bldc мотор что это такое

Создание и тестирование бесколлекторного мотора

В этой статье мы хотели бы рассказать о том, как мы с нуля создали электрический мотор: от появления идеи и первого прототипа до полноценного мотора, прошедшего все испытания. Если данная статья покажется вам интересной, мы отдельно, более подробно, расскажем о наиболее заинтересовавших вас этапах нашей работы.

На картинке слева направо: ротор, статор, частичная сборка мотора, мотор в сборе

Вступление

Электрические моторы появились более 150 лет назад, однако за это время их конструкция не претерпела особых изменений: вращающийся ротор, медные обмотки статора, подшипники. С годами происходило лишь снижение веса электромоторов, увеличение КПД, а также точности управления скоростью.

Сегодня, благодаря развитию современной электроники и появлению мощных магнитов на основе редкоземельных металлов, удаётся создавать как никогда мощные и в то же время компактные и легкие “Бесколлекторные” электромоторы. При этом, благодаря простоте своей конструкции они являются наиболее надежными среди когда-либо созданных электродвигателей. Про создание такого мотора и пойдет речь в данной статье.

Описание мотора

В “Бесколлекторных моторах” отсутствует знакомый всем по разборке электроинструмента элемент “Щетки”, роль которых заключается в передаче тока на обмотку вращающегося ротора. В бесколлекторных двигателях ток подается на обмотки не-двигающегося статора, который, создавая магнитное поле поочередно на отдельных своих полюсах, раскручивает ротор, на котором закреплены магниты.

Первый такой мотор был напечатан нами 3D принтере как эксперимент. Вместо специальных пластин из электротехнической стали, для корпуса ротора и сердечника статора, на который наматывалась медная катушка, мы использовали обычный пластик. На роторе были закреплены неодимовые магниты прямоугольного сечения. Естественно такой мотор был не способен выдать максимальную мощность. Однако этого хватило, что бы мотор раскрутился до 20к rpm, после чего пластик не выдержал и ротор мотора разорвало, а магниты раскидало вокруг. Данный эксперимент сподвиг нас на создание полноценного мотора.

Узнав мнение любителей радиоуправляемых моделей, в качестве задачи, мы выбрали мотор для гоночных машинок типоразмера “540”, как наиболее востребованного. Данный мотор имеет габариты 54мм в длину и 36мм в диаметре.

Ротор нового мотора мы сделали из единого неодимового магнита в форме цилиндра. Магнит эпоксидкой приклеили на вал выточенный из инструментальной стали на опытном производстве.

Статор мы вырезали лазером из набора пластин трансформаторной стали толщиной 0.5мм. Каждая пластина затем была тщательно покрыта лаком и затем из примерно 50 пластин склеивался готовый статор. Лаком пластины покрывались чтобы избежать замыкания между ними и исключить потери энергии на токах Фуко, которые могли бы возникнуть в статоре.

Корпус мотора был выполнен из двух алюминиевых частей в форме контейнера. Статор плотно входит в алюминиевый корпус и хорошо прилегает к стенкам. Такая конструкция обеспечивает хорошее охлаждение мотора.

Измерение характеристик

Для достижения максимальных характеристик своих разработок, необходимо проводить адекватную оценку и точное измерение характеристик. Для этого нами был спроектирован и собран специальный диностенд.

Основным элементом стенда является тяжёлый груз в виде шайбы. Во время измерений, мотор раскручивает данный груз и по угловой скорости и ускорению рассчитываются выходная мощность и момент мотора.

Для измерения скорости вращения груза используется пара магнитов на валу и магнитный цифровой датчик A3144 на основе эффекта холла. Конечно, можно было бы измерять обороты по импульсам непосредственно с обмоток мотора, поскольку данный мотор является синхронным. Однако вариант с датчиком является более надёжным и он будет работать даже на очень малых оборотах, на которых импульсы будут нечитаемы.

Кроме оборотов наш стенд способен измерять ещё несколько важных параметров:

В результате наш стенд способен измерять в произвольный момент времени следующие характеристики мотора:

Результаты тестирования

Для проверки работоспособности стенда мы сначала испытали его на обычном коллекторном моторе R540-6022. Параметров для этого мотора известно достаточно мало, однако этого хватило, чтобы оценить результаты измерения, которые получились достаточно близкими к заводским.

Затем уже был испытан наш мотор. Естественно он смог показать лучшее КПД(65% против 45%) и при этом больший момент(1200 против 250 г на см), чем обычный мотор. Измерение температуры тоже дало достаточно хорошие результаты, во время тестирования мотор не нагревался выше 80 градусов.

Но на данный момент измерения пока не окончательны. Нам не удалось измерить мотор в полном диапазоне оборотов из-за ограничения мощности источника питания. Также предстоит сравнить наш мотор с аналогичными моторами конкурентов и испытать его “в бою”, поставив на гоночную радиоуправляемую машину и выступить на соревнованиях.

Источник

Бесколлекторные двигатели постоянного тока. Что это такое?

Этой статьёй я начинаю цикл публикаций о бесколлекторных двигателях постоянного тока. Доступным языком опишу общие сведения, устройство, алгоритмы управления бесколлекторным двигателем. Будут рассмотрены разные типы двигателей, приведены примеры подбора параметров регуляторов. Опишу устройство и алгоритм работы регулятора, методику выбора силовых ключей и основных параметров регулятора. Логическим завершением публикаций будет схема регулятора.

Бесколлекторные двигатели получили широкое распространение благодаря развитию электроники и, в том числе, благодаря появлению недорогих силовых транзисторных ключей. Также немаловажную роль сыграло появление мощных неодимовых магнитов.

Однако не стоит считать бесколлекторный двигатель новинкой. Идея бесколлекторного двигателя появилась на заре электричества. Но, в силу неготовности технологий, ждала своего времени до 1962 года, когда появился первый коммерческий бесколлекторный двигатель постоянного тока. Т.е. уже более полувека существуют различные серийные реализации этого типа электропривода!

Немного терминологии

Для управления двигателем применяется электронный регулятор. В зарубежной литературе Speed Controller или ESC (Electronic speed control).

Что такое бесколлекторный двигатель?

Преимущества и недостатки

Что происходит в регуляторе бесколлекторного двигателя?

Датчики положения, двигатели без датчиков

Существуют бесколлекторные двигатели, которые не имеют датчиков. В таких двигателях положение ротора определяется путем измерения напряжения на незадействованной в данный момент времени обмотке. Эти методы также будут рассмотрены позднее. Следует обратить внимание на существенный момент: этот способ актуален только при вращении двигателя. Когда двигатель не вращается или вращается очень медленно, такой метод не работает.

В тех случаях, когда конструктивно невозможно разместить датчики в корпусе двигателя, используют двигатели без датчиков. Конструктивно такие двигатели практически не отличаются от двигателей с датчиками. А вот электронный блок должен уметь управлять двигателем без датчиков. При этом блок управления должен соответствовать характеристикам конкретной модели двигателя.

Три фазы

Двигатели с датчиками имеют дополнительных 5 проводов (2-питание датчиков положения, и 3 сигналы от датчиков).

В трехфазной системе в каждый момент времени напряжение подается на две из трех обмоток. Таким образом, есть 6 вариантов подачи постоянного напряжения на обмотки двигателя, как показано на рисунке ниже.

Это позволяет создать вращающееся магнитное поле, которое будет проворачиваться «шагами» на 60 градусов при каждом переключении. Но не будем забегать наперед. В следующей статье будут рассмотрены устройство бесколлекторного двигателя, варианты расположения магнитов, обмоток, датчиков и т.д., а позже будут рассмотрены алгоритмы управления бесколлекторными двигателями.

Бесколлекторные моторы «на пальцах» Что такое бесколлекторные моторы и как управлять бесколлекторными моторами:

Источник

Трёхфазный бесколлекторный двигатель

1. Двигатель стиральной машины с прямым приводом

Пожалуй уже каждый слышал о стиральных машинах с прямым приводом барабана. Но до сих пор, даже не все специалисты по ремонту стиральных машин знают как устроен и как работает двигатель в такой машине.

Сама идея конечно не новая, ведь за основу взят шаговый двигатель, который уже давно получил распространение во многих электротехнических устройствах. А вот первое применение его в конструкции стиральной машины в качестве привода барабана, принадлежит корейскому концерну LG. С середины 2005 года, компания LG начала активно продвигать свою продукцию, заявляя о 10-ти летней гарантии на двигатель для стиральных машин с прямым приводом.

Сегодня, помимо LG, компании Samsung, Haier и Whirpool в ряде моделей стиральных машин стали применять подобные двигатели. Забегая вперёд, можно сказать, что компания LG не просчиталась и двигатель для прямого привода барабана действительно довольно надёжный и имеет преимущество по сравнению с более традиционным и распространённым коллекторным двигателем.

2. Устройство двигателя

Такой двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Различают два вида подобных двигателей:

Inrunner, у которых магниты ротора находятся внутри статора с обмотками, и Outrunner, у которых магниты расположены снаружи и вращаются вокруг неподвижного статора с обмотками. В стиральных машинах с прямым приводом применяется Outrunner тип двигателя.

В этой статье мы ознакомим с устройством двигателя от стиральной машины LG.

3. Ротор

Рис.2 Ротор двигателя стиральной машины LG с прямым приводом

4. Статор

Рис.3 Статор двигателя стиральной машины LG с прямым приводом

Поскольку в каждый момент времени работают только две фазы (при включении звездой), магнитные силы воздействуют на ротор неравномерно по всей окружности (Рис.5).

Силы, воздействующие на ротор, стараются его перекосить, что приводит к увеличению вибраций. Для устранения этого эффекта статор делают с большим количеством зубьев, а обмотку распределяют по зубьям всей окружности статора как можно равномернее (Рис.6)

Рис.4 Соединение обмоток по схеме «звезда»

Рис.5 Воздействие магнитных сил на ротор

В двигателе стиральной машины LG, распределение фазных обмоток, а также относительное положение ротора и статора можно увидеть ниже (см. Рис.7). На схеме производителя, фазные обмотки обозначают буквами : V, W, U

Рис.7 Трёхфазный двигатель постоянного тока (BLDC) стиральной машины LG (общий вид)

Для контроля положения ротора применяется датчик работающий на эффекте Холла. Датчик реагирует на магнитное поле и поэтому его располагают на статоре таким образом, чтобы магниты ротора воздействовали на него.

5. Система управления трёхфазным двигателем (BLDC)

Стоит отметить, что система управления двигателем BLDC и схема её реализации аналогична схеме управления трёхфазным асинхронным двигателем описанной в другой нашей статье. Что бы в точности не повторяться, поясним всё же немного по другому.

Двигатель постоянного тока имеет три вывода (т.е. три фазы), на которые в разный момент времени подаётся «+» и «-» питания. Это реализуется при помощи IGBT (биполярных транзисторов с изолированным затвором) представляющие электронные силовые ключи, включённые по мостовой схеме (Рис.8)

Рис.8 Условная схема силовой части инвертора и обмоток двигателя подключённых по схеме «звезда»

При включении ключей, как показано выше, на двигатель подается полное напряжение питания. При этом двигатель развивает максимальные обороты (мощность). Чтобы обеспечить управление двигателем, нужно регулировать напряжение питания двигателя. Изменение действующего напряжения осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

На (Рис.9) представлен график, иллюстрирующий применение трёхуровневой ШИМ для управления электродвигателем, которая используется в приводах асинхронных электродвигателей с переменной частотой. Напряжение от ШИ-модулятора, подаваемое на обмотку двигателя показано в виде прямоугольных импульсов. Пунктирной линией грубо изображён магнитный поток в статоре двигателя. Магнитный поток имеет приблизительно синусоидальную форму, благодаря соответствующему закону ШИМ.

Поэтому, ключи открыты не все время, а открываются, и закрываются с фиксированной частой, но изменяемой скважностью. Таким образом, изменяется действующее напряжение от нулевого до напряжения питания.

Назревает вопрос: зачем нужно менять скважность, зачем эта частота и для чего это всё нужно? Дело в том, что слишком малая частота может быть не эффективной или не обеспечивать необходимой плавности регулирования оборотов двигателя.

Рис.9 График иллюстрирующий напряжение от ШИ-модулятора, подаваемое на обмотку двигателя.

Например: если ротор двигателя имеет два полюса, то при одном полном обороте магнитного поля на статоре, ротор совершает один полный реальный оборот.

При 4 полюсах, чтобы повернуть вал двигателя на один полный оборот потребуется два оборота магнитного поля на статоре. Чем больше количество полюсов ротора, тем больше потребуется электрических оборотов для вращения вала двигателя на один оборот.

В нашем случае, имеется 12 магнитов на роторе. Для того, чтобы провернуть ротор на один оборот, потребуется 12/2=6 электрических оборотов поля. Поэтому, учитывая особенность конструкции двигателя и инверторную систему управления, для питания фаз двигателя необходима электрическая частота значительно выше 50Гц.

Чтобы добиться управления оборотами двигателя нужно наложить сигнал ШИМ, на сигналы, подаваемые на ключи. Для этого, микроконтроллер электронного блока управления, программно формирует ШИМ для каждого из ключей (IGBT). В программу контроллера, производитель закладывает определённый алгоритм и все данные для управления конкретным двигателем.

6. Неисправности и диагностика двигателя

Как и говорилось выше, сам по себе двигатель довольно надёжный, относительно простой и в практике известны единичные случаи выхода из строя обмоток статора. Магниты на статоре имеют конечно не самое высшее качество, но их отклеивание или расколы почти не встречались.

Уязвимая деталь, пожалуй только датчик Холла. При возникновении его неисправности, отсутствует сигнал положения ротора, что приводит к некорректной работе системы питания фаз двигателя. В этом случае можно наблюдать, как ротор двигателя стопорится и издаёт дребезжащий металлический звук. В стиральных машинах LG, эта проблема зачастую сопровождается кодом неисправности «SE» на модуле интерфейса.

В отличие от коллекторного двигателя, запустить и проверить трёхфазный двигатель напрямую вне стиральной машины без каких-либо специальных приспособлений не получится, поскольку статор крепится к баку, а ротор к валу барабана стиральной машины. Поэтому, при наличии обычного цифрового мультиметра, можно проверить только сопротивление обмоток фаз статора. В связи с этим, на практике, при диагностировании неисправности, проблемную деталь двигателя или модуль управления, выявляют путём замены детали на заведомо исправную.

7. Преимущества и недостатки BLDC двигателей

Более ярким получится сравнение трёхфазного двигателя (BLDC) с традиционным коллекторным двигателем, которым оснащено большинство стиральных машин.

К преимуществу двигателей BLDC стоит отнести:

К недостаткам двигателя BLDC относятся:

Справедливости ради, стоит отметить, что двигатель стиральной машины LG с прямым приводом не идеально бесшумный. В момент пуска двигателя, из-за взаимодействия магнитных полей статора с магнитами ротора, возникают колебания последнего, сопровождающиеся характерным металлическим звоном. По мере увеличения оборотов ротора, звук становится более мягким, но всё-равно своеобразным и характерным для всех стиральных машин LG с прямым приводом барабана.

Источник

Что такое бесщеточные шуруповерты? Их плюсы и минусы

Содержание

Содержание

Все чаще на электроинструменте можно встретить надпись «Brushless motor». Это значит, что девайс оснащен бесщеточным электродвигателем постоянного тока. Действительно ли от этого есть толк или это очередная уловка маркетологов? Давайте разбираться на примере шуруповертов.

Мы будем говорить о шуруповертах как о наиболее востребованном электроинструменте в арсенале домашнего мастера (кто крутил саморезы отверткой, тот поймет). Но тезисы материала безоговорочно распространяются на весь электроинструмент, оснащенный бесщеточными двигателями.

Конструкция и принцип действия

«Brushless motor» в буквальном переводе означает бесщеточный двигатель, в конструкции которого отсутствует коллектор и щеточный узел. Также можно встретить сокращение BLDC, которым именуют бесщеточный электродвигатель постоянного тока.

Классический коллекторный двигатель

Щеточный узел — это механическая контактная часть якоря электродвигателя. С помощью него через пластины коллектора подается напряжение на обмотку якоря. Электрический ток, протекая по проводнику, вызывает электромагнитное поле. Магнитное поле обмотки якоря, взаимодействуя с постоянным магнитным полем статорных обмоток, приводит к возникновению крутящего момента на валу электродвигателя и его вращению. Чтобы вращение вала сохранялось постоянно, напряжение на отдельные проводники якорной обмотки нужно подавать в определенной последовательности. Электрический ток должен протекать по рамкам якорной обмотки в нужный момент, а электромагнитное поле, наводимое в проводниках, взаимодействовало с постоянным магнитным полем обмоток статора. В двигателе постоянного тока эту функцию выполняет коллекторный узел на якоре электродвигателя.

В бесщеточном электродвигателе коллектор и щетки отсутствуют, но принцип взаимодействия постоянного магнитного поля якоря с электромагнитным полем обмоток статора остается неизменным. Только в BLDC моторе нужно подавать постоянное напряжение на обмотки статора в определенные интервалы времени, имитируя работу коллектора.

Как правило, в конструкции статора бесщеточного мотора используются три пары обмоток, и напряжение на них подается поочередно. При подаче напряжения на первую пару обмоток якорь с постоянными магнитами поворачивается, выравнивая свое положение в соответствии с направлением силовых линий возникшего магнитного поля. В этот момент напряжение с первой пары обмоток снимается и подается на вторую пару. Поскольку якорь электродвигателя обладает определенным моментом инерции, он не останавливается моментально, а продолжает свое вращение, и его магниты начинают взаимодействовать со следующим магнитным полем. Так продолжается до тех пор, пока на обмотки статора поочередно подается напряжение.

Это упрощенная схема работы Brushless мотора. На самом деле, для усиления крутящего момента и исключения «провалов» его полки, в работе постоянно находятся две пары обмоток. Одна из них притягивает постоянные магниты якоря в моменты, когда они находятся до средней линии полюса катушки, а вторая подталкивает, как только полюс катушки пройден центральной частью постоянного магнита якоря. На первую пару катушек подается напряжение прямой полярности, а на вторую — обратной.

Для определения, на какие пары катушек нужно подать напряжение и какой полярности, в системе установлен датчик положения ротора. Он состоит из трех датчиков Холла, дающих контроллеру сигнал о необходимости формирования напряжения на каждой из пар катушек статора.

На видео наглядно проиллюстрирована работа бесщеточного двигателя:

Плюсы и минусы бесщеточного шуруповерта

Производители пишут, что основная изюминка бесщеточного шуруповерта — не нужно менять щетки, которых нет. Это на самом деле так, но так ли сложно поменять щетки?

За этим «жирным» плюсом притаился довольно коварный минус. Дело в том, что более-менее нагруженный шуруповерт потребует замены щеток на второй, а то и третий год работы. Проводя их замену, бережливый владелец наверняка заглянет и в другие узлы инструмента. Обратит внимание на состояние подшипников, очистит внутренности от пыли, заложит порцию свежей смазки — в общем, проведет полное техобслуживание инструмента. В случае с бесколлекторным инструментом, о необходимости сервисного обслуживания можно просто забыть и вспомнить о нем, когда шуруповерт начнет конкретно барахлить.

Вот по-настоящему значимые преимущества бесщеточного инструмента:

Но бесщеточным инструментам присущи и некоторые недостатки:

Перспективы бесщеточных шуруповертов на рынке электроинструмента

Переход на бесщеточные инструменты неизбежен, поскольку они выгодны в первую очередь самим производителям ввиду унификации производственных процессов, уменьшению количества составных частей и улучшения технических характеристик выпускаемых моделей. Конечному пользователю такой переход абсолютно ничем не грозит. Шуруповерты как закручивали винты и саморезы, так и будут, исходя из своих технических возможностей.

Для профессиональной деятельности однозначно стоит смотреть в сторону бесщеточных моделей. Они экономичней, шустрее и надежней. Каждый рубль, вложенный в их покупку, окупится сторицей.

А вот домашнему мастеру стоит взвесить все «за» и «против», реально оценить возможную загруженность инструмента и свою готовность отдать больше денег за современные технологии.

Источник