Cum să faci un motor fără perii dintr-un colector. Principiul de funcționare al unui motor fără perii

Publicat la 11.04.2013

Dispozitiv partajat (Inrunner, Outrunner)

motor fara perii curent continuu este format dintr-un rotor cu magneți permanenți 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 fix cu înfășurări.

sistem Inrunner folosit de obicei pentru motoare de mare viteză Cu nu un numar mare m stâlpi. Câineghid dacă este necesar, obțineți un motor cu cuplu mare și turație relativ mică. Din punct de vedere structural, Inrunner-urile sunt mai simple datorită faptului că statorul fix poate servi drept carcasă. Pe el pot fi montate dispozitive de montare. În cazul Outrunners, întreaga parte exterioară se rotește. Motorul este fixat de o axă fixă ​​sau de 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 poli

Numărul de poli de pe rotor este par. Forma magneților utilizați este de obicei dreptunghiulară. Magneții cilindrici sunt folosiți 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 folosiți sunt mai puternici, cu atât este mai mare momentul de forță dezvoltat de motor pe arbore.

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

Înfășurări și dinți

Înfășurarea unui motor trifazat fără perii se realizează cu un fir de cupru. Firul poate fi un singur conductor sau poate fi format din mai multe miezuri izolate. Statorul este realizat din mai multe foi de oțel conductiv magnetic pliate împreună.

Numărul de dinți ai statorului trebuie împărțit la numărul de faze. acestea. pentru un 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 scheme: 9 dinți / 12 magneți; 51 de dinți / 46 de magneți.

Un motor cu stator cu 3 dinți este folosit extrem de rar. Deoarece doar două faze funcționează în orice moment (când sunt pornite de o stea), forțele magnetice acționează asupra rotorului nu uniform pe întreaga circumferință (vezi Fig.).

Forțele care acționează asupra rotorului încearcă să-l deformeze, ceea ce duce la o creștere a 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.

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

Opțiuni de distribuție a înfășurărilor de fază pe dinții statorului

Opțiune de bobinare pentru 9 dinți

Opțiune de bobinare pentru 12 dinți

În diagramele de mai sus, numărul de dinți este ales în așa fel încât acesta divizibil nu numai cu 3. De exemplu, când 36 dinții contabilizați 12 dinți pe fază. 12 dinți pot fi repartizați după cum urmează:

Cea mai preferată schemă este 6 grupe de 2 dinți.

Există motor cu 51 dinti pe stator! 17 dinți pe fază. 17 este un număr prim, este divizibil doar cu 1 și cu el însuși. Cum se distribuie înfășurarea peste dinți? 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 majuscule și majuscule. Detalii despre designul înfășurărilor pot fi găsite în literatura oferită 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 dinților pot fi conectate și în paralel.

Pot fi și incluziuni combinate

Conexiunea paralelă și combinată permite reducerea inductanței înfășurării, ceea ce duce la o creștere a curentului statorului (deci a puterii) și a turației motorului.

Cifra de afaceri electrică și reală

Dacă rotorul motorului are doi poli, atunci cu o rotație completă a câmpului magnetic pe stator, rotorul face o rotație completă. Cu 4 poli, este nevoie de două ture ale câmpului magnetic de pe stator pentru a roti arborele motorului cu o tură completă. Cu cât este mai mare numărul de poli ai rotorului, cu atât sunt necesare mai multe rotații electrice pentru a roti arborele motorului cu o rotație. De exemplu, avem 42 de magneți pe rotor. Pentru a întoarce rotorul cu o rotație, va fi nevoie de 42/2=21 revoluție electrică. Această proprietate poate fi folosită ca un fel de reductor. Selectând 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 controlerului.

Senzori de poziție

Designul motoarelor fără senzori diferă de motoarele cu senzori numai în absența acestora din urmă. Alte diferențe fundamentale Nu. Cei mai obișnuiți senzori de poziție bazați pe efectul Hall. Senzorii răspund la un câmp magnetic, de obicei sunt amplasați pe stator în așa fel încât să fie afectați de magneții rotorului. Unghiul dintre senzori trebuie să fie de 120 de grade.

Adică grade „electrice”. Acestea. pentru un motor multipolar, aranjamentul fizic al senzorilor ar putea fi:

Uneori, senzorii sunt amplasați în afara motorului. Iată un exemplu de locație a senzorilor. De fapt, era un motor fără senzori. Într-un mod atât de simplu, a fost echipat cu senzori de sală.

La unele motoare sunt instalați senzori dispozitiv special, care vă permite să mutați senzorii în anumite limite. Cu ajutorul unui astfel de dispozitiv, timpul este stabilit. Cu toate acestea, dacă motorul necesită inversare (rotire în interior reversul) va necesita un al doilea set de senzori setati pentru inversare. Pentru că sincronizarea nu are crucial la început şi turații mici, puteți seta senzorii la punctul zero și puteți regla unghiul de avans în mod programat când motorul începe să se rotească.

Principalele caracteristici ale motorului

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

• Mod de lucru pentru care este proiectat motorul: pe termen lung sau pe termen scurt. Lung modul de funcționare implică faptul că motorul poate funcționa ore întregi. Astfel de motoare sunt calculate în așa fel încât transferul de căldură către mediu să fie mai mare decât eliberarea 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 fi pornit pentru o perioadă scurtă în care nu are 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 circuit interturnîn 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 viteza maxima, A kv- numărul de rotații ale motorului pe volt fără sarcină pe arbore. Înmulțind această cifră 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 maximă a curentului este asociată cu o posibilă supraîncălzire a înfășurării. Prin urmare, când temperaturi scăzute mediu inconjurator timpul real de funcționare cu curent maxim va fi mai lung, iar la căldură motorul se va arde mai devreme.
• Puterea maximă a motorului. Direct legat de parametrul anterior. Aceasta este puterea de vârf pe care o poate dezvolta motorul pentru o perioadă scurtă de timp, de obicei câteva secunde. La muncă îndelungată pe putere maxima supraîncălzirea inevitabilă a motorului și defecțiunea acestuia.
• Putere nominală. Puterea pe care o poate dezvolta motorul pe parcursul întregului timp de pornire.
• Unghiul de avans al fazei (sincronizare). Înfășurarea statorului are o anumită inductanță, care încetinește creșterea curentului în înfășurare. Curentul va atinge maximul după un timp. Pentru a compensa această întârziere, comutarea de fază se realizează cu oarecare avans. Similar cu aprinderea motorului combustie interna, unde este setat unghiul de avans la aprindere, luând în considerare timpul de aprindere al combustibilului.

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

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 lucru, așa mașini electrice abia în secolul 21 au găsit o largă aplicație în tehnologie. Factorul decisiv în introducerea pe scară largă a fost reducerea multiplă a costului electronicii de control al conducerii 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 create pe fiecare dintre magneți interacționează întotdeauna între ele, dând rotirea rotorului. Un motor de curent continuu tradițional este format din patru părți principale:

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

Acest design prevede rotirea armăturii și a comutatorului pe același arbore în raport cu periile fixe. Curentul curge de la sursă prin încărcare cu arc contact bun perii la un comutator 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 prin aceea că contactul mecanic pe perii nu poate fi realizat fără frecare. Pe măsură ce viteza crește, problema devine mai pronunțată. Ansamblul colectorului se uzează în timp și, în plus, este predispus la scântei și este capabil să ionizeze aerul înconjurător. Astfel, în ciuda simplității și a costului redus de fabricație, astfel de motoare electrice au câteva dezavantaje insurmontabile:

• uzura periei;
• interferențe electrice ca urmare a scânteilor;
• restricții privind viteza maximă;
• 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

Într-un motor electric fără perii, spre deosebire de predecesorul său, rolul unui comutator mecanic este îndeplinit de un convertor electronic. Acest lucru face posibilă implementarea unui circuit „în interiorul exterior” al BDKP - înfășurările sale sunt situate pe stator, ceea ce elimină necesitatea unui colector.

Cu alte cuvinte, principalul diferenta fundamentalaîntre motor clasicși BDCT prin aceea 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 complexă.

Problema principală este controlul precis al unui motor fără perii, ceea ce implică 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 prin electronică se obțin în două moduri:

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

Pentru a implementa controlul în primul mod, 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 la foarte viteze mici si in repaus.

Controlul fără senzor pentru a evalua 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 turație, 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 structurale menționate mai sus, motoare fără perii câștigă din ce în ce mai multă popularitate datorită performanței lor și a unui set de caracteristici inaccesibile colecționarilor. O listă scurtă a principalelor avantaje ale BDKP față de cele clasice arată astfel:

• nicio pierdere de energie mecanică din cauza frecării periei;
• zgomot comparativ al muncii;
• ușurința de accelerare și decelerare a rotației datorită inerției scăzute a rotorului;
• precizia controlului rotației;
• posibilitatea de a organiza racirea datorita conductibilitatii termice;
• capacitatea de a lucra viteze mari;
• durabilitate si fiabilitate.

Aplicație și perspective moderne

Există multe dispozitive pentru care crește timpul de funcționare esenţial. În astfel de echipamente, utilizarea BDCT este întotdeauna justificată, în ciuda relativității lor cost ridicat. Poate fi apă și pompe de combustibil, turbine de racire pentru aparate de aer conditionat si motoare etc. Motoarele fara perii sunt folosite in multe modele de electrice Vehicul. În prezent, motoarele fără perii au primit o atenție serioasă din partea industriei auto.

BDCT sunt ideale pentru unitățile mici care funcționează în conditii dificile sau cu mare precizie: alimentatoare și transportoare cu bandă, roboți industriali, sisteme de pozitionare. 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 BDCT și baza pentru producția de unelte de mână moderne fără fir.

Se poate spune că acum se fac progrese semnificative în domeniul acționărilor electrice. Scăderea continuă a prețului electronicelor digitale a dat naștere unei tendințe spre omniprezente motoare fără periiîn locul celor tradiționale.

Când am început să proiectez o unitate de control a motorului fără perii (motorul roții), au existat multe întrebări despre cum să compari un motor real cu o diagramă abstractă a trei înfășurări și magneți, în care, de regulă, toată lumea explică principiul controlului motoarelor fără perii. .

Când am implementat controlul prin senzori Hall, încă nu am înțeles cu adevărat ce se întâmplă în motor dincolo de cele trei înfășurări abstracte și doi poli: de ce 120 de grade și de ce algoritmul de control era exact așa.

Totul a căzut la loc când am început să înțeleg ideea controlului fără senzor al unui motor fără perii - înțelegerea procesului care are loc într-o bucată de fier adevărată m-a ajutat să dezvolt hardware-ul și să înțeleg algoritmul de control.

Mai jos voi încerca să-mi descriu modul de a înțelege principiul controlului unui motor DC fără perii.

Pentru funcționarea unui motor fără perii, este necesar ca câmpul magnetic constant al rotorului să fie transportat de câmpul electromagnetic rotativ al statorului, ca într-un motor de curent continuu convențional.

Rotirea câmpului magnetic al statorului se realizează prin comutarea înfășurărilor folosind o unitate de control electronică.
Designul unui motor fără perii este similar cu cel al unui motor sincron, dacă conectați un motor fără perii la o rețea trifazată curent alternativ care satisface parametrii electrici ai motorului, va functiona.

O anumită comutare a înfășurărilor unui motor fără perii vă permite să-l controlați de la o sursă de curent continuu. Pentru a înțelege cum se face o tabelă de comutare a unui motor fără perii, este necesar să se ia în considerare controlul unei mașini sincrone AC.

Mașină sincronă
Mașina sincronă este controlată dintr-o rețea trifazată de curent alternativ. Motorul are 3 înfășurări electrice compensate cu 120 de grade electrice.

Prin pornirea unui motor trifazat în modul generator, pe fiecare dintre înfășurările motorului va fi indus un EMF de către un câmp magnetic constant, înfășurările motorului sunt distribuite uniform, se va induce o tensiune sinusoidală pe fiecare dintre faze și aceste semnale vor fi induse. să fie deplasat cu 1/3 din perioadă (Figura 1). Forma FEM se modifică după o lege sinusoidală, perioada sinusoidei este 2P (360), întrucât avem de-a face cu mărimi electrice (EMF, tensiune, curent), să-i numim grade electrice și vom măsura perioada în lor.

Atunci când motorului i se aplică o tensiune trifazată, în fiecare moment de timp va exista o anumită valoare a puterii curentului pe fiecare înfășurare.

Fiecare înfășurare generează un vector de câmp magnetic proporțional cu curentul din înfășurare. Prin adăugarea a 3 vectori, puteți obține vectorul de câmp magnetic rezultat. Deoarece în timp curentul de pe înfășurările motorului se modifică conform unei legi sinusoidale, valoarea vectorului câmpului magnetic al fiecărei înfășurări se modifică, iar vectorul total rezultat modifică unghiul de rotație, în timp ce valoarea acestui vector rămâne constantă.

Figura 2 prezintă o perioadă electrică a unui motor trifazat, pe această perioadă sunt indicate 3 momente arbitrare, pentru a construi un vector de câmp magnetic în fiecare dintre aceste momente, punem această perioadă, 360 de grade electrice, pe un cerc. Să plasăm 3 înfășurări ale motorului deplasate cu 120 de grade electrice una față de alta (Figura 3).

Un vector de câmp magnetic creat de înfășurarea motorului este reprezentat grafic de-a lungul fiecărei faze. Direcția vectorului este determinată de direcția curentului continuu în înfășurare, dacă tensiunea aplicată înfășurării este pozitivă, atunci vectorul este direcționat în partea opusă de la înfășurare, dacă este negativ, atunci de-a lungul înfășurării. Mărimea vectorului este proporțională cu mărimea tensiunii la faza de intrare acest moment.
Pentru a obține vectorul de câmp magnetic rezultat, este necesar să adăugați datele vectoriale conform legii adunării vectoriale.
Construcția pentru al doilea și al treilea moment de timp este similară.

Deci, în timp, vectorul rezultat își schimbă ușor direcția, Figura 5 prezintă vectorii rezultați și arată rotația completă a câmpului magnetic al statorului într-o perioadă electrică.

În spatele acestui vector al câmpului magnetic electric, câmpul magnetic al magneților permanenți ai rotorului este purtat în fiecare moment de timp (Figura 6).

Așa funcționează o mașină de curent alternativ sincronă.

Având o sursă de curent continuu, este necesar să se formeze independent o perioadă electrică cu o schimbare a direcțiilor curentului pe trei înfășurări ale motorului. Deoarece un motor fără perii este similar ca design cu un motor sincron și are parametri identici în modul generator, este necesar să începem de la Figura 5, care arată câmpul magnetic rotativ generat.

Presiune constantă
Sursa de curent continuu are doar 2 fire „plus putere” și „putere minus”, ceea ce înseamnă că este posibilă alimentarea cu tensiune doar la două din cele trei înfășurări. Este necesar să se aproximeze Figura 5 și să se selecteze toate momentele în care este posibilă comutarea a 2 din 3 faze.

Numărul de permutări din setul 3 este 6, prin urmare, există 6 opțiuni pentru conectarea înfășurărilor.
Să portretizăm opțiuni posibile comutații și selectați o secvență în care vectorul se va întoarce pas cu pas până când ajunge la sfârșitul perioadei și începe de la capăt.

Perioada electrică va fi numărată de la primul vector.

Figura 5 arată că atunci când se controlează o tensiune sinusoidală trifazată, există mulți vectori care se rotesc lin în timp, iar la comutarea cu DC, este posibil să se obțină un câmp rotativ de numai 6 vectori, adică trecerea la pasul următor ar trebui să apară la fiecare 60 de grade electrice.
Rezultatele din Figura 7 sunt rezumate în Tabelul 1.

Tabelul 1. Secvența de comutare rezultată a înfășurărilor motorului.

Tipul semnalului de control rezultat în conformitate cu Tabelul 1 este prezentat în Figura 8. Unde -V comută la minusul sursei de alimentare (GND) și +V comută la plusul sursei de alimentare.

Cu toate acestea, imaginea reală din fazele motorului va fi similară cu semnalul sinusoidal din Figura 1. Semnalul are formă trapezoidală, deoarece în momentele în care înfășurarea motorului nu este conectată, magneții permanenți ai rotorului induc EMF pe aceasta (Figura 9).

Pe un osciloscop arată astfel:

Caracteristici de design
După cum sa menționat mai devreme, pentru 6 comutații ale înfășurărilor, se formează o perioadă electrică de 360 ​​de grade electrice.
Este necesar să se asocieze această perioadă cu unghiul real de rotație al rotorului. Motoarele cu o pereche de poli și un stator cu trei dinți sunt folosite extrem de rar, motoarele au N perechi de poli.
Figura 11 prezintă modele de motoare cu o pereche de poli și două perechi de poli.

Un motor cu două perechi de poli are 6 înfășurări, fiecare dintre înfășurări este o pereche, fiecare grup de 3 înfășurări este decalat unul de celălalt cu 120 de grade electrice. Figura 12b. a întârziat o perioadă pentru 6 înfășurări. Înfășurările U1-U2, V1-V2, W1-W2 sunt interconectate și în proiectare reprezintă fire de ieșire în 3 faze. Conexiunile nu sunt afișate pentru simplitate, dar rețineți că U1-U2, V1-V2, W1-W2 sunt aceleași.

Figura 12, pe baza datelor din Tabelul 1, prezintă vectorii pentru una și două perechi de poli.

Figura 13 prezintă vectorii creați de 6 înfășurări ale motorului de comutare cu o pereche de poli. Rotorul este format din magneți permanenți, în 6 pași rotorul se va întoarce la 360 de grade mecanice.
Figura prezintă pozițiile finale ale rotorului; în intervalele dintre două poziții adiacente, rotorul se rotește din starea anterioară la următoarea comutată. Când rotorul atinge această poziție finală, următoarea comutare trebuie să aibă loc și rotorul va tinde către noul punct de referință, astfel încât vectorul său de câmp magnetic să devină co-direcționat cu vectorul de câmp electromagnetic al statorului.

La motoarele cu N perechi de poli, este nevoie de N cicluri electrice pentru a finaliza o revoluție mecanică.
Un motor cu două perechi de poli va avea doi magneți cu poli S și N și 6 înfășurări (Figura 14). Fiecare grup de 3 înfășurări este decalat unul față de celălalt cu 120 de grade electrice.

Determinarea poziției rotorului unui motor fără perii
După cum am menționat mai devreme, pentru funcționarea motorului, este necesar în momente potrivite timpul pentru a conecta tensiunea la înfășurările statorului dorite. Este necesar să se aplice tensiune în înfășurările motorului în funcție de poziția rotorului, astfel încât câmpul magnetic al statorului să fie întotdeauna înaintea câmpului magnetic al rotorului. Pentru a determina poziția rotorului motorului și comutarea înfășurărilor, utilizați unitatea electronică management.
Urmărirea poziției rotorului este posibilă în mai multe moduri:
1. Senzori Hall
2. Prin spate EMF
De regulă, producătorii echipează motorul cu senzori Hall la lansare, deci aceasta este cea mai comună metodă de control.
Comutarea înfășurărilor în conformitate cu semnalele EMF din spate vă permite să abandonați senzorii încorporați în motor și să utilizați ca senzor analiza fazei libere a motorului, care va fi indusă de câmpul magnetic al EMF din spate.

Controlul motorului fără perii cu senzori Hall
Pentru a comuta înfășurările la momentul potrivit, este necesar să urmăriți poziția rotorului în grade electrice. Pentru aceasta se folosesc senzori Hall.
Deoarece există 6 stări ale vectorului câmpului magnetic, sunt necesari 3 senzori Hall, care vor reprezenta unul singur codificator absolut poziții cu o ieșire pe trei biți. Senzorii Hall sunt instalați în același mod ca înfășurările, compensați cu 120 de grade electrice. Acest lucru permite ca magneții rotorului să fie utilizați ca element de acțiune al senzorului.

Pentru a roti motorul, este necesar ca câmpul magnetic al statorului să fie înaintea câmpului magnetic al rotorului, poziția când vectorul câmpului magnetic al rotorului este co-direcționat cu vectorul câmpului magnetic al statorului este cea finală pentru această comutare, este la în acest moment ar trebui să se producă trecerea la următoarea combinație pentru a preveni agățarea rotorului în poziție staționară.
Să comparăm semnalele de la senzorii Hall cu combinația de faze care trebuie comutate (Tabelul 2)

Tabelul 2. Comparația semnalelor senzorului Hall cu comutarea fazei motorului.

Controlul EMF din spate
Există motoare fără perii fără senzori de poziție. Determinarea poziției rotorului se realizează prin analiza semnalului EMF pe faza liberă a motorului. În fiecare moment, „+” este conectat la una dintre faze și „-” este conectat la cealaltă, una dintre faze rămâne liberă. În rotație, câmpul magnetic al rotorului induce un EMF în înfășurarea liberă. Pe măsură ce rotația avansează, tensiunea pe faza liberă se modifică (Figura 17).

Semnalul de la înfășurarea motorului este împărțit în 4 puncte:
1. Înfășurare conectată la 0
2. Înfășurarea neconectată (fază liberă)
3. Înfășurarea este conectată la tensiunea de alimentare
4. Înfășurarea neconectată (fază liberă)
Comparând semnalul de la faze cu semnalul de control, se poate observa că momentul trecerii la următoarea stare poate fi detectat prin trecerea punctului de mijloc (jumătate din tensiunea de alimentare) cu faza care nu este conectată în prezent (Figura 18) .

După detectarea intersecției, este necesar să faceți o pauză și să activați următoarea stare. Conform acestei figuri, a fost compilat un algoritm pentru comutarea stărilor înfășurărilor (tabelul 3).

Tabelul 3. Algoritm pentru comutarea înfășurărilor motorului

Comparatorul este declanșat în momentul în care tensiunea trece prin punctul de mijloc și generează un semnal pentru microcontroler.

Prelucrarea semnalului din fazele motorului
Cu toate acestea, semnalul din fazele din timpul controlului vitezei PWM diferă ca aspect și are un caracter pulsat (Figura 21), într-un astfel de semnal este imposibil să se detecteze intersecția cu punctul de mijloc.

Asa de semnal dat ar trebui să fie filtrat cu un filtru RC pentru a obține plicul și, de asemenea, împărțit în funcție de cerințele comparatorului. Pe măsură ce ciclul de lucru crește, semnalul PWM va crește în amplitudine (Figura 22).

Diagrama cu un punct de mijloc

Semnalele sunt preluate din faze prin rezistențe limitatoare de curent și combinate, se obține următoarea imagine:

Datorită PWM, tensiunea de mijloc nu este constantă, semnalul trebuie de asemenea filtrat. Tensiunea de mijloc după netezire va fi suficient de mare (în regiunea tensiunii de alimentare a motorului), trebuie împărțită cu un divizor de tensiune la valoarea a jumătate din tensiunea de alimentare.
motor fara perii

Motorul de curent continuu este numit Motor electric care este alimentat de curent continuu. Dacă este necesar, obțineți un motor cu cuplu mare și turație relativ mică. Din punct de vedere structural, Inrunner-urile sunt mai simple datorită faptului că statorul fix poate servi drept carcasă. Pe el pot fi montate dispozitive de montare. În cazul Outrunners, întreaga parte exterioară se rotește. Motorul este fixat de o axă fixă ​​sau de părți ale statorului. În cazul unei roți-motor, fixarea se efectuează pentru axa fixă ​​a statorului, firele sunt aduse la stator printr-o axă goală a cărei dimensiune este mai mică de 0,5 mm.

Se numește un motor AC motor electric alimentat de curent alternativ. Există următoarele tipuri de motoare cu curent alternativ:

Exista si un UKD (motor cu comutator universal) cu functia de regim de functionare atat pe curent alternativ cat si pe curent continuu.

Un alt tip de motor este motor pas cu pas cu un număr finit de poziții ale rotorului. O anumită poziție indicată a rotorului este fixată prin alimentarea cu energie a înfășurărilor corespunzătoare necesare. Când tensiunea de alimentare este îndepărtată dintr-o înfășurare și transferată în altele, are loc un proces de trecere la o altă poziție.

Un motor AC atunci când este alimentat de o rețea industrială, de obicei, nu realizează viteza peste trei mii rpm. Din acest motiv, dacă este necesar să se obțină frecvențe mai mari, se folosește un motor colector, beneficii aditionale care este ușoară și compactă menținând în același timp puterea necesară.

Uneori un special mecanism de transmisie numit multiplicator, care modifică parametrii cinematici ai dispozitivului la necesar indicatori tehnici. Ansamblurile colectoare ocupă uneori până la jumătate din spațiul întregului motor, astfel încât motoarele de curent alternativ sunt reduse în dimensiune și reduse în greutate prin utilizarea unui convertizor de frecvență și, uneori, datorită prezenței unei rețele cu o frecvență crescută de până la 400 Hz.

Orice resursă motor de inducție curentul alternativ este vizibil mai mare decât colectorul. Este determinat starea de izolare a înfăşurărilor şi lagărelor. Un motor sincron, atunci când se utilizează un invertor și un senzor de poziție a rotorului, este considerat un analog electronic al unui motor clasic de colector care acceptă funcționarea în curent continuu.

Motor DC fără perii. Informații generale și dispozitivul dispozitivului

Un motor de curent continuu fără perii se mai numește și motor trifazat fără perii. Este un dispozitiv sincron, al cărui principiu de funcționare se bazează pe reglarea frecvenței auto-sincronizate, datorită căruia este controlat vectorul (începând de la poziția rotorului) al câmpului magnetic al statorului.

Controlerele de motor de acest tip sunt adesea alimentate de tensiune constantă de la care și-au luat numele. În literatura tehnică în limba engleză, motorul fără perii se numește PMSM sau BLDC.

Motorul fără perii a fost creat în primul rând pentru a optimiza orice motor de curent continuuîn general. Au fost puse cerințe foarte mari asupra actuatorului unui astfel de dispozitiv (în special asupra unui microdrive de mare viteză cu poziționare precisă).

Acest lucru a condus, probabil, la utilizarea unor astfel de dispozitive specifice DC, motoare trifazate fără perii, numite și BLDT-uri. Prin proiectarea lor, ele sunt aproape identice cu motoarele sincrone de curent alternativ, unde rotația rotorului magnetic are loc într-un stator laminat convențional în prezența înfășurărilor trifazate, iar numărul de rotații depinde de tensiunea și sarcinile statorului. Pe baza anumitor coordonate ale rotorului, sunt comutate diferite înfășurări ale statorului.

Motoarele de curent continuu fără perii pot exista fără senzori separati, totuși, uneori sunt prezente pe rotor, cum ar fi un senzor Hall. Dacă dispozitivul funcționează fără senzor suplimentar, atunci înfășurările statorului acționează ca element de fixare. Apoi, curentul apare din cauza rotației magnetului, când rotorul induce un EMF în înfășurarea statorului.

Dacă una dintre înfășurări este oprită, atunci semnalul care a fost indus va fi măsurat și procesat în continuare, cu toate acestea, un astfel de principiu de funcționare este imposibil fără un profesor de procesare a semnalului. Dar pentru a inversa sau a frâna un astfel de motor electric, nu este necesar un circuit de punte - va fi suficient să furnizați impulsuri de control înfășurărilor statorului în secvența inversă.

În VD (motor cu comutare), inductorul sub formă de magnet permanent este situat pe rotor, iar înfășurarea armăturii este pe stator. Pe baza poziției rotorului, se formează tensiunea de alimentare a tuturor înfăşurărilor motor electric. Când este utilizat în astfel de construcții ale colectorului, funcția acestuia va fi îndeplinită în motorul supapei printr-un comutator cu semiconductor.

Principala diferență între motoarele sincrone și cele fără perii este autosincronizarea acestora din urmă cu ajutorul DPR, care determină frecvența proporțională de rotație a rotorului și a câmpului.

Cel mai adesea, un motor DC fără perii își găsește aplicație în următoarele domenii:

stator

Acest dispozitiv are un design clasic și seamănă cu același dispozitiv al unei mașini asincrone. Compoziția include miez de înfăşurare de cupru(așezat în jurul perimetrului în caneluri), care determină numărul de faze și carcasă. De obicei, fazele sinus și cosinus sunt suficiente pentru rotație și autopornire, totuși, adesea motorul supapei este realizat trifazat și chiar cu patru faze.

Motoare electrice cu inversare forta electromotoareÎn funcție de tipul de așezare a spirelor pe înfășurarea statorului, acestea sunt împărțite în două tipuri:

• formă sinusoidală;
• formă trapezoidală.

În tipurile corespunzătoare de motor, curentul electric de fază se modifică și în funcție de metoda de alimentare sinusoidală sau trapezoidală.

Rotor

De obicei, rotorul este realizat din magneți permanenți cu două până la opt perechi de poli, care, la rândul lor, alternează de la nord la sud sau invers.

Cele mai comune și mai ieftine pentru fabricarea rotorului sunt magneți de ferită, dar dezavantajul lor este nivel scăzut de inducție magnetică Prin urmare, dispozitivele realizate din aliaje de diferite elemente de pământuri rare înlocuiesc acum acest material, deoarece pot oferi un nivel ridicat de inducție magnetică, care, la rândul său, permite reducerea dimensiunii rotorului.

DPR

Senzorul de poziție a rotorului oferă feedback. Conform principiului de funcționare, dispozitivul este împărțit în următoarele subspecii:

• inductiv;
• fotoelectric;
• Senzor cu efect Hall.

Ultimul tip este cel mai popular datorită acestuia proprietăți inerțiale aproape absoluteși capacitatea de a scăpa de întârzierea în canale prin poziția rotorului părere.

Sistem de control

Sistemul de control este format din întrerupătoare de putere, uneori și din tiristoare sau tranzistoare de putere, inclusiv o poartă izolată, care duce la colectarea unui invertor de curent sau a unui invertor de tensiune. Procesul de gestionare a acestor chei este cel mai adesea implementat prin utilizarea unui microcontroler, care necesită o cantitate imensă de operații de calcul pentru a controla motorul.

Principiul de funcționare

Funcționarea motorului constă în faptul că controlerul comută un anumit număr de înfășurări ale statorului în așa fel încât vectorul câmpurilor magnetice ale rotorului și statorului să fie ortogonal. Cu PWM (modulație pe lățime a impulsului) controlerul controlează curentul care circulă prin motor si regleaza cuplul exercitat asupra rotorului. Direcția acestui moment de acțiune este determinată de marca unghiului dintre vectori. Gradele electrice sunt folosite în calcule.

Comutarea trebuie efectuată în așa fel încât Ф0 (fluxul de excitație al rotorului) să fie menținut constant în raport cu fluxul armăturii. Când o astfel de excitație și fluxul armăturii interacționează, se formează un cuplu M, care tinde să rotească rotorul și în paralel să asigure coincidența excitației și a fluxului armăturii. Cu toate acestea, în timpul rotației rotorului, diferitele înfășurări sunt comutate sub influența senzorului de poziție a rotorului, drept urmare fluxul armăturii se întoarce spre următoarea etapă.

Într-o astfel de situație, vectorul rezultat se deplasează și devine staționar în raport cu fluxul rotorului, care, la rândul său, creează cuplul necesar pe arborele motorului.

Managementul motorului

Controlor motor fara perii curentul continuu face reglarea momentului care acționează asupra rotorului, modificând valoarea modulației lățimii impulsului. Comutarea este controlată și efectuate electronic, spre deosebire de un motor de curent continuu cu perii convențional. De asemenea, sunt comune sistemele de control care implementează modularea lățimii impulsului și algoritmi de reglare a lățimii impulsului pentru fluxul de lucru.

Motoarele controlate vectorial oferă cea mai largă gamă cunoscută pentru controlul automat al vitezei. Reglarea acestei viteze, precum și menținerea legăturii de flux la nivelul necesar, se datorează convertizorului de frecvență.

O caracteristică a reglării acționării electrice pe baza controlului vectorial este prezența coordonatelor controlate. Ei sunt in sistem fixși transformat în rotație, evidențiind o valoare constantă proporțională cu parametrii controlați ai vectorului, datorită căreia se formează o acțiune de control, iar apoi o tranziție inversă.

În ciuda tuturor avantajelor unui astfel de sistem, acesta este, de asemenea, însoțit de un dezavantaj sub forma complexității controlului dispozitivului pentru controlul vitezei într-o gamă largă.

Avantaje și dezavantaje

În zilele noastre, în multe industrii, acest tip de motor este la mare căutare, deoarece motorul de curent continuu fără perii combină aproape toate cele mai multe cele mai bune calități fără contact și alte tipuri de motoare.

Avantajele incontestabile ale motorului fără perii sunt:

În ciuda semnificative puncte pozitive, v motor DC fără perii are, de asemenea, câteva dezavantaje:

Pe baza celor de mai sus și a subdezvoltarii electronice moderneîn regiune, mulți consideră că merită să folosească un motor de inducție convențional cu un convertor de frecvență.

Motor trifazat fără perii de curent continuu

Acest tip de motor are performanțe excelente, mai ales când se efectuează controlul prin intermediul senzorilor de poziție. Dacă momentul de rezistență variază sau nu este cunoscut deloc și, de asemenea, dacă este necesar să se realizeze cuplu de pornire mai mare este utilizat controlul senzorului. Dacă senzorul nu este utilizat (de obicei în ventilatoare), controlul elimină necesitatea comunicării prin cablu.

Caracteristici de control al unui motor trifazat fără perii fără senzor de poziție:

Caracteristici de control motor trifazat fără perii cu encoder de poziție folosind exemplul unui senzor cu efect Hall:

Concluzie

Un motor de curent continuu fără perii are o mulțime de avantaje și va fi o alegere demnă de utilizat atât de un specialist, cât și de un simplu neprofesionist.

Motor fara perii

Principiul de funcționare al unui motor trifazat fără perii

Motor BLDC este un motor sincron bazat pe principiul reglării frecvenței cu auto-sincronizare, a cărui esență este controlul vectorului câmpului magnetic al statorului în funcție de poziția rotorului. Motoare BLDC(în literatura engleză BLDC sau PMSM) sunt denumite și motoare fără perii de curent continuu, deoarece colectorul unui astfel de motor este alimentat de obicei cu tensiune de curent continuu.

Descrierea VD

Acest tip de motor este conceput pentru a îmbunătăți proprietățile motoarelor de curent continuu. Cerințe ridicate pentru mecanisme executive(în special, microdrive de mare viteză pentru o poziționare precisă) a condus la utilizarea motoare specifice DC: fără contact motoare trifazate curent continuu (BLDC sau BLDC). Din punct de vedere structural, seamănă cu motoarele sincrone cu curent alternativ: rotorul magnetic se rotește într-un stator laminat cu înfășurări trifazate. Dar RPM este o funcție a sarcinii și a tensiunii statorice. Această funcție este implementată prin comutarea înfășurărilor statorului în funcție de coordonatele rotorului. BLDC-urile sunt disponibile cu senzori separați pe rotor și fără senzori separați. Senzorii Hall sunt utilizați ca senzori individuali. Dacă execuția este fără senzori separați, atunci înfășurările statorului acționează ca element de fixare. Când magnetul se rotește, rotorul induce un EMF în înfășurările statorului, rezultând un curent. Când o înfășurare este oprită, semnalul care a fost indus în ea este măsurat și procesat. Acest algoritm necesită un procesor de semnal. Pentru frânarea și inversarea BDPS, nu este necesar un circuit de punte inversă de putere - este suficient să aplicați impulsuri de control înfășurărilor statorului în ordine inversă.

Principala diferență între un motor VD și un motor sincron este autosincronizarea acestuia cu ajutorul unui DPR, drept urmare, în VD, frecvența de rotație a câmpului este proporțională cu viteza rotorului.

stator

Stator motor fără perii

Statorul are un design convențional și este similar cu statorul unei mașini cu inducție. Este alcătuit dintr-un corp, un miez din oțel electric și o înfășurare de cupru așezată în caneluri de-a lungul perimetrului miezului. Numărul de înfășurări determină numărul de faze ale motorului. Pentru pornire automată și rotație, sunt suficiente două faze - sinus și cosinus. De obicei, VD trifazat, mai rar - cu patru faze.

Conform metodei de așezare a spirelor în înfășurările statorului, se disting motoarele cu o forță electromotoare inversă de forme trapezoidală (BLDC) și sinusoidală (PMSM). Conform metodei de alimentare, curentul electric de fază în tipurile corespunzătoare de motor se modifică și trapezoidal sau sinusoidal.

Rotor

Rotorul este realizat folosind magneți permanenți și are de obicei două până la opt perechi de poli cu poli nord și sud alternați.

La început, magneții de ferită au fost folosiți pentru a face rotorul. Sunt comune și ieftine, dar au dezavantajul unui nivel scăzut de inducție magnetică. Magneții din aliaj de pământuri rare câștigă acum popularitate, deoarece permit un nivel ridicat de inducție magnetică și reduc dimensiunea rotorului.

Senzor de poziție a rotorului

Senzorul de poziție a rotorului (RPS) oferă feedback cu privire la poziția rotorului. Funcționarea sa se poate baza pe diferite principii - fotoelectric, inductiv, pe efectul Hall etc. Senzorii Hall și fotoelectrici au câștigat cea mai mare popularitate, deoarece sunt practic inerțiali și vă permit să scăpați de întârzierea canalului de feedback pe pozitia rotorului.

Senzorul fotoelectric, în forma sa clasică, conține trei fotodetectoare fixe, care sunt închise alternativ de un obturator care se rotește sincron cu rotorul. Acest lucru este prezentat în Figura 1 (punct galben). Codul binar obținut din DPR fixează șase poziții diferite ale rotorului. Semnalele senzorului sunt convertite de dispozitivul de control într-o combinație de tensiuni de control care controlează întrerupătoarele de alimentare, astfel încât două întrerupătoare sunt pornite în fiecare ciclu (fază) de funcționare a motorului și două dintre cele trei înfășurări ale armăturii sunt conectate în serie la rețeaua. Înfășurări de armătură U, V, W situat pe stator cu o deplasare de 120 °, iar începuturile și sfârșiturile lor sunt conectate astfel încât la comutarea tastelor să se creeze un gradient rotativ de câmpuri magnetice.

Sistem de control VD

Sistemul de control conține întrerupătoare de alimentare, adesea tiristoare sau tranzistoare de putere cu poartă izolată. Dintre acestea, este asamblat un invertor de tensiune sau un invertor de curent. Sistemul de management al cheilor este de obicei implementat pe baza utilizării unui microcontroler, datorită numărului mare de operații de calcul pentru controlul motorului.

Principiul de funcționare al VD

Principiul funcționării HP se bazează pe faptul că controlerul HP comută înfășurările statorului, astfel încât vectorul câmpului magnetic al statorului să fie întotdeauna ortogonal cu vectorul câmpului magnetic al rotorului. Folosind modularea lățimii impulsului (PWM), controlerul controlează curentul care curge prin înfășurările HP, de exemplu. vectorul câmpului magnetic al statorului și astfel se reglează momentul care acționează asupra rotorului HP. Semnul unghiului dintre vectori determină direcția momentului care acționează asupra rotorului.

Comutarea se realizează astfel încât fluxul de excitație al rotorului să fie F 0 este menținut constant în raport cu debitul ancorei. Ca rezultat al interacțiunii fluxului armăturii și excitației, se creează un cuplu M, care caută să rotească rotorul astfel încât fluxurile de armătură și excitație să coincidă, dar când rotorul se rotește sub acțiunea DPR, înfășurările comută și fluxul de armătură trece la pasul următor.

În acest caz, vectorul de curent rezultat va fi deplasat și staționar în raport cu fluxul rotorului, ceea ce creează un moment pe arborele motorului.

În modul de funcționare cu motor, statorul MMF se află înaintea rotorului MMF cu un unghi de 90°, care este menținut cu ajutorul DPR. În modul de frânare, statorul MMF rămâne în urmă cu rotorul MMF, unghiul de 90° este de asemenea menținut folosind DPR.

Managementul motorului

Controlerul HP reglează cuplul care acționează asupra rotorului prin modificarea valorii PWM.

Spre deosebire de motor cu perie curent continuu, comutarea în HP este efectuată și controlată de electronică.

Sistemele de control care implementează algoritmi pentru reglarea lățimii impulsului și modularea lățimii impulsului în controlul HP sunt răspândite.

Sistemul care oferă cea mai largă gamă de control al vitezei este pentru motoarele cu control vectorial. Cu ajutorul unui convertor de frecvență, viteza motorului este controlată și legătura de flux din mașină este menținută la un anumit nivel.

O caracteristică a reglării unei acționări electrice cu control vectorial - coordonatele controlate măsurate într-un sistem de coordonate fix sunt convertite într-un sistem rotativ, din ele este alocată o valoare constantă, proporțională cu componentele vectorilor parametrilor controlați, conform căreia se formează acțiunile de control, apoi tranziția inversă.

Dezavantajul acestor sisteme este complexitatea dispozitivelor de control și funcționale pentru o gamă largă de control al vitezei.

Avantajele și dezavantajele VD

În ultima vreme, acest tip de motor câștigă rapid popularitate, pătrunzând în multe industrii. Își găsește aplicație în diverse domenii de utilizare: de la electrocasnice până la transportul feroviar.

ID cu sisteme electronice comenzile combină adesea cele mai bune calități ale motoarelor fără contact și ale motoarelor DC.

Avantaje:

• Gamă largă de viteze
• Fără contact și fără întreținere - mașină fără perii
• Poate fi folosit în medii explozive și agresive
• Capacitate mare de cuplu
• Performanță energetică ridicată (eficiență peste 90%)

• Durată lungă de viață fiabilitate ridicatăși o durată de viață crescută datorită absenței contactelor electrice glisante

Defecte:

• Sistem de management al motorului relativ complex
• Costul ridicat al motorului, datorită utilizării magneților permanenți scumpi în proiectarea rotorului
• În multe cazuri, este mai rațional să folosiți un motor asincron cu un convertor de frecvență.

Pentru aplicații care combină cea mai mare eficiență posibilă cu extrem de simplă și blocuri de încredere control (un comutator cu cheie care nu folosește PWM), se poate distinge și următoarea caracteristică: În ciuda faptului că revoluțiile pot fi variate pe scară largă de către unitatea de control, o eficiență acceptabilă poate fi obținută numai într-un interval relativ îngust de viteze unghiulare . Aceasta este determinată de inductanța înfășurărilor. Dacă viteza este mai mică decât optimă, continuarea alimentării acelei faze, după ce limita de flux a fost atinsă, va duce doar la încălzire inutilă. La viteze peste optime, fluxul magnetic din pol nu va atinge maximul din cauza timpului de creștere a curentului limitat de inductanță. Exemple de astfel de motoare sunt kiturile model fără perii. Acestea trebuie să fie eficiente, ușoare și fiabile și pentru a oferi optime viteză unghiulară pentru o caracteristică de încărcare dată, producătorii produc formații cu diferite inductanțe (număr de spire) ale înfășurărilor. În același timp, un număr mai mic de spire corespunde unui motor mai rapid.

Vezi si

Legături

• http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/app/micros/avr/AVR440.htm AVR440: Controlul motorului DC fără perii cu 2 faze fără senzori
• http://www.unilib.neva.ru/dl/059/CHAPTER5/Chapter5.html 5.4.Motoare fără perii
• http://www.imafania.narod.ru/bldc.htm Despre motorul fără perii și utilizare motor pas cu pas ca un fără perii