Коллекторный и бесколлекторный электродвигатель: Бесколлекторный двигатель постоянного тока: принцип работы, устройство, виды

Бесколлекторный двигатель постоянного тока: принцип работы, устройство, виды

Главная проблема коллекторных двигателей – это как раз-таки наличие коллекторного узла. Щётки стираются, а ламели изнашиваются, от слоя графитовой пыли между ними происходят замыкания, возникает искрение. Этих проблем нет в асинхронных машинах, но работать от постоянного тока они не могут. Бесколлекторный двигатель постоянного тока лишен обозначенных выше недостатков. О том, что это такое, как работает и где используются двигатели БДПТ мы и поговорим в этой статье.

Определение

Бесколлекторным называют электродвигатель постоянного тока, ток в обмотках которого переключает специальное устройство-коммутатор — он носит название «драйвер» или «инвертор» и эти обмотки всегда расположены на статоре. Коммутатор состоит из 6 транзисторов, они и подают ток в ту или иную обмотку, в зависимости от положения ротора.

В отечественной литературе такие двигатели называют «вентильными» (потому что полупроводниковые ключи называют «вентилями»), и есть разделение таких электромашин на два вида по форме противо—ЭДС. В зарубежной литературе такое различие сохраняется, один из них называют аналогично русскому «BLDC» (brushless direct current drive или motor), что в дословном переводе звучит как «бесщёточный двигатель постоянного тока» в их обмотках возникает трапецеидальная ЭДС. Вентильные же электродвигатели с синусоидальной ЭДС называют PMSM (Permanent magnet synchronous machine), что переводится как «синхронный электродвигатель с возбуждением постоянными магнитами».

Устройство и принцип действия

Коллектор в КДПТ служит узлом переключения тока в обмотках якоря. В бесколлекторном электродвигателе постоянного тока (БДПТ) эту роль выполняют не щетки с ламелями, а коммутатор она полупроводниковых ключах — транзисторах. Транзисторы переключают обмотки статора, создавая вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с полем магнитов ротора. А при протекании тока через проводник, который находится в магнитном поле, на него действует сила Ампера, за счет действия этой силы и образуется крутящий момент на валу электрических машин. На этом и основан принцип работы любого электродвигателя.

Теперь же разберемся в том, как устроен бесколлекторный двигатель. На статоре БДПТ обычно расположены 3 обмотки, по аналогии с электродвигателями переменного тока их часто называют трехфазными. Отчасти это верно: бесколлекторные двигатели работают от источника постоянного тока (чаще от аккумуляторов), но контроллер включает ток обмотках поочерёдно. Однако при этом не совсем верно говорить, что по обмоткам протекает переменный ток. Конечная форма питающего обмотки напряжения формируется прямоугольными импульсами управления транзисторами.

Трёхфазный бесколлекторный двигатель может быть трёхпроводными или четырёхпроводным, где четвертый провод — отвод от средней точки (если обмотки соединены по схеме звезды).

Обмотки или, говоря простым словами, катушки медного провода укладываются в зубы сердечника статора. В зависимости от конструкции и назначения привода на статоре может быть разное количество зубцов. Встречаются разные варианты распределения обмоток фаз по зубцам ротора, что иллюстрирует следующий рисунок.

Обмотки каждого из зубов в пределах одной фазы могут соединяться последовательно или параллельно, в зависимости от поставленных конструктору задач по мощности и моменту проектируемого привода, а сами же обмотки фаз соединяются между собой по схеме звезды или треугольника, подобно асинхронным или синхронным трёхфазными электродвигателям переменного тока.

В статоре могут устанавливаться датчики положения ротора. Часто используются датчики холла, они дают сигнал контроллеру, когда на них воздействует магнитное поле магнитов ротора. Это нужно для того чтобы контроллер «знал», в каком положении находится ротор и подавал питание на соответствующие обмотки. Это нужно для повышения эффективности и стабильности работы, а если кратко, — чтобы выжать из двигателя всю возможную мощность. Датчиков обычно устанавливается 3 штуки. Но наличие датчиков усложняет устройство бесколлекторного электродвигателя, к ним нужно проводить дополнительные провода для питания и линии данных.

В БДПТ для возбуждения используются постоянные магниты, установленные на роторе, а статор — это якорь. Напомним, что в коллекторных машинах наоборот (ротор — это якорь), а для возбуждения в КД используются как постоянные магниты, так и электромагниты (обмотки).

Магниты устанавливаются с чередованием полюсов, и соответственно их количество определяет количество пар полюсов. Но это не значит, что сколько магнитов, то столько же и пар полюсов. Несколько магнитов могут формировать один полюс. От числа полюсов, как в случае и с асинхронным двигателем (и другими) зависит число оборотов в минуту. То есть от одного контроллера на одинаковых настройках бесколлекторные двигатели с разным числом пар полюсов будут вращаться с разной скоростью.

Виды БДПТ

Теперь давайте разберемся, какими бывают бесколлекторные двигатели на постоянных магнитах. Их классифицируют по форме противо-ЭДС, конструкции, а также по наличию датчиков положения ротора. Итак, два основных типа отличающихся формой противо-ЭДС, которая наводится в обмотках при вращении ротора:

• BLDC — в них трапецеидальная противо-ЭДС;
• PMSM — противо-ЭДС синусоидальная.

В идеальном случае для них нужны разные источники питания (контроллеры), но на практике они взаимозаменяемы. Но если использовать контроллер с прямоугольными или трапецеидальным выходным напряжением с PMSM-двигателем, то будут слышны характерные звуки, похожие на стук во время вращения.

А по конструкции бесколлекторные двигатели постоянного тока бывают:

• С внутренним ротором. Это более привычное представление электродвигателя, когда статор — это корпус, а вращается вал, расположенный в нём. Часто их называют английским словом «Inrunner». Такой вариант обычно применяют для высокооборотистых электродвигателей
• С внешним ротором. Здесь вращается внешняя часть двигателя с закреплённым на ней валом, в англоязычных источниках его называют «outrunner». Эту схему устройства используют, когда нужен высокий момент.

Выбирают конструкцию в зависимости от того для чего нужен бесколлекторный двигатель в конкретном применении.

Современная промышленность выпускает бесколлекторные двигатели как с датчиками положения ротора, так и без них. Дело в том, что существует множество способов управления БДПТ, для некоторых из них нужны датчики положения, другие определяют положения по ЭДС в обмотках, третьи и вовсе просто подают питание на нужные фазы и электродвигатель самостоятельно синхронизируется с таким питанием и входит в рабочий режим.

Основные характеристики бесколлекторных двигателей постоянного тока:

1. Режим работы — длительный или кратковременный.
2. Максимальное рабочее напряжение.
3. Максимальный рабочий ток.
4. Максимальная мощность.
5. Максимальные обороты, часто указывают не обороты, а KV — об/в, то есть количество оборотов на 1 вольт приложенного напряжения (без нагрузки на валу). Чтобы получить максимальные обороты — умножьте это число на максимальное напряжение.
6. Сопротивление обмотки (чем оно меньше, тем выше КПД), обычно составляет сотые и тысячные доли Ома.
7. Угол опережения фазы (timing) — время, через которое ток в обмотке достигнет своего максимума, это связано с её индуктивностью и законами коммутации (ток в индуктивности не может измениться мгновенно.

Схема подключения

Как было сказано выше, для работы бесколлекторного двигателя нужен специальный контроллер. На алиэкспресс можно найти как комплекты из двигателя и контроллера, так и по отдельности. Контроллер также называют ESC Motor или Electric Speed Controller. Выбирают их по силе тока, отдаваемого в нагрузку.

Обычно подключение электродвигателя к контроллеру не вызывает затруднений и понятно даже для чайников. Главное, что нужно знать — для смены направления вращения нужно изменить подключение любых двух фаз, собственно также, как и в трёхфазных асинхронных или синхронных электродвигателях.

В сети есть и ряд технических решений и схем как сложных, так и для чайников, которые вы можете увидеть ниже.

В этом видеоролике автор рассказывает, как подружить БК моторчик с «ардуиной».

А в этом ролике вы узнаете о различных способах подключения к разным регуляторам и как его можно сделать своими руками. Автор демонстрирует это на примере моторчика от HDD, и пары мощных экземпляров — inrunner и outrunner.

Кстати схему из видео для повторения также прикладываем:

Где применяются бесколлекторные двигатели

Сфера применения таких электродвигателей досрочно широка. Они используются как для привода мелких механизмов: в дисководах CD, DVD-приводах, жёстких дисках, так и в мощных устройствах: аккумуляторе и сетевом электроинструменте (с питанием порядка 12В), радиоуправляемых моделях (например, квадрокоптерах), станках ЧПУ для привода рабочего органа (обычно моторчики с номинальным напряжением 24В или 48В).

Широкое применение БДПТ нашли в электротранспорте, почти все современные мотор-колеса электросамокатов, велосипедов, мотоциклов и автомобилей — это бесколлекторные двигатели. К слову, номинальное напряжение электродвигателей для транспорта лежит в широком пределе, например, мотор-колесо для велосипеда зачастую работает от 36В или от 48В, за редким исключением и больше, а в автомобилях, например, на Toyota Prius порядка 120В, а на Nissan Leaf – доходит до 400, при том что заряжается от сети 220В (это реализуется с помощью встроенного преобразователя).

На самом деле область применения бесколлекторных электродвигателей очень обширна, отсутствие коллекторного узла позволяет его применять опасных местах, а также в местах с повышенной влажностью, без опасений замыканий, искрения или возгорания из-за дефектов в щеточном узле. Благодаря высокому КПД и хорошим массогабаритным показателям они нашли применение и в космической промышленности.

Преимущества и недостатки

Бесколлекторным двигателям постоянного тока, как и другим видам электромашин, присущи определенные достоинства и недостатки.

Преимущества у БДПТ заключаются в следующем:

• Благодаря возбуждению мощными постоянными магнитами (неодимовыми, например) превосходят по моменту и мощности и имеют меньшие габариты, чем асинхронные двигатели. Чем пользуется большинство производителей электротранспорта — от самокатов до автомобилей.
• Нет искрящего щеточно-коллекторного узла, который требует регулярного обслуживания.
• При использовании качественного контроллера в отличие от того же КД не выдают помехи в питающую сеть, что особенно важно в радиоуправляемых устройствах и транспорте с развитым электронным оборудованием в бортовой сети.
• КПД более 80, чаще и 90%.
• Высокая скорость вращения, в отдельных случаях до 100000 об/мин.

Но есть и существенный минус: бесколлекторный двигатель без контроллера — просто кусок железа с медной обмоткой. Он никак не сможет работать. Контроллеры стоят недешево и чаще всего их приходится заказывать в интернет-магазинах или с алиэкспресс. Из-за этого использовать БК-моторы в моделях и устройствах домашнего производства не всегда возможно.

Теперь вы знаете, что такое бесколлекторный двигатель постоянного тока, как он работает и где применяется. Надеемся, наша статья помогла вам разобраться во всех вопросах!

Материалы по теме:

Отличие бесколлекторного двигателя от коллекторного и какой лучше?

Бесщеточный двигатель vs щеточного двигателя

Уже несколько лет мы наблюдаем, как бесщеточный двигатель доминирует в индустрии передовых электродвигателей. Действительно ли имеет значение использовать бесщеточный мотор? Да, конечно. Между ними есть существенная разница.

Давайте посмотрим на основы двигателя постоянного тока. Двигатель постоянного тока — все о магнитах и ​​электромагнетизме.

Противоположно заряженные магниты притягивают друг друга. Основная идея двигателя постоянного тока заключается в том, чтобы удерживать противоположный заряд вращающегося компонента, притянутого к неподвижным магнитам (статору) перед ним, чтобы он генерировал постоянное притяжение. Это движение тяги вперед вызвано физическим поведением электромагнетизма.

Принцип работы мотора

Он основан на том принципе, что, когда токопроводящий проводник помещается в магнитное поле, он испытывает механическую силу, направление которой задается правилом левой руки Флеминга, а его величина определяется
силой, F = BI l  ньютон
Где B — магнитное поле / м2.
I — ток в амперах, а
l — длина катушки в метрах.
Сила, ток и магнитное поле находятся в разных направлениях.

Различия в конструкции щеточного и безщеточного двигателя

Щетки внутри электродвигателей используются для подачи тока на обмотки двигателя через контакты коммутатора. Бесщеточный мотор не имеет токоведущих коммутаторов. Поле внутри бесщеточного двигателя переключается через усилитель, запускаемый коммутирующим устройством, таким как оптический датчик.

В щеточном двигателе постоянного тока используется конфигурация витых проволочных катушек, якоря, действующего как двухполюсный электромагнит. Направленность тока меняется дважды за цикл с помощью коммутатора, механического поворотного переключателя. Это облегчает протекание тока через якорь; таким образом, полюса электромагнита тянут и давят на постоянные магниты вдоль внешней стороны двигателя. Затем коммутатор меняет полярность электромагнита якоря, когда его полюса пересекают полюса постоянных магнитов.

В отличие от бесщеточного двигателя, в качестве внешнего ротора используется постоянный магнит. Кроме того, он использует три фазы катушек и специальный датчик, который отслеживает положение ротора. Когда датчик отслеживает положение ротора, он отправляет опорные сигналы на контроллер. Контроллер, в свою очередь, активирует катушки структурированным образом — одна фаза за другой.

Бесщеточный мотор преимущества и недостатки

Бесщеточный мотор гарантирует более длительный срок службы, поскольку на самом деле нет щетки, чтобы его изнашивать. Они могут работать более 1000 часов. Безщеточные моторы более энергоэффективны, чем щеточные.

Однако они изначально стоят дороже, чем щеточные моторы. Вам также необходимо коммутировать устройства, такие как кодировщики и контроллеры.

Щеточный двигатель сильно шумит, тогда как их бесщеточные аналоги менее шумные. Бесщеточный двигатель также предлагает более высокое отношение крутящего момента к весу. Что еще? Нет необходимости иметь дело с ионизирующими искрами от коммутатора и электромагнитными помехами.

Чем отличается коллекторный двигатель от асинхронного

Электричество сегодня является одним из самых востребованных источников энергии. Для его использования применяют специальные механизмы, которые способны преобразовывать ток во вращательную силу.

Одними из самых популярных систем являются коллекторные двигатели. Встречаются они повсеместно, так как отличаются простотой и функциональностью.

Особенности коллекторного устройства

Двигатели такого типа относятся к механизмам постоянного тока. Поэтому они встречаются в большинстве случаев в бытовых приборах, таких как стиральные машины. Устройство и принцип работы коллекторного мотора можно описать несколькими пунктами:

1. Движущей частью двигателя является якорь, который состоит из множества пластинок. Он окружен специальными магнитами. Ток подается на двигатель с помощью щеток.
2. Чтобы ротор постоянно вращался, нужно периодически менять направление тока. Поэтому щетки подключаются к пластинам, которые разделены между собой. Количество сегментов зависит от числа движущихся рамок.

Благодаря такой конструкции двигатель и называют коллекторным. Недостатком конструкции можно считать наличие щеток, которые со временем могут повреждаться или стираться.

Асинхронные моторы

Двигатели такого типа появились довольно давно и очень часто применяются в промышленности. Это обусловлено тем, что здесь используют трехфазные электрические сети. Принцип работы такой системы можно описать несколькими последовательными шагами:

1. Статор мотора представляет собой обмотку из медной проволоки. Она может быть двух- или трехфазной. При подаче на него тока появляется магнитное поле.
2. Ротор же представляет собой металлический цилиндр, который способен вращаться на подшипниках. Когда возбуждается магнитное поле в обмотке статора, это продуцирует аналогичное явление и в роторе. По-простому цилиндр просто старается догнать поле и это приводит к появлению вращения. Обусловлено это небольшим смещением фаз, которое может быть разным в зависимости от типа мотора.

Смотрите также:

Как работают камеры видеонаблюдения http://euroelectrica.ru/kak-rabotayut-kameryi-videonablyudeniya/.

Интересное по теме: Как подключить газовый котел к системе отопления

Советы в статье «Приточные установки от магазина «Вент-заводы».» здесь.

Отличительной особенностью асинхронного двигателя является отсутствие скользящего контакта (в коллекторном моторе это щетки и сам коллектор). Поэтому такие механизмы намного надежней, чем конструкции на основе коллекторов. Обслуживать асинхронные модификации нужно не так часто. Коллекторный двигатель невозможно сделать с большой мощностью, что ограничивает среду их применения.

Принцип работы универсального коллекторного двигателя — Moy-Instrument.Ru

Универсальный двигатель

Конструкция универсального электродвигателя

Конструкция универсального коллекторного электродвигателя не имеет принципиальных отличий от конструкции коллекторного электродвигателя постоянного тока с обмотками возбуждения, за исключением того, что вся магнитная система (и статор, и ротор) выполняется шихтованной и обмотка возбуждения делается секционированной. Шихтованная конструкция и статора, и ротора обусловлена тем, что при работе на переменном токе их пронизывают переменные магнитные потоки, вызывая значительные магнитные потери.

Секционирование обмотки возбуждения вызвано необходимостью изменения числа витков обмотки возбуждения с целью сближения рабочих характеристик при работе электродвигателя от сетей постоянного и переменного тока [2].

Универсальный коллекторный электродвигатель может быть выполнен как с последовательным, так и с параллельным и независимым возбуждением.

В настоящее время универсальные коллекторные электродвигатели выполняют только с последовательным возбуждением .

Принцип работы универсального двигателя

Возможность работы универсального двигателя от сети переменного тока объясняется тем, что при изменении полярности подводимого напряжения изменяются направления токов в обмотке якоря и в обмотке возбуждения. При этом изменение полярности полюсов статора практически совпадает с изменением направления тока в обмотке якоря. В итоге направление электромагнитного вращающего момента не изменяется:

,

• где M — электромагнитный момент, Н∙м,
• – постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами двигателя,
• – ток в обмотке якоря, А,
• Ф — основной магнитный поток, Вб.

В качестве универсального используют двигатель последовательного возбуждения, у которого ток якоря является и током возбуждения, что обеспечивает почти одновременное изменение направления тока в обмотке якоря I_а и магнитного потока возбуждения Ф при переходе от положительного полупериода переменного напряжения сети к отрицательному.

Если двигатель подключить к сети синусоидального переменного тока, то ток якоря I_a и магнитный поток Ф будут изменяться по синусоидальному закону:

,

• где i — ток, А,
• – амплитуда тока, А,
• – частота, рад/c.

,

• где – наибольшее значение магнитного потока, Вб,
• – угол сдвига фаз между током возбуждения и магнитным потоком, обусловленный магнитными потерями в двигателе, рад.

Отсюда получим формулу электромагнитного момента коллекторного двигателя последовательного возбуждения, включенного в сеть синусоидального переменного тока, Нм:

.

.

Первая часть выражения представляет собой постоянную составляющую электромагнитного момента M_пост , а вторая часть — переменную составляющую этого момента М_пер , изменяющуюся во времени с частотой, равной удвоенной частоте напряжения питания.

Таким образом, результирующий электромагнитный момент при работе двигателя от сети переменного тока пульсирует. Пульсации электромагнитного момента практически не нарушают работу двигателя. Объясняется это тем, что при значительной частоте пульсаций электромагнитного момента () и большом моменте инерции якоря вращение последнего оказывается равномерным.

Особенности универсального двигателя

Коэффициент полезного действия универсального двигателя при его работе от сети переменного тока более низкий, чем при его работе от сети постоянного тока. Другой недостаток универсального двигателя — тяжелые условия коммутации, вызывающие интенсивное искрение на коллекторе при включении двигателя в сеть переменного тока. Этот недостаток объясняется наличием трансформаторной связи между обмотками возбуждения и якоря, что ведет к наведению в коммутируемых секциях трансформаторной ЭДС, ухудшающей процесс коммутации в двигателе.

Наличие щеточно-коллекторного узла является причиной ряда недостатков универсальных коллекторных двигателей, особенно при их работе на переменном токе (искрение на коллекторе, радиопомехи, повышенный шум, невысокая надежность). Однако эти двигатели по сравнению с асинхронными и синхронными при частоте питающего напряжения f = 50 Гц позволяют получать частоту вращения до 10 000 об/мин и более (наибольшая синхронная частота вращения при f = 50 Гц равна 3000 об/мин) [3].

Области использования

Благодаря тому, что универсальный двигатель может иметь высокую скорость вращения при работе от однофазной сети переменного тока без использования дополнительных преобразовательных устройств, он получил широкое применение в таких домашних приборах как пылесосы, блендеры, фены и др. Так же универсальный электродвигатель широко используется в таких инструментах, как дрели и шуруповерты.

Благодаря тому, что скорость вращения универсального двигателя легко регулируется изменением величины питающего напряжения ранее он широко использовался в стиральных машинах. Сейчас благодаря развитию преобразовательной техники более широкое использование получают бесщеточные электродвигатели (СДПМ, АДКР) скорость вращения которых регулируется изменением частоты напряжения питания.

Универсальные коллекторные двигатели

Универсальные коллекторные двигатели — это электродвигатели малой мощности последовательного возбуждения с секционированной обмоткой возбуждения, благодаря чему они могут работать как на постоянном, так и на переменном стандартных напряжениях примерно с одинаковыми свойствами и характеристиками. Такие электродвигатели используют для привода маломощных быстроходных устройств и многих бытовых приборов. Они допускают простое, широкое и плавное регулирование скорости.

По своему устройству эти двигатели отличаются от двигателей постоянного тока общего применения конструкцией статора, магнитную систему которого собирают из топких изолированных друг от друга листов электротехнической стали с выступающими полюсами, на которых размещают по две секции обмотки возбуждения. Эти секции соединяют последовательно с якорем и располагают по обе стороны от его выводов, что снижает радиопомехи от ценообразования на коллекторе под щетками, которое при питании двигателя от сети переменного напряжения особенно усиливается из-за существенного ухудшения условий коммутации.

В зависимости от конструкции двигателя обмотка возбуждения может быть соединена с якорем внутри машины или может иметь самостоятельные наружные зажимы, что удобнее для изменения направления вращения якоря путем перемены мест проводов, подходящих к его зажимам или к зажимам обмотки возбуждения. Якорь универсальных двигателей устроен так же, как и якорь машин постоянного тока, а обмотка его присоединена к коллекторным пластинам, к которым прижаты щетки.

Пуск этих двигателей выполняют непосредственным включением в сеть постоянного или переменного напряжения, которое соответствует номинальному напряжению, указанному в ее табличке.

Скорость якоря универсального коллекторного двигателя последовательного возбуждения прямо пропорциональна напряжению на его зажимах и обратно пропорциональна амплитуде магнитного потока, зависящей от нагрузки на валу электродвигателя.

Механические характеристики у таких электродвигателей отличаются в зависимости от того на каком напряжении (переменном или постоянном) работает электродвигатель, так как при питании от сети постоянного напряжения присутствует только падение напряжения, созданное сопротивлениями обмоток возбуждения и якоря постоянному току, в то время как при присоединении к сети переменного напряжения возникает еще значительное индуктивное падение напряжения на обмотках возбуждения и якоря. Кроме этого, при переменном токе при малой скорости якоря имеет место значительный сдвиг фаз между напряжением и током, что резко снижает момент на валу двигателя.

Для получения примерно одинаковых механических характеристик на переменном и постоянном токе включают секционированную обмотку возбуждения двигателя на постоянный ток полностью, а при включении на переменный ток — частично, для чего двигатель присоединяют к соответствующей сети зажимами с обозначениями «+» и » — » или зажимами с обозначениями «

При номинальных режимах, отвечающих питанию от сети постоянного и переменного напряжений, номинальная скорость якоря одинакова. Однако при перегрузке двигателя, присоединенного к сети переменного напряжения, скорость якоря уменьшается сильнее, а при разгрузке возрастает быстрее, чем при работе его от сети постоянного напряжения.

При холостом ходе скорость якоря может превысить номинальную в 2,5 — 4 раза и выше, а это не допустимо из-за значительных центробежных сил, которые могут разрушить якорь. По этой причине режим холостого хода допустим только для двигателей малой номинальной мощности с относительно большими механическими потерями, ограничивающими скорость якоря. Двигатели с незначительными механическими потерями всегда должны нести нагрузку не менее 25% номинальной.

Регулирование скорости якоря осуществляют изменением напряжения на зажимах машины, а также шунтированием обмотки возбуждения или обмотки якоря резистором. Из этих способов полюсное регулирование, осуществляемое параллельным включением обмотки возбуждения регулируемого резистора, является наиболее экономичным.

Основным преимуществом универсальных коллекторных двигателей по сравнению с асинхронными и синхронными двигателями является то, что они развивают значительный начальный пусковой момент благодаря последовательной обмотке возбуждения и позволяют без применения повышающего редуктора получить скорость якоря значительно выше синхронной.

Быстроходность универсальных коллекторных двигателей ограничивает их размеры и массу.

Номинальный к. п. д. этих машин зависит от их номинальной мощности, быстроходности и рода тока. Так, у двигателей номинальной мощностью от 5 до 100 Вт он составляет от 0,25 до 0,55, а в машинах номинальной мощностью до 600 Вт его значение доходит до 0,70 и выше, причем работа двигателей на переменном токе всегда сопровождается пониженным к. п. д., что вызвано повышенными магнитными и электрическими потерями. Номинальный коэффициент мощности этих двигателей составляет 0,70 — 0,90.

Устройство и схема подключения коллекторного двигателя переменного тока

Коллекторные двигатели переменного тока достаточно широко применяются как силовые агрегаты бытовой техники, ручного электроинструмента, электрооборудования автомобилей, систем автоматики. Схема подключения двигателя, а также его устройство напоминают схему и устройство электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.

Область применения таких моторов обусловлена их компактностью, малым весом, легкостью управления, сравнительно невысокой стоимостью. Наиболее востребованы в этом производственном сегменте электродвигатели малой мощности с высокой частотой вращения.

• Особенности конструкции и принцип действия
• Упрощенная схема подключения
• Управление работой двигателя
• Преимущества и недостатки
• Типичные неисправности

Особенности конструкции и принцип действия

По сути, коллекторный двигатель представляет собой достаточно специфичное устройство, обладающее всеми достоинствами машины постоянного тока и, в силу этого, обладающее схожими характеристиками. Отличие этих двигателей состоит в том, что корпус статора мотора переменного тока для снижения потерь на вихревые токи выполняется из отдельных листов электротехнической стали. Обмотки возбуждения машины подключаются последовательно для оптимизации работы в бытовой сети 220в.

Могут быть как одно-, так и трехфазными; благодаря способности работать от постоянного и переменного тока называются ещё универсальными. Кроме статора и ротора конструкция включает щеточно-коллекторный механизм и тахогенератор. Вращение ротора в коллекторном электродвигателе возникает в результате взаимодействия тока якоря и магнитного потока обмотки возбуждения. Через щетки ток подается на коллектор, собранный из пластин трапецеидального сечения и является одним из узлов ротора, последовательно соединенного с обмотками статора.

В целом принцип работы коллекторного мотора можно наглядно продемонстрировать с помощью известного со школы опыта с вращением рамки, помещенной между полюсами магнитного поля. Если через рамку протекает ток, она начинает вращаться под действием динамических сил. Направление движения рамки не меняется при изменении направления движения тока в ней.

Последовательное подсоединение обмоток возбуждения дает большой максимальный момент, но появляются большие обороты холостого хода, способные привести к преждевременному выходу механизма из строя.

Упрощенная схема подключения

Типовая схема подключения может предусматривать до десяти выведенных контактов на контактной планке. Ток от фазы L протекает до одной из щеток, затем передается на коллектор и обмотку якоря, после чего проходит вторую щетку и перемычку на обмотки статора и выходит на нейтраль N. Такой способ подключения не предусматривает реверс двигателя вследствие того, что последовательное подсоединение обмоток ведет к одновременной замене полюсов магнитных полей и в результате момент всегда имеет одно направление.

Направление вращения в этом случае можно изменить, только поменяв местами выхода обмоток на контактной планке. Включение двигателя «напрямую» выполняется только с подсоединенными выводами статора и ротора (через щеточно-коллекторный механизм). Вывод половины обмотки используется для включения второй скорости. Следует помнить, что при таком подключении мотор работает на полную мощность с момента включения, поэтому эксплуатировать его можно не более 15 секунд.

Управление работой двигателя

На практике используются двигатели с различными способами регулирования работы. Управление коллекторным мотором может осуществляться с помощью электронной схемы, в которой роль регулирующего элемента выполняет симистор, «пропускающий» заданное напряжение на мотор. Симистор работает, как быстросрабатывающий ключ, на затвор которого приходят управляющие импульсы и открывают его в заданный момент.

В схемах с использованием симистора реализован принцип действия, основанный на двухполупериодном фазовом регулировании, при котором величина подаваемого на мотор напряжения привязана к импульсам, поступающим на управляющий электрод. Частота вращения якоря при этом прямо пропорциональна приложенному к обмоткам напряжению. Принцип работы схемы управления коллекторным двигателем упрощенно описывается следующими пунктами:

• электронная схема подает сигнал на затвор симистора;
• затвор открывается, по обмоткам статора течет ток, придавая вращение якорю М двигателя;
• тахогенератор преобразует в электрические сигналы мгновенные величины частоты вращения, в результате формируется обратная связь с импульсами управления;
• в результате ротор вращается равномерно при любых нагрузках;
• реверс электродвигателя осуществляется с помощью реле R1 и R

Помимо симисторной существует фазоимпульсная тиристорная схема управления.

Преимущества и недостатки

К неоспоримым достоинствам таких машин следует отнести:

• компактные габариты;
• увеличенный пусковой момент; «универсальность» — работа на переменном и постоянном напряжении;
• быстрота и независимость от частоты сети;
• мягкая регулировка оборотов в большом диапазоне с помощью варьирования напряжения питания.

Недостатком этих двигателей принято считать использование щеточно-коллекторного перехода, который обуславливает:

• снижение долговечности механизма;
• искрение между и коллектором и щетками;
• повышенный уровень шумов;
• большое количество элементов коллектора.

Типичные неисправности

Наибольшего внимания к себе требует щеточно-коллекторный механизм, в котором наблюдается искрение даже при работе нового двигателя. Сработанные щетки следует заменить для предотвращения более серьезных неисправностей: перегрева ламелей коллектора, их деформации и отслаивания. Кроме того, может произойти межвитковое замыкание обмоток якоря или статора, в результате которого происходит значительное падение магнитного поля или сильное искрение коллекторно-щеточного перехода.

Избежать преждевременного выхода из строя универсального коллекторного двигателя может грамотная эксплуатация устройства и профессионализм изготовителя в процессе сборки изделия.

Принцип работы коллекторного двигателя

Принцип действия коллекторного электродвигателя (рис.) основан на следующем: если проводник с током — рамку прямоугольной формы, имеющую ось вращения, — поместить между полюсами постоянного магнита (или электромагнита), то эта рамка начнет вращаться. Направление вращения будет зависеть от направления тока в рамке. Ток в рамку от источника постоянного тока может подаваться через контакты-полукольца, прикрепленные к концам рамки, и через упругие скользящие контакты — щетки (рис, а). Отметим, что вращающаяся часть электродвигателя называется якорем, а неподвижная — статором.
Контакты-полукольца обеспечивают переключение тока в рамке через каждые пол-оборота, т. е. непрерывное вращение рамки в одном направлении. У реальных коллекторных двигателей таких рамок много, поэтому вся контактная окружность делится уже не на две, а на большее количество контактов.

Рис.. Коллекторный электродвигатель: а — принцип действия; б — учебный коллекторный двигатель; в — якори учебных коллекторных двигателей; г — якорь реального электродвигателя
Эти контакты образуют коллектор — отсюда и название этого электродвигателя. Контакты коллектора изготовляют из меди, а щетки — из графита. Простейший ремонт электродвигателя заключается в замене щеток, запасной комплект которых часто прилагается при продаже устройств с такими двигателями.
Коллекторные электродвигатели имеют широкое применение

Коллекторные электродвигатели. Они названы по одному из узлов ротора — коллектору (цилиндр, набранный из изолированных пластинок меди, к которому припаяны концы проводов обмотки). С коллектором соприкасаются щетки статора. Коллектор подводит ток к обмотке ротора, последовательно соединенной с обмоткой статора.

Коллекторные электродвигатели отличаются высокой скоростью вращения ротора, поэтому их используют в таких изделиях и машинах, как пылесосы, кухонные машины, и др. Они имеют малые массу и габаритные размеры. Для бытовых машин в основном применяют универсальный встраиваемый коллекторный электрический двигатель.

Коллекторные двигатели, работающие от источника переменного и постоянного тока, называют универсальными. Существуют двигатели для работы на низком напряжении от источников тока. Коллекторные двигатели развивают большие скорости вращения без нагрузки, поэтому их пуск в бытовых машинах чаще всего осуществляется под нагрузкой, для чего приводимые в движение части машины насаживают непосредственно на вал двигателя, например вентилятор у пылесоса.

В процессе эксплуатации коллекторных двигателей проявляются такие их недостатки, как повышенный уровень шума, создание помех радиоприему, искрение и выход из строя угольных щеток, сложность ухода. Такие двигатели являются менее надежными, слож­ными в производстве и дорогостоящими. Однако они имеют и ряд существенных преимуществ перед асинхронными, благодаря которым и используются в бытовых машинах. Это хорошие пусковые данные, возможность получения больших скоростей вращения (до 25000 об/мин) и плавной регулировки скорости в широких пределах, универсальность.

Эффективность работы двигателя в бытовых приборах зависит от соблюдения требований к режиму работы изделия, который обязательно указывается в эксплуатационном документе. Особенно важно соблюдение этих требований для изделий и машин с кратковременным и повторно-кратковременным режимами работу (фены, миксеры и др.), чтобы исключить перегрев двигателя и выход его из строя.

По способу охлаждения двигатели подразделяются на двигатели с естественным и искусственным охлаждением. Кроме того, необходимо вентилирующее приспособление, особенно независимое, которое следует поддерживать в рабочем состоянии.

Коллекторный двигатель постоянного и переменного тока

В бытовом электрооборудовании, где используются электродвигатели, как правило, устанавливаются электромашины с механической коммутацией. Такой тип двигателей называют коллекторными (далее КД). Предлагаем рассмотреть различные виды таких устройств, их принцип действия и конструктивные особенности. Мы также расскажем о достоинствах и недостатках каждого из них, приведем примеры сферы применения.

Что такое коллекторный двигатель?

Под таким определением подразумевается электромашина, преобразовывающая электроэнергию в механическую, и наоборот. Конструкция устройства предполагает наличие хотя бы одной обмотки подсоединенной к коллектору (см. рис. 1).

Рисунок 1. Коллектор на роторе электродвигателя (отмечен красным)

В КД данный элемент конструкции используется для переключения обмоток и в качестве датчика, позволяющего определить положение якоря (ротора).

Виды КД

Классифицировать данные устройства принято по типу питания, в зависимости от этого различают две группы КД:

1. Постоянного тока. Такие машины отличаются высоким пусковым моментом, плавным управлением частоты вращения и относительно простой конструкцией.
2. Универсальные. Могут работать как от постоянного, так и переменного источника электроэнергии. Отличаются компактными размерами, невысокой стоимостью и простотой управления.

Первые, делятся на два подвида, в зависимости от организации индуктора он может быть на постоянных магнитах или специальных катушках возбуждения. Они служат для создания магнитного потока, необходимого для образования вращательного момента. КД, где используются катушки возбуждения, различают по типам обмоток, они могут быть:

• независимыми;
• параллельными;
• последовательными;
• смешанными.

Разобравшись с видами, рассмотрим каждый из них.

КД универсального типа

На рисунке ниже представлен внешний вид электромашины данного типа и ее основные элементы конструкции. Данное исполнение характерно практически для всех КД.

Конструкция универсального коллекторного двигателя

Обозначения:

• А – механический коммутатор, его также называют коллектором, его функции были описаны выше.
• В – щеткодержатели, служат для крепления щеток (как правило, из графита), через которые напряжение поступает на обмотки якоря.
• С – Сердечник статора (набирается из пластин, материалом для которых служит электротехническая сталь).
• D – Обмотки статора, данный узел относится к системе возбуждения (индуктору).
• Е – Вал якоря.

У устройств данного типа, возбуждение может быть последовательным и параллельным, но поскольку последний вариант сейчас не производят, мы его не будем рассматривать. Что касается универсальных КД последовательного возбуждения, то типовая схема таких электромашин представлена ниже.

Схема универсального коллекторного двигателя

Универсальный КД может работать от переменного напряжения благодаря тому, что когда происходит смена полярности, ток в обмотках возбуждения и якоря также меняет направление. В результате этого вращательный момент не изменяет своего направления.

Особенности и область применения универсальных КД

Основные недостатки данного устройства проявляются при его подключении к источникам переменного напряжения, что отражается в следующем:

• снижение КПД;
• повышенное искрообразование в щеточно-коллекторном узле, и как следствие, его быстрый износ.

Ранее КД широко применялись, во многих бытовых электроприборах (инструмент, стиральные машины, пылесосы и т.д.). На текущий момент производители практически престали использовать данный тип двигателей отдав предпочтение безколлекторным электромашинам.

Теперь рассмотрим коллекторные электромашины, работающие от источников постоянного напряжения.

КД с индуктором на постоянных магнитах

Конструктивно такие электромашины отличаются от универсальных тем, что вместо катушек возбуждения используются постоянные магниты.

Конструкция коллекторного двигателя на постоянных магнитах и его схема

Этот вид КД получил наибольшее распространение по сравнению с другими электромашинами данного типа. Это объясняется невысокой стоимостью вследствие простоты конструкции, простым управлением скорости вращения (зависит от напряжения) и изменением его направления (достаточно изменить полярность). Мощность двигателя напрямую зависит от напряженности поля, создаваемого постоянными магнитами, что вносит определенные ограничения.

Основная сфера применения – маломощные приводы для различного оборудования, часто используется в детских игрушках.

КД на постоянных магнитах с игрушки времен СССР

К числу преимуществ можно отнести следующие качества:

• высокий момент силы даже на низкой частоте оборотов;
• динамичность управления;
• низкая стоимость.

Основные недостатки:

• малая мощность;
• потеря магнитами своих свойств от перегрева или с течением времени.

Для устранения одного из основных недостатков данных устройств (старения магнитов) в системе возбуждения используются специальные обмотки, перейдем к рассмотрению таких КД.

Независимые и параллельные катушки возбуждения

Первые получили такое название вследствие того, что обмотки индуктора и якоря не подключаются друг к другу и запитываются отдельно (см. А на рис. 6).

Рисунок 6. Схемы КД с независимой (А) и параллельной (В) обмоткой возбуждения

Особенность такого подключения заключается в том, что питание U и U_K должны отличаться, в противном случае н возникнет момент силы. Если невозможно организовать такие условия, то катушки якоря и индуктора подключается параллельно (см. В на рис. 6). Оба вида КД обладают одинаковыми характеристиками, мы сочли возможным объединить их в одном разделе.

Момент силы у таких электромашин высокий при низкой частоте вращения и уменьшается при ее увеличении. Характерно, что токи якоря и катушки независимы, а общий ток является суммой токов, проходящих через эти обмотки. В результат этого, при падении тока катушки возбуждения до 0, КД с большой вероятностью выйдет из строя.

Сфера применения таких устройств – силовые установки с мощностью от 3 кВт.

Положительные черты:

• отсутствие постоянных магнитов снимает проблему их выхода из строя с течением времени;
• высокий момент силы на низкой частоте вращения;
• простое и динамичное управление.

Минусы:

• стоимость выше, чем у устройств на постоянных магнитах;
• недопустимость падения тока ниже порогового значения на катушке возбуждения, поскольку это приведет к поломке.

Последовательная катушка возбуждения

Схема такого КД представлена на рисунке ниже.

Схема КД с последовательным возбуждением

Поскольку обмотки включены последовательно, то ток в них будет равным. В результате этого, когда ток в обмотке статора становится меньше, чем номинальный (это происходит при небольшой нагрузке), уменьшается мощность магнитного потока. Соответственно, когда нагрузка увеличивается, пропорционально увеличивается мощность потока, вплоть до полного насыщения магнитной системы, после чего эта зависимость нарушается. То есть, в дальнейшем рост тока в обмотке катушки якоря не приводит к увеличению магнитного потока.

Указанная выше особенность проявляется в том, что КД данного типа непозволительно запускать при нагрузке на четверть меньше номинальной. Это может привести к тому, что ротор электромашины резко увеличит частоту вращения, то есть, двигатель пойдет «в разнос». Соответственно, такая особенность вносит ограничения на сферу применения, например, в механизмах с ременной передачей. Это связано с тем, что при ее обрыве электромашина начинает работать в холостом режиме.

Указанная особенность не распространяется на устройства, чья мощность менее 200 Вт, для них допустимы падения нагрузки вплоть до холостого режима работы.

Преимущества КД с последовательной катушкой, такие же, как у предыдущей модели, за исключением простоты и динамичности управления. Что касается минусов, то к ним следует отнести:

• высокую стоимость в сравнении с аналогами на постоянных магнитах;
• низкий уровень момента силы при высокой частоте оборотов;
• поскольку обмотки статора и возбуждения подключены последовательно, возникают проблемы с управлением скоростью вращения;
• работа без нагрузки приводит к поломке КД.

Смешанные катушки возбуждения

Как видно из схемы, представленной на рисунке ниже, индуктор на КД данного типа обладает двумя катушками, подключенных последовательно и параллельно обмотке ротора.

Схема КД со смешанными катушками возбуждения

Как правило, одна из катушек обладает большей намагничивающей силой, поэтому она считается, как основная, соответственно, вторая – дополнительная (вспомогательная). Допускается встречное и согласованное включение катушек, в зависимости от этого интенсивность магнитного потока соответствует разности или сумме магнитных сил каждой обмотки.

При встречном включении характеристики КД становятся близкими к соответствующим показателям электромашин с последовательным или параллельным возбуждением (в зависимости от того, какая из катушек является основной). То есть, такое включение актуально, если необходимо получить результат в виде неизменной частоты оборотов или их увеличению при возрастании нагрузки.

Согласованное включение приводит к тому, что характеристики КД будут соответствовать среднему значению показателями электромашин с параллельными и последовательными катушками возбуждения.

Единственный недостаток такой конструкции – самая высокая стоимость в сравнении с другими типами КД. Цена оправдывается благодаря следующими положительными качествами:

• не устаревают магниты, за отсутствием таковых;
• малая вероятность выхода из строя при нештатных режимах работы;
• высокий момент силы на низкой частоте вращения;
• простое и динамичное управление.

Коллекторный двигатель: Устройство, виды и принцип работы

Большое количество оборудования имеет силовые установки, работающие от электрической сети питания. Коллекторный двигатель это силовая установка, преобразующая электрическую энергию в физическую силу. Отличие коллекторного двигателя от бесколлекторного состоит в наличии коллекторно-щеточного узла.

Виды коллекторных двигателей

В зависимости от источника тока, к которому подключается мотор, коллекторные установки делят на два вида:

• Работающий от источника постоянного тока. Используются в автомобилях, самоходной технике, детских игрушках и т.д. Отличаются простотой конструкции. Подключаются только к источнику постоянного тока;
• Универсальный коллекторный двигатель. Работает как от постоянного, так и от переменного тока. Применяется в бытовых электрических приборах.

СПРАВКА: Универсальный коллекторный силовой агрегат отличается простотой конструкции и небольшими габаритно массовыми параметрами. Благодаря этому может быть использован в качестве силовой установки ручного инструмента.

В зависимости от максимальной мощности силовые установки делятся на три типа:

1. Небольшой мощности. Используются в детских игрушках, аудио – видеотехнике и т.д. Напряжение питания таких установок составляет от 1.5 до 9 Вольт. Оси якоря устанавливаются на специализированные втулки. Они играют роль подшипников скольжения. Токопроводящие щетки выполнены в виде двух пластин;
2. Средней мощности. Якорь устанавливается на втулках или подшипниках. Применяются на автомобильной и самоходной технике. Напряжение питания составляет от 12 до 24 вольта;
3. Высокой мощности. Отличаются высокими показателями мощности и наличием электрических магнитов.

Устройство коллекторного двигателя

Для того чтобы понять как работает коллекторный двигатель, необходимо разобраться в его конструкции. Независимо от вида силового агрегата он состоит из следующих основных элементов:

• Якорь. Состоит из металлического вала, на который установлены обмотки. Вал устанавливается на подшипниках скольжения или качения в корпусе мотора. Якорь является движущейся частью мотора, которая передаёт крутящий момент к необходимому оборудованию;
• Коммутатор (коллектор). Необходим для определения положения якоря. Располагается на роторе. Выполнен в виде медных контактов трапециевидного сечения;

• Щётки. Изготовлены из графита. Щетки используются для подачи напряжения к обмоткам ротора;
• Держатели щёток. Изготавливаются из металла или пластика. Держатели щёток устанавливаются на корпус мотора при помощи не проводящих ток прокладок. Такая конструкция исключает подачу напряжения на корпус мотора;

ВАЖНО: Щётки или держатели оснащаются пружинами. Они необходимы для прижимания щетки к коллектору во время работы силовой установки.

• Подшипники. На небольших моторах используются пластиковые или металлические втулки. Мотор оборудован двумя подшипниками. Они необходимы для нормального вращения вала якоря;
• Сердечник статора. Изготавливается из большого количества металлических пластин;
• Обмотки. Необходимы для создания магнитного поля.

Принцип работы коллекторного двигателя

Коллекторный двигатель переменного тока 220 Вольт и мотор постоянного тока, преобразуют электрическую энергию в физическую силу. Создание физической силы осуществляется путём раскручивания якоря, установленного на двух подшипниках в корпусе мотора.

Ротор и статор силового агрегата имеют обмотки. Они изготовлены из провода. Во избежание замыкание витков обмотки между собой провод выполнен в изолирующей оболочке. Напряжение подается на обмотку статора при помощи провода.

Якорь коллекторного мотора подвижный. Для передачи напряжения на обмотку якоря используется коллектор.

Он выполнен в виде медных контактов. На них передаётся напряжение через графитовые щетки. Такая конструкция позволяет передавать напряжение на обмотку якоря независимо от скорости его вращения.

При прохождении электрического тока через обмотки возникает магнитное поле. Обмотка якоря имеет магнитное поле противоположной полярности полю обмотки статора. Под воздействием электромагнитных полей разной полярности якорь двигателя начинает вращаться.

ВНИМАНИЕ: Коллекторный двигатель может быть использован в качестве генератора постоянного тока.

Варианты обмоток возбуждения

Подключить коллекторный двигатель постоянного тока можно несколькими способами. Возбуждение мотора зависит от способа подключения обмоток.

• Независимое подключение. Обмотки мотора постоянного тока подключаются отдельно. Для подключения используется два источника постоянного тока. Обмотка статора оснащается реостатом. Он необходим для установки необходимой частоты вращения ротора. Обмотка ротора оборудуется пусковым реостатом. Он нужен для контроля над силой тока в обмотке ротора при запуске силовой установки;
• Параллельное подключение. Питание обмоток якоря и статора осуществляется от одного и того же источника питания. Обмотки оснащены регуляторами;
• Последовательно-соединенное. Электродвигатель такой конструкции имеет обмотку статора, последовательно подключенную с обмоткой якоря. Ротор может быть оснащен регулятором, необходимым для ограничения силы тока при запуске. Статор оснащается реостатом, регулирующим в частоту вращения вала.

ВАЖНО: Использование коллекторного мотора с последовательным подключением без нагрузки, может привести к выходу его из строя.

• Смешанное возбуждение. Данная конструкция использует две катушки подключенные параллельно, и последовательно одновременно.

Преимущества и недостатки коллекторного двигателя

Однофазный коллекторный двигатель переменного тока или аналогичный работающий от источника постоянного тока имеют плюсы и минусы.

1. Однофазный мотор коллекторного типа ( универсальный), можно подключить к любой сети питания. Такая конструкция позволяет использовать мотор от источника питания переменного тока, без использования выпрямителей;
2. В отличие от бесколлекторных двигателей, модели с коллекторами имеют небольшие размеры. Это позволяет использовать силовые установки для монтажа на электрический инструмент, детские игрушки, и т.п;
3. Небольшая сила тока при запуске. Позволяет использовать моторы от бытовой сети питания;
4. Простота регулировки вращения вала ротора. Для управления оборотами применяется реостат. При выходе из строя регулятора, мотор останется работоспособным;

1. Необходимость регулярного обслуживания. Графитовые щетки при длительной работе стираются. Необходимо вовремя менять щетки на новые. Нарушение этого правила может привести к выходу из строя коллектора;
2. Отсутствие стабильности показателей мощности. При изменении нагрузки на якорь показатели мощности силового агрегата могут изменяться.

Возможные поломки и способы их ремонта

В результате работы коллекторного двигателя могут возникнуть неисправности. Большинство из них самостоятельно сможет устранить человек не имеющий специализированных технических знаний и оборудования. Ниже представлены наиболее часто возникающие неисправности.

Повышенный шум при работе узла. Сильный уровень шума при работе мотора может свидетельствовать о выходе из строя подшипников, на которые установлен якорь.

При выходе из строя подшипников качения необходимо заменить изношенные детали новыми.

Износ щёток. Критическая изношенность щёток сопровождается повышенным уровнем шума при работе. Несвоевременная замена может привести к поломке коллектора. При возникновении неисправности необходимо заменить графитовые щётки. При выборе щёток необходимо обратить внимание на их толщину. Новые детали не должны застревать в держателях.

Отсутствие вращения якоря при подключении мотора к сети питания. Отсутствие вращения может возникнуть в результате обрыва цепи питания. Обрыв может произойти в результате поломки пружины прижимающей щётку к коллектору или при обрыве провода. При поломке пружины необходимо заменить ее новой деталью. При обрыве провода необходимо восстановить его целостность.

Отсутствие вращения ротора может возникнуть в результате выхода из строя предохранителя. Для восстановления работоспособности необходимо установить новый предохранитель. Перед установкой предохранителя необходимо определить причину, по которой старое устройство вышло из строя. После устранения причины можно установить предохранитель и провести испытание двигателя.

Отсутствие регулировки вращения вала якоря. После запуска агрегат работает на максимальных оборотах. Такая неисправность возникает в результате поломки реостата. Для восстановления работоспособности двигателя необходимо заменить регулятор.

Медленное вращение ротора. Снижение частоты вращения вала может возникнуть в результате низкого напряжения в сети питания. Необходимо проверить напряжение. Снижение оборотов якоря может быть спровоцировано высокой нагрузкой. Необходимо снизить нагрузку на якорь.

Из вышеперечисленного следует, что коллекторный мотор преобразовывает электрическую энергию в физическую силу. Для передачи напряжения к обмоткам якоря используются щётки. Моторы отличаются простотой конструкции и небольшими габаритно массовыми параметрами.

двигателей и выбор подходящего

Введение

В любой момент вы находитесь рядом как минимум с одним или двумя типами двигателей. От вибромотора в вашем мобильном телефоне до вентиляторов и CD-привода в вашей любимой игровой системе — двигатели повсюду вокруг нас. Двигатели позволяют нашим устройствам взаимодействовать с нами и окружающей средой. При большом количестве применений для двигателей их конструкция и работа могут варьироваться.

Что вы узнаете

В этом руководстве мы рассмотрим некоторые из этих основных типов двигателей и их использования:

• Щеточные двигатели постоянного тока
• Бесщеточные двигатели
• Шаговые двигатели
• Линейные двигатели

Рекомендуемая литература

Что заставляет мотор двигаться?

Самый расплывчатый и простой ответ — магнетизм! Хорошо, теперь давайте возьмем эту простую силу и превратим ее в суперкар!

Чтобы упростить задачу, нам нужно будет взглянуть на некоторые концепции через призму мысленного эксперимента.Некоторые вольности будут приняты, но если вы хотите разобраться в деталях, вы можете проконсультироваться с доктором Гриффитсом. Для нашего мысленного эксперимента мы собираемся заявить, что магнитное поле создается движущимся электроном , то есть током . Хотя это создает для нас классическую модель, все ломается, когда мы достигаем атомарного уровня. Чтобы лучше понять атомный уровень магнетизма, Гриффитс объясняет это в другой книге …

Электромагнетизм

Чтобы создать магнит или магнитное поле, нам нужно посмотреть, как они создаются.Соотношение между током и магнитным полем подчиняется правилу правой руки. Когда ток проходит через провод, вокруг него образуется магнитное поле в направлении ваших пальцев, когда они его охватывают. Это упрощение закона силы Ампера, действующего на провод с током. Теперь, если вы поместите тот же самый провод в уже существующее магнитное поле, вы можете создать силу. Эта сила называется силой Лоренца.

Правило правой руки показывает направление магнитного поля относительно пути тока.

При увеличении силы тока усиливается магнитное поле. Хотя, чтобы сделать что-то полезное с полем, потребуется невероятное количество тока. Кроме того, провод, по которому подается ток, будет иметь такую ​​же магнитную силу, что создаст неконтролируемые поля. Сгибая проволоку в петлю, можно создать направленное и сосредоточенное поле.

Поле не изменилось. Сгибая проволоку в петлю, направления поля просто выравниваются.

Электромагниты

Закручивая провод и пропуская ток, создается электромагнит. Если одна петля может сконцентрировать поле, что вы можете сделать с другими? Как насчет еще нескольких сотен ! Чем больше петель вы добавите в схему, тем сильнее станет поле для заданного тока. Если это так, то почему мы не видим тысяч **, если не ** миллионов обмоток в двигателях и электромагнитах? Ну, чем длиннее провод, тем выше сопротивление.Закон Ома (V = I * R) гласит, что для поддержания того же тока при увеличении сопротивления напряжение должно увеличиваться. В некоторых случаях имеет смысл использовать более высокие напряжения; в других случаях некоторые используют более крупный провод с меньшим сопротивлением. Использование проволоки большего диаметра дороже и, как правило, с ней труднее работать. Это факторы, которые необходимо учитывать при проектировании двигателя.

Электромагнит под напряжением, создающий магнитное поле.

Время эксперимента

Чтобы создать свой собственный электромагнит, просто найдите болт (или другой круглый стальной предмет), какой-нибудь магнитный провод (калибр 30-22 отлично подойдет) и аккумулятор.

Примечание. Литиевые батареи НЕ рекомендуются для этого эксперимента.

Оберните вокруг стали 75-100 витков проволоки. Использование стального центра дополнительно концентрирует магнитное поле, увеличивая его эффективную силу. Мы рассмотрим, почему это происходит, в следующем разделе.

Немного термоусадки или ленты могут помочь удерживать катушки на стальном центре.

Теперь, используя наждачную бумагу, удалите изоляцию с концов проводов и подключите каждый провод к каждой клемме батареи.Поздравляю! Вы построили первый компонент двигателя! Чтобы проверить силу вашего электромагнита, попробуйте взять скрепки или другие небольшие стальные предметы.

Это не волшебство, это НАУКА !!!

Ферромагнетизм

Если вернуться к началу нашего мысленного эксперимента, магнитные поля могут создаваться только током. Принимая определение тока как поток электронов, электроны, вращающиеся вокруг атома, должны создавать ток и, следовательно, магнитное поле! Если в каждом атоме есть электроны, все ли магнитно? ДА! Любая материя, включая лягушек, может проявлять магнитные свойства, если ей дать достаточно энергии.Но не весь магнетизм создается одинаково. Причина, по которой я могу подбирать винты с магнитом рефридератора, а не с лягушкой, заключается в разнице между ферромагнетизмом и парамагнетизмом. Способ различать эти два (и еще несколько типов) заключается в изучении квантовой механики.

Ферромагнетизм будет в центре нашего внимания, поскольку это сильнейшее явление, с которым у нас больше всего опыта. Кроме того, чтобы избавить нас от необходимости понимать это на квантовом уровне, мы собираемся признать, что атомы ферромагнитных материалов стремятся, , выровнять свои магнитные поля с соседними.Хотя они имеют тенденцию выравниваться, несоответствия в материале и других факторах, таких как кристаллическая структура, создают магнитные домены.

Когда магнитные домены выровнены в случайном порядке, соседние поля нейтрализуют друг друга, что приводит к образованию немагнитного материала. Попав в сильное внешнее поле, эти домены можно перестроить. Выравнивая эти домены, общее поле усиливается, создавая магнит!

Это повторное выравнивание может быть постоянным, в зависимости от силы поля.Это здорово, потому что они нам понадобятся в следующем разделе.

Постоянные магниты

Постоянные магниты ведут себя так же, как электромагниты. Единственная разница в том, что они постоянные.

На всех чертежах стрелки будут указывать от северного полюса к южному полюсу. Другое соглашение — использовать красный цвет для обозначения севера и синий для обозначения юга. Чтобы определить полярность магнитов, вы можете использовать компас. Поскольку противоположности притягиваются, стрелка будет указывать на север к южному полюсу магнита.

Вы можете провести тот же эксперимент с электромагнитом, чтобы определить полярность.

Если вы измените направление тока, вы увидите, как электромагнит может перевернуть свои полюса.

Это ключевой принцип при создании двигателей! Теперь давайте посмотрим на несколько разных двигателей и то, как они используют магниты и электромагниты.

Щеточные двигатели постоянного тока — The Classic

Щеточный двигатель постоянного тока — один из самых простых в использовании на сегодняшний день.Вы можете найти эти моторы где угодно. Они есть в бытовой технике, игрушках и автомобилях. Эти двигатели просты в сборке и управлении, поэтому являются идеальным решением как для профессионалов, так и для любителей.

Анатомия щеточного двигателя

Чтобы лучше понять принцип работы, давайте начнем с демонтажа простого мотора для хобби. Как видите, они просты по конструкции и состоят из нескольких ключевых компонентов.

• Щетки — подает питание от контактов на якорь через коммутатор
Контакты
• — передает питание от контроллера к щеткам
• Коммутатор — подает питание на соответствующий набор обмоток при вращении якоря.
• Обмотки — преобразует электричество в магнитное поле, приводящее в движение ось
• Ось — передает механическую мощность двигателя в приложение пользователя
• Магниты — создают магнитное поле для притяжения и отталкивания обмоток
• Втулка — минимизирует трение оси
• Банка — обеспечивает механический кожух для двигателя

Теория работы

Когда обмотки находятся под напряжением, они притягиваются к магнитам, расположенным вокруг двигателя.При этом двигатель вращается до тех пор, пока щетки не коснутся нового набора контактов коммутатора. Этот новый контакт возбуждает новый набор обмоток и снова запускает процесс. Чтобы изменить направление вращения двигателя, просто поменяйте полярность на контактах двигателя. Искры внутри щеточного двигателя возникают из-за прыжка щетки к следующему контакту. Каждый провод катушки подключается к двум ближайшим контактам коммутатора.

Всегда используется нечетное количество обмоток для предотвращения блокировки двигателя в установившемся режиме.В более крупных двигателях также используется больше наборов обмоток, чтобы помочь устранить «зубчатые зацепки», что обеспечивает плавное управление при низких оборотах в минуту (RPM). Зубчатость можно продемонстрировать, вращая ось двигателя вручную. Вы почувствуете «неровности» при движении там, где магниты находятся ближе всего к обнаженному статору. Зубчатость можно устранить с помощью нескольких конструктивных приемов, но наиболее распространенным является удаление статора целиком. Эти типы двигателей называются двигателями без сердечника или железа.

Плюсы

• Простота управления
• Превосходный крутящий момент при низких оборотах
• Недорогой и серийный

Минусы

• Щетки со временем изнашиваются
• Дуга щеткой может создавать электромагнитный шум
• Обычно скорость ограничена из-за нагрева щеток

Бесщеточные двигатели

— БОЛЬШЕ МОЩНОСТИ!

Бесщеточные двигатели вступают во владение! Хорошо, может, это было преувеличением.Тем не менее, бесщеточные двигатели начали доминировать на рынке хобби между самолетами и наземными транспортными средствами. Управление этими двигателями было препятствием, пока микроконтроллеры не стали дешевыми и достаточно мощными, чтобы справиться с этой задачей. Все еще ведется работа по разработке более быстрых и эффективных контроллеров, чтобы раскрыть их удивительный потенциал. Эти двигатели без отказов щеток обеспечивают большую мощность и работают бесшумно. Большинство высокопроизводительных приборов и транспортных средств переходят на бесщеточные системы. Одним из ярких примеров является Tesla Model S.

Анатомия бесщеточного двигателя

Чтобы лучше понять принцип работы, давайте начнем с демонтажа простого бесщеточного двигателя. Их обычно можно найти на самолетах и ​​вертолетах с дистанционным управлением.

• Обмотки — Преобразует электричество в магнитное поле, которое приводит в движение ротор
Контакты
• — подает питание от контроллера на обмотки
• Подшипники — минимизируют трение оси
• Магниты — создают магнитное поле для притяжения и отталкивания обмоток
• Ось — передает механическую мощность двигателя в приложение пользователя

Теория работы

Механика бесщеточного двигателя невероятно проста.Единственная движущаяся часть — это ротор, в котором находятся магниты. Сложность усложняется в организации последовательности включения обмоток. Полярность каждой обмотки регулируется направлением тока. Анимация демонстрирует простой шаблон, которому будут следовать контроллеры. Переменный ток изменяет полярность, давая каждой обмотке эффект «тяни / толкай». Хитрость заключается в том, чтобы синхронизировать этот рисунок со скоростью ротора. Это можно сделать двумя (широко используемыми) способами.Большинство контроллеров для хобби измеряют создаваемое напряжение (обратные электромагнитные помехи) на обмотке без напряжения. Этот метод очень надежен при работе на высоких скоростях. По мере того как двигатель вращается медленнее, возникающее напряжение становится труднее измерить, и возникает больше ошибок. В новых контроллерах для хобби и во многих промышленных контроллерах используются датчики на эффекте Холла для прямого измерения положения магнитов. Это основной метод управления вентиляторами компьютера.

Плюсы

• Надежный
• Высокая скорость
• Эффективный
• Серийное производство, легко найти

Минусы

• Сложно управлять без специализированного контроллера
• Требуются низкие пусковые нагрузки
• Обычно требуются специальные редукторы для приводов

Шаговые двигатели — Simply Precise

Шаговые двигатели — отличные двигатели для управления положением.Их можно найти в настольных принтерах, плоттерах, 3D-принтерах, фрезерных станках с ЧПУ и во всем остальном, где требуется точное управление положением. Шаговые двигатели — особый сегмент бесщеточных двигателей. Они специально созданы для высокого удерживающего момента. Этот высокий удерживающий момент дает пользователю возможность постепенно «шагать» к следующей позиции. В результате получается простая система позиционирования, не требующая кодировщика. Это делает контроллеры шаговых двигателей очень простыми в сборке и использовании.

Анатомия шагового двигателя

Чтобы лучше понять, как работает один, давайте начнем с разборки простого шагового двигателя.Как видите, эти двигатели созданы для нагрузок с прямым приводом и содержат несколько ключевых компонентов.

• Ось — передает механическую мощность двигателя в приложение пользователя
• Подшипники — минимизируют трение оси
• Магниты — создают магнитное поле для притяжения и отталкивания обмоток
• Poles — Увеличивает разрешение шагового расстояния за счет фокусировки магнитного поля
• Обмотки — преобразует электричество в магнитное поле, приводящее в движение ось
Контакты
• — подает питание от контроллера на обмотки

Теория работы

Шаговые двигатели ведут себя точно так же, как бесщеточные двигатели, только размер шага намного меньше.Единственная движущаяся часть — это ротор, в котором находятся магниты. Сложность усложняется в организации последовательности включения обмоток. Полярность каждой обмотки регулируется направлением тока. Анимация демонстрирует простой шаблон, которому будут следовать контроллеры. Переменный ток изменяет полярность, давая каждой обмотке эффект «тяни / толкай». Заметная разница заключается в том, чем отличается магнитная структура шагового двигателя. Трудно заставить массив магнитов вести себя хорошо в малых масштабах.К тому же это очень дорого. Чтобы обойти это, в большинстве шаговых двигателей используется метод сложенных пластин, чтобы направить магнитные полюса в «зубцы».

В бесщеточном двигателе обратная ЭДС используется для измерения скорости. Шаговый двигатель полагается на короткий ход каждой обмотки, чтобы «гарантировать» достижение желаемого момента времени. При высокоскоростном движении это может привести к остановке, когда ротор не успевает за последовательностью. Есть способы обойти это, но они основаны на более глубоком понимании взаимосвязи между обмотками двигателя и индуктивностью.

Плюсы

• Отличная точность позиционирования
• Высокий удерживающий момент
• Высокая надежность
• Большинство шаговых двигателей имеют стандартные размеры

Минусы

• Расстояние малого шага ограничивает максимальную скорость
• Можно «пропустить» ступеньки при высоких нагрузках
• Постоянно потребляет максимальный ток

Линейные двигатели — будущее !!!

Будущее линейно! В высокоскоростных подъемно-транспортных средствах скорость решает все.Скорость приходит с трением, с трением — с обслуживанием, с обслуживанием — простои, с простоями — потеря производительности. За счет удаления компонентов, необходимых для перевода вращательного движения в линейное, система становится намного легче и эффективнее. Линейные двигатели просты в обслуживании и, имея только одну движущуюся часть, невероятно надежны. Я уже говорил, что они невероятно быстрые ?! Это машина для захвата и размещения, которую мы используем в производстве, и она невероятно быстра! Этот аппарат тоже обладает таким ударом, на нем есть предупреждение для кардиостимуляторов.Есть целый ряд мощных редкоземельных магнитов.

Анатомия линейного двигателя

Чтобы лучше понять, как он работает, давайте заглянем внутрь нашего подборщика и разместим машину внизу.

• Модуль движения — содержит электромагниты и контроллер.
• Магниты — создают магнитное поле для притяжения и отталкивания катушек
• Линейный подшипник — удерживает двигатель в соответствии с магнитами и является единственной движущейся частью.

Теория работы

Механика линейного двигателя почти идентична бесщеточному двигателю.Единственная разница в том, что если взять бесщеточный двигатель и развернуть его по прямой, у вас будет линейный двигатель. Модуль движения — единственная движущаяся часть. Все усложняется в организации последовательности возбуждающих катушек. Полярность каждой катушки контролируется направлением тока. Анимация демонстрирует простой шаблон, которому будут следовать контроллеры. Переменный ток меняет полярность, давая каждой катушке эффект «тяни / толкай». В линейном двигателе обычно используется энкодер или какая-либо усовершенствованная система позиционирования для отслеживания местоположения модуля движения.Для достижения высокой точности позиционирования контроллеры намного сложнее, чем все, что можно найти в обычной системе. Микрошаг — это метод «дросселирования» магнитов для обеспечения плавного и точного движения. Однако для этого линейным двигателям требуется узкоспециализированный контроллер, настроенный для каждого двигателя. По мере совершенствования технологии контроллеров мы, вероятно, увидим снижение стоимости этих двигателей. Возможно, когда-нибудь наши 3D-принтеры будут печатать за секунды, а не часы!

Плюсы

• Надежный
• Высокая скорость
• Эффективный
• Не требуется преобразование из вращательного в линейное

Минусы

• Дорого
• Требуются настраиваемые контроллеры
• Специально для каждой системы
• Я упоминал дорого?

Ресурсы и дальнейшее развитие

Итак, мы рассмотрели несколько различных типов двигателей и способы их использования.Выбор двигателя потребует от вас сначала определения требований приложения. С этими требованиями вы можете посмотреть на сильные и слабые стороны каждого типа двигателя. Но что еще более важно, обратите внимание на номинальные характеристики каждого двигателя. У каждого двигателя будут значения входной и выходной мощности. Вы можете рассчитать требования к нагрузке системы, но иногда достаточно просто попробовать! Чтобы начать интеграцию двигателей, загляните на некоторые из этих страниц:

И, наконец, это отличное место, чтобы узнать обо всем, что связано с физикой.

Создайте свой собственный бесщеточный двигатель

Изготовление электродвигателя из мотка проволоки, некоторых магнитов и скрепок — это обряд посвящения для многих начинающих любителей науки. Эти двигатели представляют собой простые щеточные двигатели. То есть, электромагнит вращается в направлении постоянного магнита, и вращение прерывает цепь, позволяя электромагниту продолжать вращение по инерции. В конце концов соединение завершается снова, и цикл начинается заново. Настоящие щеточные электродвигатели коммутируют ток питания постоянного тока, так что электромагнит меняет полярность на полпути.В любом случае, основная конструкция — это постоянные магниты снаружи (неподвижная часть) и электромагниты внутри (вращающаяся часть).

Бесщеточные двигатели переворачивают это наизнанку. Вращающаяся часть (ротор) имеет постоянный магнит. Стационарная часть (статор) имеет несколько электромагнитов. Управляя электромагнитами, ротор вращается. Без щеток эти двигатели часто более эффективны, они не генерируют столько электрических шумов и нет опасности износа щеток.Кроме того, благодаря тому, что электромагниты остаются на месте, двигатель легче подключается и, при необходимости, легче охлаждают электромагниты. Принцип работы похож на шаговый двигатель. Шаговые двигатели обычно оптимизированы для небольших точных шагов. Бесщеточные двигатели оптимизированы для вращения, а не для шагания.

[Axbm] построил умный бесщеточный двигатель из немногим более чем трубы из ПВХ, некоторых магнитов, проволоки и железных стержней. План прост: построить каркас из ПВХ, построить ротор из ПВХ и магнитов и установить на каркас электромагниты.Ардуино и некоторые полевые транзисторы управляют катушками, хотя вы можете управлять двигателями, используя любое количество методов. Вы можете увидеть, как это работает, на видео ниже.

Один интересный лакомый кусочек — это намотка катушек. [Axbm] поместите 600 витков проволоки вокруг каждого стального сердечника (лучше всего мягкое железо, хотя вы можете использовать нержавеющую сталь, которую легче найти). Вместо того, чтобы разрезать проволоку, когда закончили, он просто перешел, чтобы намотать следующий магнит. Чтобы магнитные поля сохраняли правильную ориентацию, намотка одного магнита должна быть в направлении, противоположном направлению предыдущей обмотки.Таким образом, если вы наматываете один магнит по часовой стрелке, следующий магнит должен быть повернут против часовой стрелки.

Мы видели другие сборки бесщеточных двигателей. Мы также рассмотрели более сложные драйверы.

Выбор между щеточными и бесщеточными двигателями постоянного тока

Было время, когда двигатели BLDC были зарезервированы для приложений управления движением. Сегодняшние более экономичные и удобные в использовании двигатели BLDC нашли более широкое применение в промышленности и даже в некоторых потребительских приложениях.Allied Motion делит наши двигатели BLDC на три класса: двигатели BLDC общего назначения, бесщеточные серводвигатели и бесщеточные моментные двигатели.

Двигатели BLDC общего назначения

Двигатели

BLDC общего назначения предназначены в первую очередь для коммерческих и промышленных применений общего назначения, особенно для тех, которые не требуют жесткого контроля скорости или положения двигателя, например для вентиляторов, нагнетателей или компрессоров. Обычно это двигатели трапециевидной формы, которые управляются шестиступенчатыми приводами.Они часто работают без обратной связи с обратной связью, используя управление BEMF для приложений низкого уровня и бессенсорное векторное управление для более требовательных случаев использования.

Электродвигатели BLDC общего назначения имеют преимущество перед конкурирующими технологиями с точки зрения минимального обслуживания и компактных форм-факторов. Их высокая эффективность делает их идеальными для портативных устройств с батарейным питанием, которым требуется оптимальное время автономной работы. Электродвигатель BLDC общего назначения с датчиком BEMF может быть хорошим решением для таких приложений, как кровати для транспортировки пациентов, лодочные подъемники, рабочие инструменты с электроприводом и оборудование для мытья полов.Для более требовательных случаев использования, таких как центрифуги и оборудование для каротажа скважин, бессенсорное векторное управление обеспечивает производительность, сопоставимую с показателями на эффекте Холла, без уязвимости и энергопотребления бортовой электроники.

В последние годы двигатели BLDC также использовались для приведения в действие гидравлических насосов в подъемниках, таких как подъемники, сборщики вишни, автопогрузчики, транзитные автобусы и грузовики класса 8. Эти двигатели более эффективны, экологичны и являются лучшей альтернативой прежней практике питания гидравлики от двигателя внутреннего сгорания транспортного средства.

Бесщеточные серводвигатели

Бесщеточные серводвигатели — это подмножество двигателей BLDC, предназначенных для приложений, требующих точного позиционирования и / или высоких скоростей. Как упоминалось выше, это обычно синусоидальные двигатели BLDC с питанием от контроллеров с синусоидальной коммутацией. Используя обратную связь с обратной связью, эти двигатели обеспечивают быструю и точную реакцию в высокодинамичных приложениях, для которых отслеживание траекторий и быстрое и точное позиционирование являются ключевыми критериями.

Приложения

Sweet Spot включают робототехнику, оборудование для захвата и размещения, производство полупроводников, испытательное и упаковочное оборудование, оси станков и аналогичные приложения, в которых преимущества сервоуправления движением необходимы для достижения требуемой производительности.

Моментные бесщеточные двигатели

Для некоторых приложений требуется очень высокая плотность крутящего момента, высокий крутящий момент на очень низких скоростях или и то, и другое. Для этих типов систем бесщеточные моментные двигатели являются очень хорошим решением.Можно получить точное низкоскоростное позиционирование со стандартными двигателями BLDC, добавив редуктор, но они создают проблемы с потерями передачи мощности, механической податливостью и / или потерянным ходом / люфтом.

Мотор-редукторы

также увеличивают сложность и необходимость обслуживания, а также добавляют точки отказа. Бесщеточный моментный двигатель — лучшее решение.

Специализированная подгруппа серводвигателей, моментные двигатели имеют большее количество полюсов и больший диаметр, чем другие двигатели BLDC. Эта комбинация позволяет им обеспечивать более высокую плотность крутящего момента и обеспечивать более высокий крутящий момент на низкой скорости.Моментные двигатели обычно встроены непосредственно в механизм, которым они должны приводить, вместо того, чтобы соединяться через промежуточные механизмы, такие как шариковые винтовые пары или редукторы. Кроме того, конструкции, как правило, имеют форму блинов (большой диаметр, короткая осевая длина) с относительно большим сквозным отверстием в центре, которое обеспечивает варианты конструкции для пропускания оптических лучей, кабелей или водопровода через двигатель. Приложения включают роботизированные соединения, имитаторы полета, многокоординатные подвесы слежения и позиционирования, автоматизированное управление транспортным средством на основе GPS и широкоформатные кинопроекторы, и это лишь некоторые из них.

Engineering основана на поиске наилучшего решения для приложения. Наличие щеточных и бесщеточных конструкций позволяет технологии двигателей постоянного тока удовлетворять широкий спектр потребностей. Для недорогих промышленных приложений, в которых цена является наиболее важной, а производительность — второстепенной, щеточные двигатели постоянного тока могут очень хорошо служить этой цели. Разработчики оборудования с более высокими требованиями найдут лучшие варианты в категории двигателей BLDC, включая двигатели BLDC общего назначения, серводвигатели BLDC и моментные двигатели BLDC.Благодаря целому ряду преимуществ, включая более высокую эффективность, меньшее загрязнение и электромагнитные помехи, меньшие затраты на техническое обслуживание, компактные размеры, меньший вес и улучшенное рассеивание тепла, двигатели BLDC находят все большее применение в самых разных отраслях и сферах применения.

Применение бесщеточного двигателя постоянного тока с использованием синхронного двигателя с постоянным магнитом (PMSM) с трапецеидальной противоэлектродвижущей силой (BEMF)

Реализация бесщеточного привода двигателя постоянного тока с использованием синхронного двигателя с постоянным магнитом (PMSM) с трапециевидной обратной электродвижущей силой (BEMF)

Библиотека

Simscape / Электрические / специализированные системы питания / электрические приводы / приводы переменного тока

Описание

Блок бесщеточного двигателя постоянного тока (AC7) представляет собой стандартный привод с регулируемым током для бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC).Двигатели BLDC также известны как синхронные двигатели с постоянными магнитами и трапецеидальной обратной ЭДС. В этом приводе используется регулирование скорости с обратной связью посредством регулирования тока статора с помощью датчиков Холла. Контур управления скоростью выдает эталонный электромагнитный момент машины. Опорные фазные токи статора, соответствующие заданному крутящему моменту, выводятся на основе постоянной крутящего момента машины и сигналов датчика Холла. Затем эталонные фазные токи используются для получения требуемых сигналов затвора для инвертора через регулятор тока полосы гистерезиса.

Основным преимуществом этого привода по сравнению с приводами BLDC с ШИМ-инвертором, управляемыми напряжением, является его плавный динамический отклик. Этот привод обеспечивает внутреннюю способность ограничения тока / момента во время запуска и разгона двигателя. Однако для правильной работы приводу требуется управление крутящим моментом с обратной связью на основе сигналов машинных токов.

Примечание

В Simscape ™ В программе Electrical ™ Specialized Power Systems блок бесщеточного двигателя постоянного тока обычно называют моторным приводом AC7 .

Блок Brushless DC Motor Drive использует эти блоки из библиотеки Electric Drives / Fundamental Drive Blocks:

Замечания

Модель является дискретной. Хорошие результаты моделирования были получены с шагом по времени 2 µ с. Для имитации устройства цифрового контроллера система управления имеет два разных времени выборки:

Время выборки регулятора скорости должно быть кратно времени выборки регулятора тока. Последнее время выборки должно быть кратным временному шагу моделирования.Инвертор среднего значения позволяет использовать большие временные шаги моделирования, поскольку он не генерирует небольшие постоянные времени (из-за RC демпферов), присущие детализированному преобразователю. Для времени выборки регулятора тока 40 µ с хорошие результаты моделирования были получены для временного шага моделирования 40 µ с. Временной шаг моделирования не может быть выше временного шага текущего контроллера.

Параметры

Общие

Режим выходной шины

Выберите способ организации выходных переменных.Если вы выберете Multiple output bus (default), блок будет иметь три отдельные выходные шины для переменных двигателя, преобразователя и контроллера. Если вы выберете Single output bus , все переменные будут выводиться на одной шине.

Уровень детализации модели

Выберите между детальным и средним инвертором. По умолчанию Подробно .

Механический вход

Выберите между крутящим моментом нагрузки, скоростью двигателя и механическим портом вращения в качестве механического входа.По умолчанию Torque Tm .

Если выбрать и применить момент нагрузки, на выходе будет скорость двигателя в соответствии со следующим дифференциальным уравнением, описывающим динамику механической системы:

Эта механическая система включена в модель двигателя.

Если вы выбираете скорость двигателя в качестве механического входа, то вы получаете электромагнитный момент в качестве выходного сигнала, позволяя вам представить внешнюю динамику механической системы. Внутренняя механическая система не используется с этим выбором механического входа, а параметры инерции и вязкого трения не отображаются.

Для механического вращающегося порта порт подключения S учитывает механический ввод и вывод. Это позволяет напрямую подключаться к среде Simscape. Механическая система двигателя также включена в привод и основана на том же дифференциальном уравнении.

См. Раздел «Механическое соединение двух моторных приводов».

Использовать шину в качестве меток

Когда вы установите этот флажок, измерительные выходы Motor , Conv и Ctrl используют имена сигналов для идентификации меток шины.Выберите этот параметр для приложений, требующих, чтобы метки сигналов шины содержали только буквенно-цифровые символы.

Когда этот флажок снят (по умолчанию), выход измерения использует определение сигнала для идентификации меток шины. Этикетки содержат не буквенно-цифровые символы, несовместимые с некоторыми приложениями Simulink ^® .

Установить без датчика

Если вы установите этот флажок, скорость и положение двигателя оцениваются на основе напряжений и токов на клеммах с помощью наблюдателя обратной ЭДС.Сигналы коммутации (эквивалентные сигналам эффекта Холла) генерируются из положения ротора каждые 60 электрических градусов. Вкладка Sensorless содержит параметры усиления наблюдателя.

Когда этот флажок снят, скорость двигателя измеряется внутренним датчиком скорости, а вкладка Sensorless не отображается на маске блока.

Вкладка «Синхронная машина с постоянным магнитом»

На вкладке «Синхронная машина с постоянным магнитом» отображаются параметры блока «Синхронная машина с постоянным магнитом» библиотеки Fundamental Blocks (powerlib).

Вкладка «Преобразователи и шина постоянного тока»

Секция выпрямителя

В разделе «Выпрямитель » вкладки «Преобразователи и шина постоянного тока » отображаются параметры блока универсального моста библиотеки Fundamental Blocks (powerlib). Дополнительные сведения о параметрах универсального моста см. На справочной странице универсального моста.

Секция шины постоянного тока

Емкость

Емкость шины постоянного тока (F). По умолчанию: 2000e-6 .

Секция тормозного прерывателя

Сопротивление

Сопротивление тормозного прерывателя, используемое для предотвращения перенапряжения шины во время замедления двигателя или когда момент нагрузки имеет тенденцию к ускорению двигателя (Ом). По умолчанию: 8 .

Частота прерывателя

Частота тормозного прерывателя (Гц). По умолчанию 4000 .

Напряжение включения

Динамическое торможение активируется, когда напряжение на шине достигает верхнего предела диапазона гистерезиса.На следующем рисунке показана логика гистерезиса тормозного прерывателя. По умолчанию 320 .

Напряжение отключения

Динамическое торможение отключается, когда напряжение на шине достигает нижнего предела диапазона гистерезиса. По умолчанию 310 . Логика гистерезиса прерывателя показана на следующем рисунке.

Секция инвертора

Секция инвертора вкладки Преобразователи и шина постоянного тока отображает параметры блока Universal Bridge библиотеки Fundamental Blocks (powerlib).Дополнительные сведения о параметрах универсального моста см. На справочной странице универсального моста.

Преобразователь среднего значения использует следующий параметр.

Сопротивление в открытом состоянии

Сопротивление переключателя инвертора в открытом состоянии (Ом). По умолчанию 1e-3 .

Вкладка «Контроллер»

Тип регулирования

Это всплывающее меню позволяет выбирать между регулировкой скорости и крутящего момента.По умолчанию Регулировка скорости .

Схема

При нажатии этой кнопки появляется диаграмма, показывающая схемы контроллеров скорости и тока.

Секция регулятора скорости

Изменения скорости — ускорение

Максимальное изменение скорости, допустимое во время разгона двигателя (об / мин / с). Чрезмерно большое положительное значение может вызвать пониженное напряжение на шине постоянного тока. Этот параметр используется только в режиме регулирования скорости.По умолчанию 1000 .

Изменение скорости — замедление

Максимальное изменение скорости, разрешенное во время замедления двигателя (об / мин / с). Чрезмерно большое отрицательное значение может вызвать перенапряжение шины постоянного тока. Этот параметр используется только в режиме регулирования скорости. По умолчанию -1000 .

Частота отсечки скорости

Частота отсечки фильтра нижних частот первого порядка измерения скорости (Гц). Этот параметр используется только в режиме регулирования скорости.По умолчанию 100 .

Время выборки регулятора скорости

Время выборки регулятора скорости (с). Время выборки должно быть кратным временному шагу моделирования. По умолчанию 7 * 20e-6 .

ПИ-регулятор — Пропорциональное усиление

Пропорциональное усиление регулятора скорости. Этот параметр используется только в режиме регулирования скорости. По умолчанию: 5 .

ПИ-регулятор — интегральное усиление

Интегральное усиление регулятора скорости.Этот параметр используется только в режиме регулирования скорости. По умолчанию 100 .

Пределы выходного крутящего момента — отрицательные

Максимальный отрицательный требуемый крутящий момент, прикладываемый к двигателю регулятором тока (Н-м). По умолчанию -17,8 .

Пределы выходного момента — положительный

Максимальный положительный требуемый крутящий момент, прикладываемый к двигателю регулятором тока (Н-м). По умолчанию 17,8 .

Секция контроллера тока

Время выборки

Время выборки контроллера тока (с). Время выборки должно быть кратным временному шагу моделирования. По умолчанию: 20e-6 .

Диапазон гистерезиса регулятора тока

Текущая полоса гистерезиса. Это значение представляет собой общую полосу пропускания, симметрично распределенную относительно текущей уставки (A). На следующем рисунке показан случай, когда текущая уставка составляет Is ^* , а текущая полоса гистерезиса установлена ​​на dx.По умолчанию 0,01 .

Этот параметр не используется при использовании инвертора среднего значения.

Примечание

Эта полоса пропускания может быть превышена, поскольку используется моделирование с фиксированным шагом. Блок перехода скорости требуется для передачи данных между различными частотами дискретизации. Этот блок вызывает задержку сигналов ворот, поэтому ток может превышать полосу гистерезиса.

Максимальная частота коммутации

Максимальная частота коммутации инвертора (Гц).Этот параметр не используется при использовании инвертора среднего значения. По умолчанию 20e3 .

Показать / скрыть элемент управления автонастройкой

Щелкните, чтобы показать или скрыть параметры инструмента управления автонастройкой.

Автонастройка контуров PI Раздел

Желаемое демпфирование [дзета]

Укажите коэффициент демпфирования, используемый для расчета коэффициентов усиления Kp и Ki блока регулятора скорости (AC). Коэффициент демпфирования определяется как

Собственная частота определяется следующими эмпирическими уравнениями:

Если ζ <0.69

ωn = −1ζ × rdlog (0,05 × (1 − ζ2))

Если ζ ≥ 0,69

В уравнении T _rd соответствует желаемому времени отклика при 5% параметре . По умолчанию 0,99 .

Желаемое время отклика при 5% [Trd (sec)]

Укажите желаемое время установления блока регулятора скорости (AC). Это время, необходимое для того, чтобы реакция контроллера достигла и оставалась в пределах 5-процентного диапазона целевого значения.По умолчанию 0,13 / 5 .

Рассчитайте коэффициенты усиления ПИ-регулятора

Вычислите Пропорциональное усиление и Интегральное усиление параметров блока регулятора скорости (AC) на основе Желаемое демпфирование [zeta] и Желаемое время отклика при 5% параметров. Вычисленные значения отображаются в маске блока Drive. Щелкните Применить или ОК , чтобы подтвердить их.

Бездатчиковая вкладка

K1 — Матрица усиления наблюдателя K1

Усиление по оси d матрицы усиления наблюдателя.

По умолчанию 3000 .

K2 — Матрица усиления наблюдателя K2

Усиление по оси q матрицы усиления наблюдателя.

По умолчанию -49500 .

Блок входов и выходов

SP

Уставка скорости или крутящего момента. Уставка скорости может быть ступенчатой, но скорость изменения скорости будет соответствовать рампе ускорения / замедления. Если момент нагрузки и скорость имеют противоположные знаки, ускоряющий момент будет суммой электромагнитного момента и момента нагрузки.

Tm или Wm

Механический вход: момент нагрузки (Tm) или скорость двигателя (Wm). Для механического вращающегося порта (S) этот ввод удаляется.

A, B, C

Трехфазные клеммы моторного привода.

Wm , Te или S

Механическая мощность: скорость двигателя (Wm), электромагнитный момент (Te) или механический порт вращения (S).

Если для параметра Режим выходной шины задано значение Несколько выходных шин , блок имеет следующие три выходные шины:

Двигатель

Вектор измерения двигателя. Этот вектор позволяет вам наблюдать переменные двигателя с помощью блока Bus Selector.

Conv

Вектор измерения трехфазных преобразователей. Этот вектор содержит:

Все значения тока и напряжения мостов могут быть визуализированы с помощью блока мультиметра.

Ctrl

Вектор измерения контроллера. Этот вектор содержит:

Когда параметр Output bus mode установлен на Single output bus , блок группирует выходы Motor, Conv и Ctrl в один выход шины.

Технические характеристики модели

Библиотека содержит набор параметров привода мощностью 3 л.с. Технические характеристики привода мощностью 3 л.с. показаны в следующей таблице.

Технические характеристики привода 3 л. С.

Входное напряжение привода
	Частота	60 Гц
Номинальные значения электродвигателя
	Мощность				1650 об / мин
	Напряжение	300 В пост. Ссылки [1] Бозе, Б. К. Современная силовая электроника и приводы переменного тока . Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Прентис-Холл, 2002. [2] Краузе П. К. Анализ электрических машин . Нью-Йорк: McGraw-Hill, 1986. [3] Tremblay, O. Моделирование, моделирование и управление машинной синхронизацией для прицеливания в силовую контрольно-электромоторную ловушку . Монреаль, Канада: École de Technologie Supérieure, 2006. Представлен в R2007a Обновленная схема бесщеточного контроллера 2015 «Бесщеточные двигатели, 3-фазные инверторы, схемы Параметры и особенности контроллера Характеристики: — Использует аналогичный чип без программного обеспечения внутри. — Работайте только с бесщеточными двигателями с датчиком. — Скорость регулируется потенциометром — Регулируемое ускорение и замедление — Контурное управление — Фэкворд / Вперед — Динамическое торможение — Датчик перегрузки по току от внешнего шунтирующего резистора, пороговый уровень 100 мВ. — Защита от перегрева. — Защита от пониженного напряжения. — Полностью доступный усилитель ошибки для сервоприводов с замкнутым контуром — Регулируемая частота ШИМ — 6.25 В Опорный способен подавать мощность Датчик Холла Я использовал Eagle Cad, чтобы сделать схему и плату. Новая версия схемы, простая для понимания: Очень важно !!! без преобразователя постоянного тока в постоянный (см. выше на IR2103) контроллер не может работать. Это еще одна версия с несколькими параллельными МОП-транзисторами и разными драйверами. Я использовал только N-канальные МОП-транзисторы в сочетании с полумостовым драйвером МОП-транзистора IR2110. Вам также понадобится обратный затвор для верхних приводов (4049) Это новейшая версия с 4-мя параллельными МОП-транзисторами на каждый коммутатор IR4110, но не имеет значения, какой МОП-транзистор вы используете в качестве генератора, и ток подходит для вас. Контакт 3 JP8 идет к плате 2 (модуль управления) на контакте 1 JP20 Контакт 1 JP8 идет на плату 2 JP20 контакт 2 Контакт 3 JP9 идет к плате 2 на контакте 3 JP20 Вывод 1 JP9 переходит на плату 2 JP20 на вывод 4 Вывод 3 JP10 идет на плату 2 JP20 Вывод 5 Вывод 1 JP10 идет на плату 2 jp20 pin 6 Контакт 1 земля JP5, JP6.JP7 можно оставить в воздухе. потому что gnd является обычным явлением. В верхней части расположен датчик тока Allegro ACS758 200A. Также слева можно увидеть нижний модуль, рядом с ним драйвер + верхний модуль. В правом верхнем углу командный модуль и в нижнем углу модуль преобразователя постоянного тока от ebay. для питания модуля cmomand и платы драйвера. Вы можете поставить любой канал N mosfets, который вам нужен.Лучше всего иметь как можно более низкое внутреннее сопротивление и более высокий ток. Эта диаграмма была нарисована посетителем веб-сайта по имени «Билл Каталена» из моей спецификации. Это 3-я плата с нижним МОП. U, V, W необходимо подключить к U, V, W в верхней части МОП-транзисторов. Вывод 1 JP1 идет на вывод 2 JP5 платы 1 Вывод 2 JP1 идет на вывод 2 JP6 платы 1 Вывод 3 JP1 переходит на вывод 2 JP7 платы 1 Вывод заземления подключен от источника питания 48В Этот инвертор модуля igbt для Toyota Prius был из лома, и я разобрал плату драйвера.Теперь я строю свою собственную водолазную доску. Чтобы запустить двигатель таким образом, необходимо подключить к IR2110 источник постоянного тока без напряжения. Я протестировал несколько модулей IGBT 1200 В, 600 А FZ600R12KE3, и входная емкость составила ~ 55 нФ. Время промывки, полученное с помощью avago IC ACPL-P343, составило 1,2 мкс при 12 кГц, что не очень хорошо, если вы хотите, чтобы потери переключения были низкими. лист данных: http://www.farnell.com/datasheets/1676975.pdf В этом видео я использовал 12 Mosfets irf3205z и драйвер IR2110 . А теперь самое главное: тестирование электрического картинга для измерения результатов Бесщеточный двигатель: MyRcMart.COM Название продукта + Модель Цена EMAX12-038 Emax ECO II Series 2306 Бесщеточный двигатель для RC Drone FPV Racing (1700KV) долларов США 11,99 EMAX12-039 Emax ECO II Series 2306 Бесщеточный двигатель для RC Drone FPV Racing (2400KV) долларов США 11.99 RCX07-786 * Бесплатная / низкая доставка EMAX ECO Micro 1404 3700KV Бесщеточный двигатель для FPV Racing RC Drone долл. США 10,99 RCX07-790 * Бесплатная / низкая доставка EMAX ECO Micro 1404 6000KV Бесщеточный двигатель для FPV Racing RC Drone долл. США 10,99 RCX07-781 * Бесплатная / низкая доставка Бесщеточный двигатель EMAX ECO Micro Series 1407 для FPV Racing RC Drone (4100kv) 10 долларов США.99 EMAX12-036 EMAX ECO Series 2207 4S Бесщеточный двигатель 2400KV для RC Drone FPV Racing 12,99 долларов США EMAX12-034 EMAX ECO Series 2306 4S 2400KV Бесщеточный двигатель для радиоуправляемого дрона FPV Racing 12,99 долларов США EMAX12-005 * бесплатная / низкая доставка Emax RS1106 II 4500KV Micro Brushless Motor для FPV Racer 1 Обзор (ы) 12 долларов США.99 EMAX12-006 * Бесплатная / низкая доставка Emax RS1106 II 6000KV Micro Brushless Motor for FPV Racer 12,99 долларов США EMAX12-007 * Бесплатная / низкая доставка Emax RS1106 II 7500KV Micro Brushless Motor for FPV Racer 12,99 долларов США EMAX12-031 Emax RS1306B 4000KV Бесщеточный двигатель 3-4S для FPV Racer 10 долларов США.99 EMAX12-035 EMAX RS1408 3600KV Бесщеточный двигатель для Micro FPV Racing Quad долларов США 13,99 EMAX12-032 Emax RS1606 3300KV Бесщеточный двигатель 3-4S для FPV Racer 12,99 долларов США EMAX12-033 Emax RS1606 Бесщеточный двигатель 4000KV 3-4S для FPV Racer 12 долларов США.99 EMAX12-029 * Бесплатная / низкая доставка Emax RSII 2306 1700KV Race Spec FPV Motor доллар США 24,99 EMAX12-028 * Бесплатная / низкая доставка Emax RSII 2306 2600KV Race Spec FPV Motor доллар США 24,99 RCX07-774 * бесплатная / низкая доставка HappyModel 1-2S SE0802 Бесщеточные двигатели Мотор для микродронов (19000KV / 4 шт.) 35 долларов США.99 RCX07-777 * Бесплатная / низкая доставка HappyModel 1-2S SE0802 Бесщеточные двигатели Мотор для микро-дрона (25000KV / 4 шт.) долл. США 35,99 RCX07-779 * Бесплатная / низкая доставка HappyModel EX1102 Бесщеточный двигатель для Mobula7 HD (1,5 мм / 9000KV / 4 шт.) доллар США 41,99 RCX07-500 KingKong 1103 Бесщеточный двигатель 7800KV для мини-винта T-типа долларов США 8.99 RCX07-526 KingKong 1105 8500KV Бесщеточный двигатель для мини-винта T-типа долл. США 8,99 RCX07-642 KingKong A2205-2500KV Бесщеточный двигатель для THUNDER 600X FPV WING 800X 9,99 долларов США RCX07-546 KingKong GT1103 7800KV Микро-бесщеточный двигатель долларов США 7. No related posts. improve focus and memory Pro2Bro improve focus and memory Ответить Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт