și transportoare cu bandă, roboți industriali, sisteme de poziționare. Sunt domenii în care motoarele fără perii domină necontestat: hard disk-uri, pompe, ventilatoare silențioase, mici Aparate, unități CD/DVD. Greutatea redusă și puterea mare au făcut din BDKP și baza pentru producția de unelte de mână moderne fără fir.

Putem spune că există progrese semnificative în domeniul acționărilor electrice. Scăderea continuă a prețului electronicelor digitale a generat o tendință spre utilizarea pe scară largă a motoarelor fără perii pentru a le înlocui pe cele tradiționale.