Схема коллекторного двигателя переменного тока


Коллекторный двигатель переменного тока: схема подключения

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

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.

Щеточные двигатели
- управление двигателями постоянного тока и приводы

Щеточный двигатель - это простой в обращении недорогой двигатель постоянного тока, часто приводимый в действие батареями. Электродвигатель использует щетки для подачи питания на катушку якоря, расположенную между постоянными магнитами, которые создают магнитное поле. Ток, проходящий через щетку к катушке, приводит в движение ротор и используется для двигателей мощностью до лошадиных сил. По мере вращения якоря неподвижные щетки вступают в контакт с различными частями вращающегося коллектора и со временем изнашиваются.

Мы предлагаем весь спектр силовых полупроводниковых приборов и ИС, включая дискретные IGBT и силовые MOSFET, а также силовые модули и интеллектуальные силовые модули (IPM), драйверы высоковольтных затворов, мощные микроконтроллеры STM32 и высокоинтегрированные драйверы STSPIN.

Мы также разработали полную экосистему с набором оценочных плат, эталонных конструкций, встроенного программного обеспечения и средств разработки, которые помогут упростить и ускорить цикл проектирования.

  • Принципы работы

    • Как правило, щеточные двигатели работают на низкой скорости и могут управляться простым контроллером широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для изменения напряжения, подаваемого на двигатель, для управления скоростью в одном направлении и обеспечения крутящего момента для моторного привода.Если требуется двунаправленный привод двигателя, например, для окна электромобиля или в качестве сервопривода в приложении для промышленной автоматизации, Н-мост можно использовать рядом с ШИМ-контроллером.

      Для приложений малой мощности управление двигателем встроено в двигатель вместе со встроенными драйверами затвора, силовыми транзисторами, функциями защиты, датчиками тока и даже преобразователями постоянного тока.

      Для приложений большой мощности дискретные низковольтные полевые МОП-транзисторы и драйверы затвора используются отдельно для двигателя для реализации Н-моста.

      Использование щетки сокращает срок службы двигателя. Бесщеточный двигатель по сравнению с ним имеет значительно более длительный срок службы и большую управляемость.

li> label + ul {display: block;}]]>

Похожие приложения

.
Brushed vs Brushless Motors: эксплуатация, строительство и применение

Электродвигатели стали огромной частью нашей жизни. Они встречаются во всех видах устройств, от электромобилей до дронов, роботов и других электронных устройств. В общих чертах, электрический двигатель - это устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую энергию . Их обычно называют полной противоположностью генераторов, поскольку они работают по схожим принципам и теоретически могут быть преобразованы в генераторы.Они в основном используются в ситуациях, когда необходимо вращательное движение, и находят применение в приборах (вибродвигатели), роботах, медицинском оборудовании, игрушках и многом другом.

Электродвигатели

можно разделить на две широкие категории в зависимости от типа используемого для них источника питания: двигатели переменного тока и двигатели постоянного тока . Как следует из названия, двигатели переменного тока обычно получают питание от источников переменного тока (однофазные или трехфазные) и в основном используются в промышленных и тяжелых условиях, где требуется большой крутящий момент. Двигатели постоянного тока (что является нашей целью на сегодняшний день), с другой стороны, обычно меньше по размеру и используются в приложениях на батарейках (или подключенных к источникам постоянного тока), где требуется значительно меньший объем работы по сравнению с двигателями переменного тока. Они находят применение в нескольких устройствах - от бытовых устройств, таких как машинки для бритья до игрушек для детей, роботов и беспилотных летательных аппаратов.

Требования к двигателям постоянного тока отличаются от одного приложения к другому, так как одному приложению может потребоваться больший крутящий момент и снижение скорости, в то время как другому может потребоваться большая скорость и уменьшенный крутящий момент, поэтому двигатели постоянного тока иногда классифицируются продавцами на основании этого.Однако двигатели постоянного тока могут быть классифицированы на три различные категории или типы , включая;

  1. Матовый двигатель постоянного тока
  2. Бесщеточные двигатели постоянного тока
  3. Серво Моторс.

В сегодняшней статье мы сосредоточимся на бесщеточных и щеточных двигателях постоянного тока , поскольку мы рассмотрим разницу между ними в соответствии с принципами работы, конструкцией, применениями, преимуществами и недостатками. Для третьего типа, вы можете просмотреть подробную статью Servo Motor.

Принцип действия и конструкция

Работа всех двигателей обычно основана на двух принципах: ; Закон Ампера и закон Фарадея . Первый закон гласит, что электрический проводник, помещенный в магнитное поле, будет испытывать силу , если какой-либо ток, протекающий через проводник, имеет компонент под прямым углом к ​​этому полю. Второй принцип гласит, что если проводник перемещается через магнитное поле, то любой компонент движения, перпендикулярный этому полю, будет генерировать разность потенциалов между концами проводника.

На основании этих законов электродвигатели состоят из двух основных частей; Постоянный магнит и пучок проводников намотаны в катушку. Подавая электричество на катушку, он становится магнитом, и благодаря тому факту, что магниты отталкиваются на одинаковых полюсах и притягиваются на разных полюсах, достигается вращательное движение.

Матовый двигатель постоянного тока

Мотор с щеткой постоянного тока известен как один из самых ранних и простых двигателей, поскольку он реализует законы, описанные выше, самым простым способом.Как описано на рисунке ниже, конструкция щеточного электродвигателя постоянного тока состоит из неподвижного статора, изготовленного из постоянного магнита, и движущейся арматуры (ротора), на которой расположены такие компоненты, как коммутатор, щетки и разрезное кольцо, все из которых размещены вокруг вал двигателя.

Когда питание подается на двигатель (через батарею или через источник переменного тока в постоянный), электричество течет от источника к якорю через щетки, которые обычно расположены на противоположных сторонах вала двигателя.Щетки (чье присутствие в конструкции является основным фактором, определяющим название двигателя), передают электрический ток на якорь через физический контакт с коммутатором. Как только якорь (катушка провода) находится под напряжением, он начинает вести себя как магнит, и в этот момент его полюса начинают отталкивать полюса постоянного магнита, который составляет статор. Когда полюса отталкиваются, вал двигателя, к которому прикреплен якорь, начинает вращаться со скоростью и крутящим моментом, которые зависят от напряженности магнитного поля вокруг якоря.

Напряженность магнитного поля обычно зависит от напряжения, приложенного к щеткам, и от силы постоянного магнита, используемого для статора.

Бесщеточные двигатели постоянного тока

Несмотря на то, что они используют тот же принцип электромагнетизма, бесщеточные двигатели, с другой стороны, являются более сложными. Они являются прямым результатом усилий, предпринятых для повышения эффективности щеточных двигателей постоянного тока, и их можно просто описать как двигатели, которые не используют щетки для коммутации.Однако упрощенная природа этого описания уступает место вопросам о том, как двигатель приводится в действие и как достигается движение без щеток, которые я попытаюсь объяснить.

В отличие от конструкции щеточных двигателей, в бесщеточных двигателях все переворачивается. Якорь, который в случае щеточного двигателя вращается внутри статора, неподвижен в бесщеточных двигателях, а постоянный магнит, который в щеточных двигателях закреплен, служит ротором в бесщеточном двигателе. Проще говоря, статор для бесщеточных двигателей постоянного тока состоит из катушек, а его ротор (к которому прикреплен вал двигателя) состоит из постоянного магнита.

Поскольку бесщеточный двигатель исключает использование щеток для подачи питания на якорь, переключение (коммутация) становится более сложным и выполняется электронным способом с использованием дополнительного набора электронных компонентов (например, усилителя, запускаемого коммутирующим компонентом, таким как оптический датчик), для достижения движение. Алгоритмы коммутации для бесщеточных двигателей постоянного тока можно разделить на два; Сенсорная и бессмысленная коммутация.

При коммутации на основе датчиков датчики (например, датчик Холла) размещаются вдоль полюсов двигателя для обеспечения обратной связи со схемой управления, чтобы помочь ему оценить положение ротора. Существует три популярных алгоритма, используемых для коммутации на основе датчиков;

  1. Трапециевидная коммутация
  2. Синусоидальная коммутация
  3. Векторное (или ориентированное на поле) управление.

Каждый из этих алгоритмов управления имеет свои плюсы и минусы, и алгоритмы могут быть реализованы по-разному в зависимости от программного обеспечения и конструкции электронного оборудования для внесения необходимых изменений.

С другой стороны, при коммутации без датчиков вместо датчиков, размещаемых внутри двигателей, схема управления предназначена для измерения обратной ЭДС для оценки положения ротора.

Этот алгоритм работает довольно хорошо и имеет меньшую стоимость, так как стоимость датчиков Холла исключена, но его реализация намного сложнее по сравнению с алгоритмами на основе датчиков.

Преимущества и недостатки

В щеточных двигателях постоянного тока щетки находятся в постоянном контакте с вращающимся коммутатором. Это приводит к значительному образованию трения в , что, в свою очередь, приводит к потере энергии на нагрев и постепенному износу щеток . Таким образом, щеточные двигатели постоянного тока имеют низкий КПД и требуют периодического технического обслуживания. Это создает большое трение, и трение равняется теплу (потере энергии) и износу. Бесщеточный постоянный ток, с другой стороны, по существу не имеет трения и, следовательно, обладает действительно высокой эффективностью, не требует технического обслуживания и длится дольше, чем щеточные двигатели постоянного тока.

Тем не менее, щеточных двигателей постоянного тока очень дешевы по сравнению с их бесщеточными аналогами из-за простой природы их конструкции. Бесщеточные двигатели постоянного тока, с другой стороны, довольно дороги из-за их сложной конструкции и дополнительных затрат на дополнительные электронные компоненты (контроллеры), необходимые для их привода.

Приложения

В то время как бесщеточные двигатели постоянного тока более популярны в наши дни, щеточные двигатели постоянного тока все еще используются в повседневной бытовой технике, детских игрушках и в промышленных приложениях благодаря легкости, с которой их соотношение скорости и крутящего момента можно изменять. Из-за их низкой стоимости они используются в приложениях, где хост-устройство может выйти из строя раньше, чем двигатели.

Бесщеточные двигатели постоянного тока, с другой стороны, нашли применение во всех видах устройств, от медицинского оборудования, роботов и дронов до электромобилей, электроинструментов и т. Д.Они в основном используются в приложениях, которые требуют высокой эффективности, долговечности и стоят своих затрат.

Факторы, которые следует учитывать при выборе между бесщеточными и щеточными двигателями постоянного тока

Помимо скорости, крутящего момента, номинальной мощности и других базовых требований для вашего приложения, ниже приведены три фактора, которые я также считаю целесообразным учитывать при принятии решения о типе двигателя для применения в вашем приложении.

  1. Рабочий цикл / Срок службы
  2. Эффективность
  3. Управление / Активация
  4. Стоимость

Рабочий цикл / Срок службы

Срок службы описывает, сколько времени требуется двигателю для работы до выхода из строя и какой рабочий цикл.Это важно, потому что щеточный двигатель постоянного тока, как упоминалось ранее, подвержен износу из-за трения между щетками и коммутатором. Таким образом, важно убедиться в том, что приложение является тем, в котором двигатель будет функционировать в течение всего срока службы, или приложением, в котором обслуживание двигателя будет считаться нормальным и недорогим, если будут использоваться щеточные двигатели постоянного тока. Хорошим примером этого являются детские игрушки, где игрушки, как правило, выбрасывают или повреждают до изнашивания мотора.В приложениях с длительным сроком службы и техобслуживанием двигатель не является приемлемым вариантом, бесщеточные двигатели постоянного тока обычно являются оптимальным вариантом.

Эффективность

Как правило, бесщеточные двигатели постоянного тока имеют более высокую общую эффективность по сравнению с щеточными двигателями постоянного тока , но были случаи применения щеточных двигателей с сердечником без железа с более высокой эффективностью по сравнению с аналогичными бесщеточными двигателями. Однако важно оценить общую требуемую эффективность и сравнить ее с КПД каждого двигателя, прежде чем принимать решение.В большинстве случаев, когда решающим фактором является эффективность, обычно выигрывают бесщеточные двигатели постоянного тока.

Управление / Активация

Это, как правило, одно из главных препятствий для использования бесщеточных двигателей постоянного тока. Дополнительные требования, такие как контроллеры и т. Д., Делают приведение в действие более сложным по сравнению с приводом щеточных электродвигателей постоянного тока, которые можно приводить в действие / приводить в действие способами, тривиальными, как подключение аккумулятора через его клеммы. Вы должны убедиться, что сложность использования бесщеточного двигателя постоянного тока для проекта оправдана, а вспомогательная электроника, такая как контроллеры, легко доступна.Независимо от простоты щеточных двигателей постоянного тока, они иногда не подходят для высокоточных применений. Хотя щеточный двигатель постоянного тока можно легко подключить к контроллеру, такому как Arduino, гораздо сложнее подключить BLDC к Arduino Uno, однако ESC ( Electronic Speed ​​Controller ) облегчает взаимодействие BLDC с микроконтроллером.

Стоимость

Сложность конструкции бесщеточных двигателей постоянного тока делает их действительно дорогими по сравнению с щеточными двигателями постоянного тока.Убедитесь, что дополнительные затраты находятся в допустимых пределах для проекта, прежде чем переходить на бесщеточные двигатели постоянного тока. Также рассмотрите стоимость других аксессуаров, необходимых для использования BLDC, прежде чем принимать решение.

,
Электроприводы - бесщеточные двигатели постоянного тока и резистивные двигатели

(описание и приложения)

Бесщеточный Моторс

Бесщеточные двигатели, такие как двигатели с постоянными магнитами и переключаемые реактивные двигатели, зависят от электронных систем привода, которые создают вращающиеся магнитные поля для вращения роторов.Появление новых магнитных материалов, таких как сплавы неодима с высоким уровнем магнитного насыщения и высокой коэрцитивной силой, способных устанавливать и поддерживать сильные магнитные поля, позволило создать ряд инновационных бесщеточных конструкций двигателей, исключив один набор обмоток традиционного двигателя, или статор или ротор. Однако реализация многих из этих бесщеточных конструкций стала возможной только благодаря наличию недорогих переключающих полупроводников с высокой мощностью, которые позволили радикально по-новому решить проблему коммутации и значительно упростили механические конструкции.

Motors с постоянными магнитами

Благодаря использованию постоянных магнитов обмотки ротора и механическая коммутация могут быть устранены, что упрощает производство, снижает затраты и повышает надежность. В то же время эффективность повышается за счет устранения необходимости возбуждения обмоток ротора и предотвращения потерь на трение, связанных с коммутатором.

Доступны безщеточные версии двигателей постоянного и переменного тока.

Бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC)

Характеристики скорости и крутящего момента бесщеточных двигателей постоянного тока очень похожи на шунтово-намотанный «полированный» двигатель постоянного тока с постоянным возбуждением. Как и в случае щеточных двигателей, вращающиеся магниты, проходящие через полюса статора, создают обратную ЭДС в обмотках статора. Когда на двигатель подается трехфазная ступенчатая форма волны с положительными и отрицательными импульсами, идущими на 120 градусов, обратная ЭДС или волна потока будет иметь трапециевидную форму.(См. Схему ниже)

  • Синхронный режим
  • Бесщеточные двигатели постоянного тока не являются строго двигателями постоянного тока. Они используют импульсный постоянный ток, подаваемый на обмотки поля статора, чтобы создать вращающееся магнитное поле, и они работают с синхронной скоростью. Хотя они не используют механические коммутаторы, им, тем не менее, требуется электронная коммутация для обеспечения вращающегося поля, что несколько увеличивает их сложность.

  • Управление вращающимся полем и скоростью
    На приведенной ниже схеме пара полюсов A сначала получает импульс постоянного тока, который намагничивает полюс A1 в качестве южного полюса, а A2 - в качестве северного полюса, переводя магнит в исходное положение. Когда магнит проходит первую намагниченную пару полюсов, в этом случае полюса А1 и А2 ток-пара полюсов А отключается, и на следующую пару полюсов В подается аналогичный импульс постоянного тока, в результате чего полюс В1 намагничивается как южный полюс. и B2, чтобы быть северным полюсом.Затем магнит будет вращаться по часовой стрелке, чтобы совпасть с парой полюсов B. При последовательном импульсе пар полюсов статора магнит продолжит вращаться по часовой стрелке, чтобы поддерживать себя на одной линии с полюсами под напряжением. На практике полюсы снабжаются многофазной ступенчатой ​​формой волны для создания плавного вращающегося поля.
  • Шестиступенчатый инвертор используется для генерации трехфазного питания и электронной коммутации между тремя парами катушек статора, необходимых для обеспечения вращающегося поля.

    Только две из трех пар полюсов находятся под напряжением в любое время. Это также означает, что только два из шести инверторных переключателей проводят одновременно. См. Схему управления двигателем ниже.

    Скорость вращения регулируется частотой импульсов, а крутящий момент - током импульса. На практике системе требуется довольно сложная электроника для обеспечения электронной коммутации.

  • Датчик положения и управление скоростью
  • Импульсы тока инвертора запускаются в замкнутой системе сигналом, который представляет мгновенное угловое положение ротора.Частота источника питания, таким образом, контролируется скоростью двигателя.

    Положение ротора может быть определено встроенным в статор устройством (или устройствами) с эффектом Холла, которые обеспечивают электрический сигнал, представляющий напряженность магнитного поля. Амплитуда этого сигнала изменяется при прохождении полюсов магнитного ротора над датчиком. Возможны другие методы измерения, включая датчики вала, а также определение точек пересечения нуля токов, генерируемых в обесточенных фазовых обмотках.Этот последний метод известен как контроль положения без датчика.

    На приведенной ниже схеме показана система управления напряжением и скоростью с помощью соответствующих сигналов тока и напряжения, наложенных на цепи.


    Обратите внимание, что хотя импульсы тока намагничивания имеют форму ступенчатой ​​прямоугольной волны, обратная ЭДС имеет форму трапециевидной волны, обусловленной переходными периодами, когда полюса магнита ротора приближаются и расходятся от катушек статора, когда магнит ротора только частично выровнены с магнитами статора.

    Управление питанием обычно осуществляется с помощью контроллера с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) на входе, который обеспечивает переменное постоянное напряжение для инвертора.

  • Механическая конструкция
  • Ток не подается и не индуцируется в роторах, которые изготовлены из постоянных магнитов или железа и которые перемещаются вращающимся полем.Без токов в роторах эти машины не имеют потерь в роторе I 2 R.

    Без механического коммутатора и обмоток ротора двигатели имеют низкую инерцию ротора, что позволяет достигать гораздо более высоких скоростей, а с устранением этого сильноточного механического переключателя также исключается источник искрения и RFI.

    Обмотки статора - это легкие в изготовлении и установке катушечные обмотки.

    Поскольку все тепловыделяющие контуры находятся в статоре, отвод тепла легче контролировать, и также могут быть достигнуты более высокие токи и мощность двигателя.

    Некоторые бесщеточные двигатели поставляются с управляющей электроникой, встроенной в корпус двигателя.

  • Магниты
  • В зависимости от типоразмера двигателя магниты могут быть выполнены в виде полнокольцевого магнита, в виде спиц или встроены в сердечник ротора.

    Предпочтительные магниты изготавливаются из редкоземельного элемента неодима в сплаве с железом и бором для производства самых сильных постоянных магнитов, доступных в настоящее время.(Большинство известных в мире поставок неодима находится в Китае)

    Одним из недостатков машин с постоянными магнитами является то, что магниты подвержены высокотемпературным осложнениям и потере намагниченности выше температуры Кюри.

    Двигатели с постоянными магнитами по своей природе более эффективны, чем машины с намотанным ротором, поскольку они не имеют потерь проводимости, связанных с токами ротора.

  • Синхронный режим
  • Скорость двигателя прямо пропорциональна частоте импульсов инвертора.Если частота питания фиксирована и двигатель работает в режиме разомкнутого контура, он будет работать с фиксированной синхронной скоростью. Изменение частоты питания соответственно изменит скорость двигателя.

  • Работа с переменной скоростью
  • Бесщеточный двигатель постоянного тока может быть создан, чтобы имитировать характеристики своего почищенного щеткой кузена, скорость которого регулируется изменением приложенного напряжения, а не изменением частоты питания. Частота питания все еще изменяется, но она меняется, так как результат изменения скорости двигателя, а не , вызывает .

    Используя эту конфигурацию, увеличение напряжения импульсного источника постоянного тока от инвертора будет увеличивать ток через обмотки статора, таким образом увеличивая силу на полюсах ротора, вызывая ускорение двигателя так же, как в щеточном двигателе постоянного тока. Несмотря на то, что двигатель работает с переменной скоростью, он все еще является синхронным приложением, поскольку контур обратной связи запускает импульсы инвертора синхронно с вращением двигателя, тем самым заставляя частоту питания следовать скорости двигателя.Это также означает, что двигатель будет запускаться самостоятельно.

  • Характеристики
  • Высокая эффективность и удельная мощность.

    Нет необходимости в обмотках возбуждения для создания потока, как в асинхронных и щеточных двигателях (это называется "штрафом возбуждения"), и, следовательно, нет потерь на проводимость.

    Больше крутящего момента на Ампер благодаря меньшим потерям.

    Компактный, легкий дизайн. Магниты, как правило, меньше, чем обмотки, необходимые для обеспечения эквивалентного поля.

    Снижение затрат благодаря устранению обмоток возбуждения.

    Скорость возможна до 100 000 об / мин, тогда как скорость в щеточных двигателях ограничена центробежными силами на обмотках ротора и коммутаторе.
    Крутящий момент пропорционален скорости, как в щеточном двигателе постоянного тока.

    Трапециевидная форма волны.

    Нет коммутатора, следовательно, низкие эксплуатационные расходы и долгий срок службы.

    Резкие переходы тока вызывают аналогичные резкие переходы крутящего момента, а также магнитострикцию магнитных материалов, приводящую к зубцам, а также к акустическим шумам, которые могут быть нежелательны в некоторых применениях.

  • Заявки
  • Двигатели с постоянными магнитами

    идеально подходят для применений мощностью до 5 кВт. Свыше 5 кВт магниты, необходимые для более мощных применений, становятся все дороже, снижая экономическое преимущество конструкции. Магниты в бесщеточных двигателях также подвержены размагничиванию из-за сильных полей и высоких температур, используемых в приложениях с высокой мощностью. Потери переключения инвертора также становятся значительными при более высоких уровнях мощности.Почищенные щеткой и асинхронные двигатели не страдают от этих проблем.

    Двигатели с постоянными магнитами, таким образом, подходят для тяговых применений от инвалидных колясок малой мощности и багги для гольфа для некоторых автомобилей повышенной мощности.

    Бесщеточные двигатели постоянного тока предпочтительнее щеточных двигателей для питания электрических велосипедов, потому что они не имеют трения, связанного с щетками коммутатора в щеточной версии.

Бесщеточные двигатели переменного тока

Также известный как двигатели переменного тока с постоянным магнитом (PMAC) . Бесщеточные двигатели переменного тока имеют много общего с бесщеточными двигателями постоянного тока.Они, однако, не имеют выступающих полюсов статора, как версия DC. Вместо этого обмотки статора распределены вокруг корпуса двигателя, а магниты имеют такую ​​форму, чтобы индуцировать синусоидальную форму волны обратного ЭДС в каждой фазе двигателя при вращении ротора, а не трапециевидную форму обратной ЭДС, как в двигателях BLDC. Эта синусоидальная форма обратной электромагнитной волны позволяет двигателям PMAC развивать почти постоянный выходной крутящий момент при возбуждении трехфазной синусоидальной кривой тока.

В отличие от двигателей BLDC, все три набора обмоток статора всегда находятся под напряжением для создания вращающегося поля почти так же, как в асинхронном двигателе.Точно так же три фазы инвертора также находятся в постоянном использовании.

Из-за более плавных колебаний тока и крутящего момента двигатели PMAC не страдают от зубцов или акустического шума в той же степени, что и двигатели BLDC.

Reluctance Motors

Реактивный двигатель использует самый простой из всех электрических роторов машин и является одной из старейших известных технологий двигателей, начиная с изобретения Роберта Дэвидсона 1838 года, но только недавно принятого.Он не использует постоянные или электромагниты в роторе, который просто построен из магнитного материала, такого как мягкое железо.

В последние годы было разработано несколько вариантов реактивного двигателя. Двигатели с переменным и переключаемым сопротивлением работают, по сути, по одним и тем же принципам, но оптимизированы для различных применений. Оба они являются синхронными двигателями, похожими на бесщеточный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами, за исключением того, что ротор сделан из железа, а не из постоянных магнитов.Так называемый «синхронный электродвигатель сопротивления» имеет другую конструкцию и функционирует несколько иначе.

    • Двигатель с переменным сопротивлением (VRM)
    • Двигатель с переменным реактивным сопротивлением представляет собой эволюцию шагового двигателя и, как правило, предназначен для использования в системах с низким энергопотреблением, положением разомкнутого контура и системами управления скоростью, где эффективность не имеет первостепенного значения.

    • импульсный электродвигатель (SRM)
    • Переключаемый реактивный двигатель был разработан для использования в мощных, высокоэффективных приводах с регулируемой скоростью, способных обеспечивать широкий диапазон крутящего момента.Для этого им нужен контроль положения в замкнутом контуре.

    • синхронный двигатель сопротивления
    • Синхронный реактивный двигатель похож на синхронный двигатель переменного тока и описан в разделе, посвященном двигателям переменного тока. Ротор имеет выступающие полюса, но статор имеет гладкие распределенные полюсы, в то время как как у переключаемых, так и с переменными механизмами есть выступающие полюсы как для ротора, так и для статора.

  • Моторы с переключением и переменным сопротивлением

    Из-за их сходства принципы коммутируемых и переменных реактивных двигателей описаны здесь вместе.Оба они являются синхронными двигателями, похожими на бесщеточные двигатели с постоянными магнитами, отмеченные выше, за исключением того, что роторы изготовлены из слоистых «мягких» магнитных материалов, имеющих форму выступающих полюсов.

    • Принцип действия
    • Когда кусок магнитного материала может свободно перемещаться в магнитном поле, он выровняется с магнитным полем, чтобы минимизировать сопротивление магнитной цепи.Иными словами, деталь будет ориентироваться на магнитный полюс, создающий поле. (Это также имеет эффект максимизации индуктивности полевой катушки). Созданный таким образом крутящий момент на роторе называется крутящим моментом сопротивления.

      Когда промежутки или выемки между полюсами ротора находятся напротив полюсов статора, магнитная цепь двигателя имеет высокое магнитное сопротивление, но когда полюса ротора совмещены с полюсами статора, магнитная цепь имеет низкое магнитное сопротивление.Когда пара полюсов статора находится под напряжением, ближайшая пара полюсов ротора будет приведена в соответствие с активными полюсами статора, чтобы минимизировать путь сопротивления в машине. Как и в случае бесщеточных двигателей с постоянными магнитами, вращательное движение становится возможным благодаря последовательному возбуждению полюсов статора, в результате чего ротор переходит к следующему полюсу, находящемуся под напряжением.

      Многофазный инвертор подает питание на соответствующие пары полюсов в зависимости от положения вала. Возбуждение полюсов статора должно быть точно синхронизировано с положением ротора, чтобы оно происходило так же, как приближается полюс ротора.Таким образом, реактивный двигатель требует обратной связи по положению для управления коммутацией фазы двигателя. Такое управление с обратной связью может быть обеспечено с помощью датчиков положения, таких как датчики положения или датчики эффекта Холла, для обратной связи угла ротора для запуска коммутатора в соответствующей точке.

      Бессенсорное управление положением также возможно за счет более сложной электроники и программного обеспечения.

      Крутящий момент и КПД двигателя оптимизируются путем синхронизации фазы переключения контроллера с положением ротора, чтобы угол поворота удерживался на максимуме 90 градусов.

      Сложная управляющая электроника была упрощена благодаря доступности недорогих ЦСП

      Практические конструкции двигателей имеют двойную значимость (статор и ротор имеют выступающие полюса) с несколькими полюсами статора и ротора. Ротор, однако, обычно имеет меньше полюсов, чем статор, для обеспечения самозапуска и двунаправленного управления.

      Поскольку ротор не является постоянным магнитом, а изготовлен из железа, обратная ЭДС не генерируется, что позволяет двигателю развивать гораздо более высокие скорости, чем с аналогичными двигателями с постоянными магнитами.

      Двигатель не требует синусоидальных возбуждающих сигналов для эффективной работы, поэтому он может поддерживать более высокий крутящий момент и эффективность в более широких диапазонах скоростей, чем это возможно в других современных системах с переменной скоростью.

      Из-за двойной значимости конструкция страдает от пульсаций крутящего момента, структурных резонансов и акустического шума, и для сглаживания этих изменений необходимы различные методы, такие как множественные полюса и формирование полюсов.

      Коммутируемая реактивная машина также может работать как генератор.

    • Характеристики
    • № I 2 R потери в роторе.
      Инертный ротор. Нет постоянного магнита.
      Компактный размер и небольшой вес.

      Низкая стоимость.

      Эффективность выше 90%.

      Недорогой и простой в изготовлении.

      Самая низкая сложность конструкции любого мотора. Много штампованных металлических элементов.

      Высокая надежность (без износа щетки). Прочная конструкция.

      Высокая эффективность.

      Возможен высокий пусковой момент и высокая скорость работы.

      Как и в случае двигателей BLDC, реактивные двигатели страдают от чрезмерного шума и зубцов.

      Поскольку реактивные двигатели не имеют постоянных магнитов для создания магнитного поля в воздушном зазоре между ротором и статором, им нужен очень маленький воздушный зазор для концентрации любого магнитного поля. Это требует жестких допусков и увеличения производственных затрат.

    • Приложения
    • Доступно с номиналами до тысяч ампер и сотен киловольт.

      Автомобильная промышленность в настоящее время широко использует двигатели с переменным сопротивлением для таких применений, как тяговые приводы, системы гидроусилителя руля, насосы и стеклоочистители.

      3 или 4-фазные двигатели, используемые для скутеров и вентиляторов.

      Высокоскоростные насосы и компрессоры.

      Бытовая техника.

      См. Также Интегрированный стартовый генератор.

  • Шаговые двигатели
  • Шаговый двигатель, который включает в себя некоторые особенности современного импульсного двигателя, был изобретен и запатентован в 1920-е годы в Абердине К.Л. Уокер

    Шаговый двигатель - это особый случай двигателя с переменным сопротивлением или бесщеточного двигателя постоянного тока с постоянными магнитами.Вместо подачи постоянного, повторяющегося потока импульсов двигатель может шагать по одному импульсу за раз, позволяя двигателю совершать очень точные угловые вращения. Двигатель является обратимым, положительные импульсы, вызывающие вращение в одном направлении, в то время как отрицательные идущие импульсы вести двигатель в обратном направлении.

    Если двигатель соединен с ходовым винтом, его можно использовать для точного линейного перемещения.

    Импульсы могут генерироваться генератором с управлением напряжением (VCO), но конструкция особенно подходит для цифровых и микропроцессорных контроллеров.

    Все эти факторы делают шаговый двигатель идеальным для промышленной робототехники, станков и контроллеров процессов.

    Угол ступеньки для каждого импульса определяется как:

    Угол шага = 360 °

    (зубья ротора) X (фазы статора)

    Управление положением возможно просто путем подсчета импульсов, и сложные системы обратной связи замкнутого контура не нужны для основной операции.Более точное управление (меньшие углы) может быть достигнуто путем укладки и смещения нескольких роторов и статоров вдоль одного вала ротора.

    Для очень длинных движений может быть желательно контролировать скорость во время операции, ускоряя ее до максимальной скорости поворота, а затем замедляясь по мере приближения к цели. Для таких приложений может быть добавлено управление скоростью в замкнутом контуре.

    Шаговые двигатели также используются в хронометристах.При подаче регулярной последовательности импульсов вращение вала представляет истекшее время. Это может быть использовано для управления указателями часов или часов.

    Шаговые двигатели

    подразделяются на постоянные магниты (PM), переменное сопротивление (VR) или гибридные (комбинация PM и VR).

    • Характеристики
    • Точный контроль положения.

      Простой контроль положения в разомкнутом контуре.

      Поддается простому компьютерному управлению.

    • Заявки
    • Используется в компьютерных плоттерах и принтерах.

      Промышленный контроль.

      Станки с ЧПУ.

      Робототехническое оборудование.

      Часы

Пчела также

Основы электрических машин

DC Motors

AC Motors

,

Смотрите также

Автопрофи, г. Екатеринбург, ул. Таватуйская, 20.