5. БЕСКОНТАКТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Двигатели постоянного тока обычного исполнения имеют ценное качество-возможность широко и плавно регулировать скорость вращения. Вместе с тем они обладают существенным недостатком, обусловленным щеточно-коллекторным узлом. Вполне естественно, что появилась мысль создать двигатели, обладающие достоинствами двигателей постоянного тока и свободные от их недостатков. Такие двигатели называются бесконтактными двигателями постоянного тока.

Рис.5.1. Структурная схема бесконтактного двигателя постоянного тока

Бесконтактные двигатели постоянного тока состоят из трех элементов (рис. 5.1):

1) бесконтактного двигателя с m-фазной обмоткой на статоре и возбужденным ротором обычно в виде постоянного магнита;

2) датчика положения ротора (ДПР), выполненного в одном корпусе с двигателем и предназначенного для выработки сигналов управления моментами времени и последовательностью коммутации токов в обмотках статора;

3) коммутатора, как правило, транзисторного, осуществляющего по сигналам ДПР коммутацию токов в обмотках статора.

П р и н ц и п д е й с т в и я бесконтактного двигателя рассмотрим на примере упрощенной схемы (рис. 5.2). В ее состав входит двигатель с тремя обмотками на статоре, сдвинутыми в пространстве на 120 градусов и соединенными в звезду, ДПР с одним сигнальным элементом (СЭ) и тремя чувствительными элементами (ЧЭ) (их число равно числу обмоток статора), коммутатор, выполненный на трех транзисторах, работающих в ключевом режиме, т.е. в режиме «закрыт» или «открыт».

Рис. 5.2. Упрощенная принципиальная схема бесконтактного двигателя постоянного тока

В положении, показанном на рис.5.2, сигнальный элемент через чувствительный элемент «А» открывает транзистор Т_А. По обмотке А протекает ток I_А. Намагничивающая сила обмотки F_А взаимодействует с потоком постоянного магнита ротора. Возникает вращающий момент, и двигатель приходит во вращение (1-й такт на рис. 5.3). Вместе с ротором поворачивается и СЭ ДПР. При повороте ротора на угол чуть больший 30° СЭ будет воздействовать сразу на два ЧЭ: на «А» и на «В». Это значит, что будут открыты сразу два транзистора: Т_А и Т_В. Ток будет протекать по обеим обмоткам А и В. Появится результирующая НС статора F_АВ, которая повернется на 60° по сравнению с первым положением (2-й такт на рис. 5.3).

Рис. 5.3. Первых 3 такта в работе бесконтактного двигателя постоянного тока

Эта НС продолжает взаимодействовать с полем постоянного магнита; двигатель продолжает развивать вращающий момент.

Когда угол поворота станет чуть больше 90°, транзистор Т_А закроется, ток будет проходить только по обмотке В. Поле ротора будет взаимодействовать только с НС этой обмотки, однако вращающий момент по прежнему будет воздействовать на ротор двигателя и вращать его в том же направлении (3-й такт на рис. 5.3). В конечном итоге двигатель разовьет такую скорость, при которой его момент будет уравновешиваться моментом нагрузки.

Если бы бесконтактный двигатель имел обмоток, чувствительных элементов и транзисторов столько же, сколько обычный двигатель имеет коллекторных пластин, то по своим свойствам и характеристикам они ничем бы не отличались друг от друга. Однако увеличение числа элементов сильно усложняет конструкцию машины. Поэтому в реальных двигателях число обмоток, а соответственно, и число чувствительных элементов и транзисторов не превышает 3-4.

Малое число обмоток обусловливает ряд особенностей работы бесконтактного двигателя постоянного тока.

1. Пульсация вращающего момента — возникает вследствие скачкообразного перемещения НС статора (см. положения 1,2,3 рис. 5.3). В соответствии с общими законами электромеханического преобразования энергии момент бесконтактного двигателя может быть определен как скалярное произведение магнитного потока ротора и НС взаимодействующих обмоток статора

(5.1)

где: с_м — постоянный коэффициент; q — угол между потоком ротора и НС статора.

Так как при вращении двигателя угол q непрерывно меняется, то и момент двигателя не остается постоянным.

2. Реакция якоря периодически изменяется, становясь то поперечной, то продольно намагничивающей, то продольно размагничивающей (рис. 5.4). Объясняется это опять-таки скачкообразным перемещением НС статора (якоря). Размагничивающее действие поля статора особенно сильно при пуске двигателя, т.к. при этом противо-ЭДС равна 0, а ток — наибольший. С этим необходимо считаться при выборе постоянных магнитов, стабилизация которых происходит в режиме короткого замыкания.

Рис. 5.4. Реакция якоря в бесконтактном двигателе постоянного тока

3. Пульсация токов в обмотках статора и суммарного тока двигателя объясняется дискретным питанием обмоток (в тот момент, когда открыты два транзистора, потребляемый ток вырастает в два раза по сравнению с режимом, когда открыт только один транзистор).

4. Влияние индуктивности обмоток статора.В обычном двигателе секции якоря маловитковые, поскольку общее число витков якоря делится на большое число секций. Индуктивность таких секций сравнительно небольшая. В бесконтактном двигателе общее число витков якоря разбивается на 3-4 обмотки (секции). В результате секции получаются многовитковыми, а, следовательно, обладающими большой индуктивностью т.к. L

С учетом ряда допущений уравнение напряжения для якоря можно записать в виде

(5.2)

Решая его относительно тока, получим

(5.3)

где Т = L/r — электромагнитная постоянная времени.

Выражение перед круглой скобкой есть ток якоря при отсутствии индуктивности. Тогда

(5.4)

При больших скоростях, когда время коммутации невелико, ток в обмотках не успевает достигать установившегося значения. Его эффективное значение становится меньше, чем при L = 0

Вращающий момент прямо пропорционален току якоря, поэтому

(5.5)

(5.6)

Анализ выражения (5.6) показывает, что момент имеет две составляющие. Первую — не зависящую от времени. Она равна моменту при отсутствии индуктивности. Вторую — переменную. Она появляется из-за индуктивности обмоток. Эта составляющая при всех скоростях имеет отрицательное значение (U > E). Поэтому можно утверждать, что, как и ток, вращающий момент бесконтактного двигателя меньше, чем вращающий момент обычного коллекторного двигателя.

Подставим значение ЭДС Е = с_еnФ в формулу (5.6), получим механическую характеристику бесконтактного двигателя

(5.7)

Выразим эту характеристику в относительных единицах, приняв за базисный момент пусковой момент (n = 0, U = Uном), а за базисную скорость — скорость холостого хода (М = 0, U = Uном ). Время t = ¥

Рис. 5.6. Механические характеристики бесконтактного двигателя постоянного тока при разных значения α и L: L2 > L1 > 0

Разделим обе части уравнения (5.7) на Мп:

(5.8)

Обозначим a = U/U_ном. С учетом n = U/(с_еФ) получим

(5.9)

где n = n/n — относительная скорость двигателя.

На рис. 5.6 показаны механические характеристики бесконтактного двигателя при разных индуктивностях обмоток статора L. Видно, что с увеличением L нелинейность характеристик увеличивается.

Частоту вращения бесконтактных двигателей можно регулировать в широких пределах путем изменения напряжения питания.

Однако на практике чаше применяется импульсный способ, сущность которого заключается в изменении не величины постоянно подводимого напряжения, а длительности питания двигателя номинальным напряжением.

§ 5.1. Датчики положения ротора

Датчики положения ротора определяются их чувствительными элементами, которые могут быть построены с использованием ЭДС Холла, фотоэффекта и т.д.

Рис. 5.7. Датчик положения ротора трансформаторного типа

Достаточно широкое распространение получили датчики электромагнитного – трансформаторного типа. На рис. 5.7. показан один из них.

Чувствительными элементами датчика являются три трансформатора (Тр₁, Тр₂, Тр₃), сдвинутыми в пространстве на 120 эл. град. Сердечники трансформаторов выполняются из быстронасыщающихся материалов – феррита, пермалоя и тр. Первичные обмотки трансформаторов (I) питаются напряжением высокой частоты (порядка нескольких килогерц) от маломощного источника. Вторичные обмотки через диоды включаются в базы соответствующих транзисторов.

Ротор датчика состоит из постоянного магнита 1, полюсного наконечника 2, выполненного из магнитомягкого материала, и немагнитного полуцилиндра 3.

Элементам конструкции датчика придаются такие формы и они располагаются так, чтобы сердечники трансформаторов, перекрытые полюсным наконечником 2, были насыщенными. В этом случае ЭДС вторичных обмоток трансформаторов (II) практически равны нулю и сигналы на базы транзисторов не поступают. Управляющие сигналы поступают только от тех трансформаторов, сердечники которых не насыщены.

Вопросы: 1) Нарисуйте диаграмму НС обмоток статора (подобную положениям 1,2,3 на рис. 5.3) при условии, что дуга чувствительного элемента не 180° , а 120° .

2) Чему равна величина суммарного тока, потребляемого двигателем из сети, при различных углах поворота ротора и дуге ЧЭ в 120° ?

Что такое бесколлекторный двигатель постоянного тока и его принцип работы

Бытовая и медицинская техника, авиамоделирование, трубозапорные приводы газо- и нефтепроводов – это далеко не полный перечень областей применения бесколлекторных двигателей (БД) постоянного тока. Давайте рассмотрим устройство и принцип действия этих электромеханических приводов, чтобы лучше понять их достоинства и недостатки.

Общие сведения, устройство, сфера применения

Одна из причин проявления интереса к БД — это возросшая потребность в высокооборотных микродвигателях, обладающих точным позиционированием. Внутренне устройство таких приводов продемонстрировано на рисунке 2.

Рис. 2. Устройство бесколлекторного двигателя

Как видите, конструкция представляет собой ротор (якорь) и статор, на первом имеется постоянный магнит (или несколько магнитов, расположенных в определенном порядке), а второй оборудован катушками (В) для создания магнитного поля.

Примечательно, что эти электромагнитные механизмы могут быть как с внутренним якорем (именно такой тип конструкции можно увидеть на рисунке 2), так и внешним (см. рис. 3).

Рис. 3. Конструкция с внешним якорем (outrunner)

Соответственно, каждая из конструкций имеет определенную сферу применения. Устройства с внутренним якорем обладают высокой скоростью вращения, поэтому используются в системах охлаждения, в качестве силовых установок дронов и т.д. Приводы с внешним ротором используются там, где требуется точное позиционирование и устойчивость к перегрузкам по моменту (робототехника, медицинское оборудование, станки ЧПУ и т.д.).

Бесколлекторный двигатель в компьютерном дисководе

Принцип работы

В отличие от других приводов, например, асинхронной машины переменного тока, для работы БД необходим специальный контроллер, который включает обмотки таким образом, чтобы векторы магнитных полей якоря и статора были ортогональны друг к другу. То есть, по сути, устройство-драйвер регулирует вращающий момент, действующий на якорь БД. Наглядно этот процесс продемонстрирован на рисунке 4.

Фазы работы бесколлекторного привода

Как видим, для каждого перемещения якоря необходимо выполнять определенную коммутацию в обмотке статора двигателя бесколлекторного типа. Такой принцип работы не позволяет плавно управлять вращением, но дает возможность быстро набрать обороты.

Отличия коллекторного и бесколлекторного двигателя

Привод коллекторного типа отличается от БД как конструктивными особенностями (см. рис 5.), так и принципом работы.

Рис. 5. А – коллекторный двигатель, В – бесколлекторный

Рассмотрим конструктивные отличия. Из рисунка 5 видно, что ротор (1 на рис. 5) двигателя коллекторного типа, в отличие от бесколлекторного, имеет катушки, у которых простая схема намотки, а постоянные магниты (как правило, два) установлены на статоре (2 на рис. 5). Помимо этого на валу установлен коллектор, к которому подключаются щетки, подающие напряжение на обмотки якоря.

Кратко расскажем о принципе работы коллекторных машин. Когда на одну из катушек подается напряжение, происходит ее возбуждение, и образуется магнитное поле. Оно вступает во взаимодействие с постоянными магнитами, это заставляет проворачиваться якорь и размещенный на нем коллектор. В результате питание подается на другую обмотку и цикл повторяется.

Частота вращения якоря такой конструкции напрямую зависит от интенсивности магнитного поля, которое, в свою очередь, прямо пропорционально напряжению. То есть, чтобы увеличить или уменьшить обороты, достаточно повысить или снизить уровень питания. А для реверса необходимо переключить полярность. Такой способ управления не требует специального контролера, поскольку регулятор хода можно сделать на базе переменного резистора, а обычный переключатель будет работать как инвертор.

Конструктивные особенности двигателей бесколлекторного типа мы рассматривали в предыдущем разделе. Как вы помните, их подключение требует наличия специального контролера, без которого они просто не будут работать. По этой же причине эти двигатели не могут использоваться как генератор.

Стоит также отметить, что в некоторых приводах данного типа для более эффективного управления отслеживаются положения ротора при помощи датчиков Холла. Это существенно улучшает характеристики бесколлекторных двигателей, но приводит к удорожанию и так недешевой конструкции.

Как запустить бесколлекторный двигатель?

Чтобы заставить работать приводы данного типа, потребуется специальный контроллер (см. рис. 6). Без него запуск невозможен.

Рис. 6. Контроллеры бесколлекторных двигателей для моделизма

Собирать самому такое устройство нет смысла, дешевле и надежней будет приобрести готовый. Подобрать его можно по следующим характеристикам, свойственным драйверам шим каналов:

• Максимально допустимая сила тока, эта характеристика приводится для штатного режима работы устройства. Довольно часто производители указывают такой параметр в названии модели (например, Phoenix-18). В некоторых случаях приводится значение для пикового режима, который контролер может поддерживать несколько секунд.
• Максимальная величина штатного напряжения для продолжительной работы.
• Сопротивление внутренних цепей контроллера.
• Допустимое число оборотов, указывается в rpm. Сверх этого значения контроллер не позволит увеличить вращение (ограничение реализовано на программном уровне). Следует обратить внимание, что частота вращения всегда приводится для двухполюсных приводов. Если пар полюсов больше, следует разделить значение на их количество. Например, указано число 60000 rpm, следовательно, для 6-и магнитного двигателя частота вращения составит 60000/3=20000 prm.
• Частота генерируемых импульсов, у большинства контролеров этот параметр лежит в пределах от 7 до 8 кГц, более дорогие модели позволяют перепрограммировать параметр, увеличив его до 16 или 32 кГц.

Обратим внимание, что первые три характеристики определяют мощность БД.

Управление бесколлекторным двигателем

Как уже указывалось выше, управление коммутацией обмоток привода осуществляется электроникой. Чтобы определить, когда производить переключения, драйвер отслеживает положение якоря при помощи датчиков Холла. Если привод не снабжен такими детекторами, то в расчет берется обратная ЭДС, которая возникает в неподключенных катушках статора. Контроллер, который, по сути, является аппаратно-программным комплексом, отслеживает эти изменения и задает порядок коммутации.

Трёхфазный бесколлекторный электродвигатель постоянного тока

Большинство БД выполняются в трехфазном исполнении. Для управления таким приводом в контролере имеется преобразователь постоянного напряжения в трехфазное импульсное (см. рис.7).

Рисунок 7. Диаграммы напряжений БД

Чтобы объяснить, как работает такой вентильный двигатель, следует вместе с рисунком 7 рассматривать рисунок 4, где поочередно изображены все этапы работы привода. Распишем их:

1. На катушки «А» подается положительный импульс, в то время как на «В» — отрицательный, в результате якорь сдвинется. Датчиками зафиксируется его движение и подастся сигнал для следующей коммутации.
2. Катушки «А» отключается, и положительный импульс идет на «С» («В» остается без изменения), далее подается сигнал на следующий набор импульсов.
3. На «С» — положительный, «А» — отрицательный.
4. Работает пара «В» и «А», на которые поступают положительный и отрицательный импульсы.
5. Положительный импульс повторно подается на «В», и отрицательный на «С».
6. Включаются катушки «А» (подается +) и повторяется отрицательный импульс на «С». Далее цикл повторяется.

В кажущейся простоте управления есть масса сложностей. Нужно не только отслеживать положение якоря, чтобы произвести следующую серию импульсов, а и управлять частотой вращения, регулируя ток в катушках. Помимо этого следует выбрать наиболее оптимальные параметры для разгона и торможения. Стоит также не забывать, что контроллер должен быть оснащен блоком, позволяющим управлять его работой. Внешний вид такого многофункционального устройства можно увидеть на рисунке 8.

Рис. 8. Многофункциональный контроллер управления бесколлекторным двигателем

Преимущества и недостатки

Электрический бесколлекторный двигатель имеет много достоинств, а именно:

• Срок службы значительно дольше, чем у обычных коллекторных аналогов.
• Высокий КПД.
• Быстрый набор максимальной скорости вращения.
• Он более мощный, чем КД.
• Отсутствие искр при работе позволяет использовать привод в пожароопасных условиях.
• Не требуется дополнительное охлаждение.
• Простая эксплуатация.

Теперь рассмотрим минусы. Существенный недостаток, который ограничивает использование БД – их относительно высокая стоимость (с учетом цены драйвера). К числу неудобств следует отнести невозможность использования БД без драйвера, даже для краткосрочного включения, например, чтобы проверить работоспособность. Проблемный ремонт, особенно если требуется перемотка.