Бесколлекторный двигатель постоянного тока имеет на статоре трёхфазную обмотку, и постоянный магнит на роторе. Вращающееся магнитное поле создаётся обмоткой статора, при взаимодействии с которым магнитный ротор приходит в движение. Для создания вращающегося магнитного поля на обмотку статора подаётся система трёхфазных напряжений, которая может иметь различную форму и формируется различными способами. Формирование питающих напряжений (коммутация обмоток) для бесколлекторного двигателя постоянного тока производиться специализированными блоками электроники – контроллером двигателя.
Заказать бесколлекторный двигатель в нашем каталоге
В простейшем случае обмотки попарно подключаются к источнику постоянного напряжения и по мере того как ротор поворачивается в направлении вектора магнитного поля обмотки статора производится подключение напряжения к другой паре обмоток. Вектор магнитного поля статора при этом занимает другое положение и вращение ротора продолжается. Для определения нужного момента подключения следующих обмоток используется датчик положения ротора, чаще других используются датчики Холла.
Возможные варианты и специальные случаи
Выпускаемые сейчас бесколлекторные двигатели могут иметь самую разную конструкцию.
По исполнению статорной обмотки можно выделить двигатели с классической обмоткой, намотанной на стальной сердечник, и двигатели с полой цилиндрической обмоткой без стального сердечника. Классическая обмотка обладает значительно большей индуктивностью, чем полая цилиндрическая обмотка, и соответственно большей постоянной времени. Из-за этого с одной стороны, полая цилиндрическая обмотка допускает более динамичное изменение тока (а, следовательно, и момента), с другой стороны при работе от контроллера двигателя, использующего ШИМ-модуляцию невысокой частоты для сглаживания пульсаций тока, требуются фильтрующие дроссели большего номинала (а соответственно и большего размера). Кроме того, классическая обмотка, как правило, имеет заметно больший момент магнитной фиксации, а также меньший КПД, чем полая цилиндрическая обмотка.
Ещё одно отличие, по которому разделяются различные модели двигателей – это взаимное расположение ротора и статора – существуют двигатели с внутренним ротором и двигатели с внешним ротором. Двигатели с внутренним ротором, как правило, имеют более высокие скорости и меньший момент инерции ротора, чем модели с внешним ротором. Благодаря этому двигатели с внутренним ротором имеют более высокую динамику. Двигатели с внешним ротором часто имеют несколько больший номинальный момент при том же наружном диаметре двигателя.
Отличия от других типов двигателей
Отличия от коллекторных ДПТ. Размещение обмотки на роторе позволило отказаться от щёток и коллектора и избавиться тем самым от подвижного электрического контакта, который значительно снижает надёжность ДПТ с постоянными магнитами. По этой же причине скорость у бесколлекторных двигателей, как правило, значительно выше, чем у ДПТ с постоянными магнитами. С одной стороны это позволяет увеличить удельную мощность бесколлекторного двигателя, с другой стороны не для всех применений такая высокая скорость является действительно необходимой
Отличия от синхронных двигателей с постоянными магнитами. Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе очень похожи на бесколлекторные ДПТ по конструкции, однако есть и ряд различий. Во-первых термин синхронный двигатель объединяет в себе много различных видов двигателей, часть из которых предназначены для непосредственной работы от стандартной сети переменного тока, другая часть (например синхронные серводвигатели) может работать только от преобразователей частоты (контроллеров двигателей). Бесколлекторные двигатели, хотя и имеют на статоре трёхфазную обмотку, не допускают непосредственную работу от сетевого напряжения, и обязательно требуют наличия соответствующего контроллера. Кроме того синхронные двигатели предполагают питание напряжением синусоидальной формы в то время как бесколлекторные двигатели допускают питание переменным напряжением ступенчатой формы (блочная коммутация) и даже предполагают его использование в номинальных режимах работы.
Когда нужен бесколлекторный двигатель?
Ответ на этот вопрос достаточно прост – в тех случаях, когда он имеет преимущество перед остальными типами двигателей. Так, например, практически невозможно обойтись без бесколлекторного двигателя в применениях, где требуются большие скорости вращения: свыше 10000 об/мин. Оправдано применение бесколлекторных двигателей также и в тех случаях, когда требуется высокий срок службы двигателя. В тех случаях, когда требуется применять сборку из двигателя с редуктором, однозначно оправдано применение низкоскоростных бесколлекторных двигателей (с большим числом полюсов). Высокоскоростные бесколлекторные двигатели в этом случае будут иметь скорость выше, чем предельно допустимая скорость редуктора, и по этой причине не будет возможности использовать их мощность полностью. Для применений, где требуется максимально простое управление двигателем (без использования контроллера двигателя) естественным выбором будет коллекторный ДПТ.
С другой стороны, в условиях повышенной температуры или повышенной радиации проявляется слабое место бесколлекторных двигателей – датчики Холла. Стандартные модели датчиков Холла имеют ограниченную стойкость к радиации и диапазон рабочих температур. Если в подобном применении всё же имеется необходимость использовать бесколлекторный двигатель, то неизбежными становятся заказные исполнения с заменой датчиков Холла на более стойкие к указанным факторам, что увеличивает цену двигателя и сроки поставки.
Принцип работы бесколлекторного двигателя постоянного тока (БКДП) был известен очень давно, и бесщёточные моторы всегда были интересной альтернативой традиционным решениям. Несмотря на это, подобные электрические машины лишь в XXI веке нашли широкое применение в технике. Решающим фактором повсеместного внедрения стало многократное снижение стоимости электроники управления приводом БДКП.
Проблемы коллекторных двигателей
На фундаментальном уровне работа любого электродвигателя заключается в преобразовании электрической энергии в механическую. Существуют два основных физических явления, лежащих в основе устройства электрических машин:
Двигатель сконструирован таким образом, что магнитные поля, создаваемые на каждом из магнитов, всегда взаимодействуют между собой, придавая ротору вращение. Традиционный электродвигатель постоянного тока состоит из четырёх основных частей:
- статор (неподвижный элемент с кольцом из магнитов);
- якорь (вращающийся элемент с обмотками);
- угольные щётки;
- коллектор.
Такая конструкция предусматривает вращение якоря и коллектора на одном валу относительно неподвижных щёток. Ток проходит от источника через подпружиненные для хорошего контакта щётки на коммутатор, который распределяет электричество между обмотками якоря. Магнитное поле, индуцированное в последних, взаимодействует с магнитами статора, что заставляет статор вращаться.
Главный недостаток традиционного двигателя в том, что механический контакт на щётках невозможно обеспечить без трения. При увеличении скорости проблема проявляет себя сильнее. Коллекторный узел изнашивается со временем и, кроме того, склонен к искрению и способен ионизировать окружающий воздух. Таким образом, несмотря на простоту и дешевизну в изготовлении, подобные электродвигатели обладают некоторыми непреодолимыми недостатками:
- износ щёток;
- электрические помехи в результате искрения;
- ограничения в максимальной скорости;
- сложности с охлаждением вращающегося электромагнита.
Появление процессорной техники и силовых транзисторов позволило конструкторам отказаться от узла механической коммутации и изменить роль ротора и статора в электромоторе постоянного тока.
Принцип работы БДКП
В бесколлекторном электродвигателе, в отличие от предшественника, роль механического коммутатора выполняет электронный преобразователь. Это позволяет осуществить «вывернутая наизнанку» схема БДКП - его обмотки расположены на статоре, что исключает необходимость в коллекторе.
Иными словами, основное принципиальное различие между классическим двигателем и БДКП в том, что вместо стационарных магнитов и вращающихся катушек последний состоит из неподвижных обмоток и вращающихся магнитов. Несмотря на то что сама коммутация в нём происходит похожим образом, её физическая реализация в бесщёточных приводах гораздо более сложна.
Главный вопрос - точное управление бесколлекторным двигателем, предполагающее правильную последовательность и частоту переключения отдельных секций обмоток. Эта задача конструктивно разрешима лишь при возможности непрерывного определения текущего положения ротора.
Необходимые данные для обработки электроникой получают двумя способами :
- детектированием абсолютного положения вала;
- измерением напряжения, индуцируемого в обмотках статора.
Для реализации контроля первым способом чаще всего используют либо оптические пары, либо закреплённые неподвижно на статоре датчики Холла, реагирующие на магнитный поток ротора. Главным достоинством подобных систем сбора информации о положении вала является их работоспособность даже при очень низких скоростях и в состоянии покоя.
Бессенсорный контроль для оценки напряжения в катушках требуется хотя бы минимального вращения ротора. Поэтому в таких конструкциях предусмотрен режим запуска двигателя до оборотов, при которых напряжение на обмотках может быть оценено, а состояние покоя тестируется с помощью анализа влияния магнитного поля на тестовые импульсы тока, проходящие через катушки.
Несмотря на все перечисленные конструктивные сложности, бесщёточные двигатели завоёвывают всё большую популярность благодаря своей производительности и недоступному для коллекторных набору характеристик. Краткий перечень основных преимуществ БДКП перед классическими выглядит так:
- отсутствие механических потерь энергии на трении щёток;
- сравнительная бесшумность работы;
- лёгкость ускорения и замедление вращения благодаря малой инерции ротора;
- точность управления вращением;
- возможность организации охлаждения за счёт теплопроводности;
- способность к работе на высоких скоростях;
- долговечность и надёжность.
Современное применение и перспективы
Существует немало устройств, для которых увеличение времени безотказной работы имеет важнейшее значение. В подобном оборудовании применение БДКП всегда оправданно, несмотря на их сравнительно высокую стоимость. Это могут быть водяные и топливные насосы, турбины охлаждения кондиционеров и двигателей и т. д. Бесщёточные моторы используются во многих моделях электрических транспортных средств. В настоящее время на бесколлекторные двигатели всерьёз обратила внимание автомобильная промышленность.
БДКП идеально подходят для малых приводов, работающих в сложных условиях или с высокой точностью: питатели и ленточные конвейеры, промышленных роботы, системы позиционирования. Существуют сферы, в которых бесколлекторные двигатели доминируют безальтернативно: жёсткие диски, насосы, бесшумные вентиляторы, мелкая бытовая техника, CD/DVD приводы. Малый вес и высокая выходная мощность сделали БДКП также и основой для производства современных беспроводных ручных инструментов.
Можно сказать, что в области электроприводов сейчас наблюдается значительный прогресс. Продолжающееся падение цен на цифровую электронику породило тенденцию на повсеместное применение бесколлекторных двигателей взамен традиционных.
Принцип действия которого основан на частотном регулировании и самосинхронизации получил название бесколлекторного двигателя. В данной конструкции, вектор магнитного поля статора управляется относительно положения ротора. Бесколлекторный двигатель был создан для того, чтобы улучшить свойства стандартных коллекторных электродвигателей постоянного тока.
Он органично соединил в себе самые лучшие качества двигателей постоянного тока и бесконтактных электродвигателей.
Основные отличия от обычных двигателей
Бесколлекторный двигатель нередко используются в радиоуправляемых моделях летательных аппаратов. Их выдающиеся характеристики и живучесть получили широкую популярность, благодаря отсутствию трущихся деталей в виде щеток, которые осуществляют передачу тока.
Для того, чтобы более полно представить разницу, нужно вспомнить, что в стандартном коллекторном электродвигателе происходит вращение ротора с обмотками внутри статора, основой которого служат постоянные магниты. Коммутация обмоток производится с помощью коллектора, в зависимости от положения ротора. В электродвигателе переменного тока, наоборот, ротор с магнитом вращается внутри статора с обмотками. Примерно такую же конструкцию имеет двигатель.
В отличие от стандартных двигателей, в бесколлекторном в качестве подвижной части выступает статор, в котором размещены постоянные магниты, а роль неподвижной части играет ротор с трехфазными обмотками.
Принцип работы бесколлекторного электродвигателя
Вращение двигателя осуществляется путем смены направления магнитного поля в обмотках ротора в определенной последовательности. В этом случае, постоянные магниты взаимодействуют с магнитными полями ротора и приводят в движение подвижный статор. В основе этого движения лежит основное свойство магнитов, когда одноименные полюса отталкиваются, а 
разноименные - притягиваются.
Управление магнитными полями в обмотках ротора и их сменой, происходит с помощью контроллера. Он представляет собой достаточно сложное устройство, способное коммутировать высокие токи с большой скоростью. Контроллер обязательно имеет в своей схеме бесколлекторный электродвигатель, что в значительной степени удорожает его использование.
В бесколлекторных электродвигателях отсутствуют какие-либо вращающиеся контакты и любые контакты, способные переключаться. В этом состоит их главное преимущество перед обычными электродвигателями, поскольку все потери от трения сведены к минимуму.
Наверняка задавался вопросом, чем же отличается такой двигатель от других двигателей, например от тех, что стоят в сверлильных станках. Двигатели, установленные в не очень мощных станках, обычно не искрят, и работают они не так шумно, как та же дрель, обладающая меньшей чем станок мощностью.
В чем же дело? Дело в том, что двигатель с щетками — это коллекторный двигатель, а двигатель без щеток — бесколлекторный . Для решения разных задач подойдет свой тип двигателя — где-то лучше подойдет коллекторный, а где-то можно установить только бесколлекторный.
Коллекторный двигатель
Двигатель коллекторный имеет, как правило, всего два провода питания, он прост в управлении, достаточно регулировать постоянное или переменное напряжение питания и обороты станут соответственно меняться. Управлять коллекторным двигателем можно даже при помощи нехитрого диммера. Главное достоинство коллекторного двигателя — высокие обороты (десятки тысяч в минуту) при высоком крутящем моменте.
Принцип работы коллекторного двигателя очень прост. По сути, ротор его представляет собой набор медных рамок в магнитопроводе, которые поочередно коммутируются к источнику питания на коллекторно-щеточном узле. Статор может быть как из постоянных магнитов, так и с обмоткой, питаемой от того же источника, что и ротор, или от отдельного источника, а иногда статор и ротор включены в единую последовательную цепь (как например двигатели стиральных машинок-автоматов).
На каждую из секций обмотки ротора, через коллекторно-щеточный узел, поочередно, в процессе вращения ротора, подается электрический ток, в результате ротор перемагничивается, приобретая четко выраженные северный и южный магнитные полюсы, благодаря которым и происходит вращение ротора внутри статора (полюсы ротора выталкиваются полюсами статора, затем ротор дальше перемагничивается и вновь выталкивается). Поскольку ротор каждый раз коммутируется к источнику питания очередной секцией, вращение не останавливается, пока на коллектор подается питание.
Основной недостаток коллекторного двигателя
Обороты коллекторного двигателя очень удобно регулировать, но когда они достаточно высоки, щетки дают о себе знать. Поскольку щетки все время плотно прилегают к коллектору, на высоких оборотах они быстро изнашиваются, со временем так или иначе засоряются, и в конце концов начинают искрить.
Износ щеток, и вообще коллекторно-щеточного узла, ведет к снижению эффективности коллекторного двигателя. Таким образом, сам коллекторно-щеточный узел — это и есть главный недостаток коллекторных двигателей . Сегодня от коллекторных двигателей стараются отказываться в пользу бесщеточных шаговых.
У бесколлекторного двигателя нет ни коллектора, ни щеток. Простейший пример бесколлекторного двигателя — асинхронный трехфазный двигатель с ротором типа «беличья клетка». Еще один пример бесколлекторного двигателя — более современный - шаговый двигатель с магнитным ротором . Обмотки статора бесколлекторного двигателя сами перемагничиваются так, чтобы ротор все время разворачивался и непрерывно таким образом вращался.
Чаще всего современные бесколлекторные двигатели оснащаются датчиком положения ротора, по сигналам с которого работает регулятор скорости вращения двигателя. Сигнал с датчика положения ротора передается на процессор более 100 раз в секунду, в результате получается точное позиционирование ротора и высокий крутящий момент. Бывают, конечно, бесколлекторные двигатели и без датчика положения ротора, яркий пример — тот же асинхронный трехфазный мотор. Моторы без датчика положения стоят дешевле чем с датчиком.
Достоинства бесколлекторных двигателей
Поскольку ресурс подшипников ротора крайне велик, можно сказать, что в бесколлекторном двигателе практически отсутствуют изнашиваемые со временем детали, и он вообще не требует обслуживания в процессе эксплуатации. Здесь сведено к минимуму трение, отсутствует проблема перегрева коллектора, в целом надежность и эффективность бесколлекторных двигателей очень высоки.
Нет искрящих щеток, датчик положения ротора поможет сделать управление точным, - недостатков практически нет, одни достоинства. Разве что цена качественных шаговых двигателей выше чем у коллекторных (плюс драйвер), но это ничто по сравнению с регулярной заменой пружин, щеток и коллекторов у коллекторных двигателей.
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 двигателяКак 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.).
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.
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:
- 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.
- Катушки «А» отключается, и положительный импульс идет на «С» («В» остается без изменения), далее подается сигнал на следующий набор импульсов.
- На «С» – положительный, «А» – отрицательный.
- Работает пара «В» и «А», на которые поступают положительный и отрицательный импульсы.
- Положительный импульс повторно подается на «В», и отрицательный на «С».
- 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.
