Как работает бесщеточный двигатель

Для того, чтобы работа приборов была более надежной, более эффективной и менее шумной, в последнее время наметилась тенденция использовать бесщеточные двигатели постоянного тока. Они также легче по сравнению с щеточными двигателями при одной и той же выходной мощности.
В обычных двигателях постоянного тока щетки с течением времени изнашиваются, и могут вызывать искрение. Таким образом, двигатель с щетками не должен использоваться там, где требуется надежность и длительный срок службы. Давайте посмотрим, как работает бесщеточный двигатель постоянного тока. Ротор такого электродвигателя оснащен постоянными магнитами. Статор имеет расположение катушек, как показано на рисунке. Подавая постоянный ток в катушку, катушка станет электромагнитом. Работа двигателя основана на взаимодействии магнитных полей между постоянным магнитом и электромагнитом. В этом состоянии, когда катушка A находится под напряжением, противоположные полюса ротора и статора притягиваются друг к другу. Как только к ротору приближается катушки A, на катушку B подается напряжение. К ротору приближается катушка B, на катушку C подается напряжение. После этого на катушку A подается напряжение обратной полярности. Этот процесс повторяется, и ротор продолжает вращаться. Юмористическая аналогия, чтобы понять работу двигателя вспомним историю о осле и моркови. Осел старается догнать морковь, но еда двигается одновременно с ним и остается вне досягаемости.
Даже при том, что этот мотор работает, он имеет один недостаток. Как вы можете заметить, что в любой момент времени только одна катушка находится под напряжением. Две не работающих катушки значительно уменьшают выходную мощность двигателя. Но есть трюк, способный преодолеть эту проблему. Когда ротор находится в этом положении вместе с первой катушкой, которая тянет ротор, можно возбудить катушку позади него таким образом, что она тоже будет толкать ротор. В этот момент ток той же самой полярности пропускают через вторую катушку. Комбинированный эффект дает больше вращающего момента и мощности от двигателя.
Объединение сил также гарантирует, что у двигателя будет ровная и постоянная характеристика крутящего момента. При этой конфигурации, две катушки должны включаться отдельно, но, сделав небольшую модификации с обмоткой статора можно упростить этот процесс. Просто подключите свободные концы катушки вместе. При подаче питания на катушки А и В, через них пойдет ток. То же самое, как если бы мы подавали напряжение отдельно. Вот так он работает, но у вас, возможно появились сомнения: "Как мне узнать, на какую катушку статора подавать напряжение?" "Как подавать напряжение, чтобы получить непрерывное вращение от ротора?" Для этого мы используем электронный контроллер. Датчик A определяет положение ротора и на основании этой информации контроллер решает, на какие катушки подавать напряжение. Чаще всего для этой цели используется эффект датчика Холла.
До сих пор мы обсуждали конструкцию известную, как "внешний разгон". Конструкция "внутреннего разгона" также доступна на рынке. Мы надеемся, что вы почерпнули полезную информацию. Спасибо.
_

В последнее время все более широкую популярность приобретают бесщеточные двигатели постоянного тока. Они активно используются в приборостроении, промышленной медицинской и бытовой автоматике, а также в контрольно-измерительной аппаратуре. Данный тип двигателей работает без щеток, вся коммутация осуществляется при помощи электронных устройств.

Преимущества бесщеточных двигателей

Бесщеточные двигатели имеют ряд преимуществ, которые и определили области их применения. Они обладают лучшим быстродействием. Их вращающий момент гораздо выше, в сравнении с обычными двигателями. Бесщеточные конструкции отличаются более высокими динамическими характеристиками и коэффициентом полезного действия.

Среди прочих преимуществ, следует отметить бесшумную работу, увеличенный срок эксплуатации и более высокую частоту вращения. Соотношение размеров двигателя и вращающего момента выше, чем у других типов. Это особенно важно для тех областей, где габариты и вес являются критическими факторами.

Принцип работы бесщеточного двигателя

Принцип действия основан на магнитных полях производимых статором и ротором, частота вращения которых одинакова. Здесь отсутствует так называемое скольжение, характерное для асинхронных двигателей. Конфигурация бесщеточных двигателей бывает однофазной, двухфазной или трехфазной. От этого зависит количество обмоток в статоре. Наибольшее распространение во всех областях получили трехфазные двигатели.

Устройство бесщеточного двигателя

В качестве примера, следует рассмотреть наиболее популярный трехфазный бесщеточный двигатель. Он имеет статор, набранный из слоистой стали, в пазах которого размещается обмотка. В большинстве двигателей этого типа имеются три обмотки, соединенные в звезду.

Ротор представляет собой постоянный магнит с полюсами в количестве от 2-х до 8-ми пар. При этом, Южный и Северный полюса чередуются между собой. Ротор изготовлен из специального магнитного материала, обеспечивающего необходимую плотность магнитного поля. Как правило, это ферритовые магниты, из которых изготавливаются постоянные магниты.

В отличие от обычных электродвигателей, бесщеточные двигатели постоянного тока коммутируются при помощи электроники. Это связано с необходимостью последовательной подачи напряжения на обмотки статора. Одновременно, необходимо знать, в каком положении находится ротор. Это положение определяется датчиками Холла, которые подают высокий или низкий сигнал, в зависимости от того, какой полюс проходит возле высокочувствительных элементов.

Генератор постоянного тока без щеток

Возникновение бесколлекторных двигателей объясняется необходимостью создания электрической машины с множеством преимуществ. Бесколлекторный двигатель представляет собой устройство без коллектора, функцию которого берет на себя электроника.

БКЭПТ — бесколлекторные электродвигатели постоянного тока, могут быть мощностью, примером, 12, 30 вольт.

• Выбор подходящего двигателя
• Принцип работы
• Устройство БКЭПТ
• Датчики и их отсутствие

• Датчик Холла
• Использование датчика положения с микроконтроллером

Отсутствие датчика

Понятие ШИМ частоты

Система arduino

Крепеж двигателя

Выбор подходящего двигателя

Чтобы подобрать агрегат, необходимо сравнить принцип работы и особенности коллекторных и бесколлекторных двигателей.

Слева направо: коллекторный двигатель и двигатель ФК 28-12 бесколлекторный

Коллекторные стоят меньше, но развивают невысокую скорость вращения крутящего момента. Они работают от постоянного тока, имеет небольшой вес и размер, доступный ремонт по замене деталей. Проявление негативного качества выявляется при получении огромного количества оборотов. Щетки контактируют с коллектором, вызывая трение, что может повредить механизм. Работоспособность агрегата снижается.

Щеточки не только требуют ремонта из-за быстрого износа, но и могут привести к перегреву механизма.

Главным преимуществом бесколлекторного двигателя постоянного тока является неимение контактов крутящего момента и переключения. Значит отсутствие источников потерь, как в двигателях с постоянными магнитами. Их функции выполняют транзисторы МОП. Ранее их стоимость была высокой, поэтому они не были доступны. Сегодня цена стала приемлемой, а показатели значительно улучшились. При отсутствии в системе радиатора, мощность ограничивается от 2,5 до 4 ватт, а ток работы от 10 до 30 Ампер. КПД бесколлекторных электродвигателей очень высокий.

Вторым преимуществом выступает настройки механики. Ось устанавливается на широкоподшипники. В структуре нет ломающих и стирающихся элементов.

Единственным минусом является дорогой электронный блок управления.

Шпиндель ЧПУ Porter Cable 690

Рассмотрим, пример механики ЧПУ станка со шпинделем.

Замена коллекторного двигателя на бесколлекторный оградит от поломки шпинделя для ЧПУ. Под шпинделем имеется в видувал, обладающий правыми и левыми оборотами крутящего момента. Шпиндель для ЧПУ обладает большой мощностью. Скорость крутящего момента контролируется регулятором сервотестором, а обороты управляются автоматом контроллером. Стоимость ЧПУ со шпинделем около 4 тысяч рублей.

Принцип работы

Главная особенность механизма — отсутствие коллектора. А постоянные магниты установлены у шпинделя, является ротором. Вокруг него располагаются проволочные обмотки, которые имеют различные магнитные поля. Отличием бесколлекторных моторов 12 вольт является сенсор управления ротором, расположенный на нем же. Сигналы подаются в блок регулятора скорости.

Устройство БКЭПТ

Схему расположения магнитов внутри статора обычно применяют для двухфазных двигателей с небольшим количеством полюсов. Принцип крутящего момента вокруг статора применяют при необходимости получить двухфазный двигатель с небольшими оборотами.

На роторе расположены четыре полюса. Магниты в форме прямоугольника устанавливаются, чередуя полюсы. Однако не всегда количество полюсов равняется числу магнитов, которых может быть 12, 14. Но количество полюсов должно быть четным.Несколько магнитов могут составлять один полюс.

На картинке изображено 8 магнитов, формирующих 4 полюса. Момент силы зависит от мощности магнитов.

Датчики и их отсутствие

Регуляторы хода подразделяются на две группы: с датчиком положения ротора и без.

Токовые силы подаются на обмотки двигателя при особом положении ротора.Его определяет электронная система с помощью датчика положения. Они бывают разнообразных типов. Популярный регулятор хода — дискретный датчик с эффектом Холла. В двигателе на три фазы на 30 вольт будет использовано 3 датчика. Блок электроники постоянно располагает данными о положении ротора и направляет напряжение вовремя в нужные обмотки.

Датчик Холла

Распространенное приспособление, изменяющие свои выводы при переключении обмоток.

Устройство с разомкнутым контуром измеряет ток, частоту вращения. ШИМ каналы присоединяются к нижней части системы управления.

Три ввода присоединяются к датчику Холла. В случае изменения датчика Холла, начинается процесс переработки прерывания. Для обеспечения быстрого реагирования обработки прерывания подключается датчик Холла к младшим выводам порта.