Bezszczotkowy silnik prądu stałego: zasada działania, urządzenie, typy

Definicja

Silnik prądu stałego nazywany jest silnikiem bezszczotkowym, którego prąd w uzwojeniach przełącza specjalny urządzenie przełączające - nazywa się "sterownik" lub "falownik" i te uzwojenia są zawsze włączone stojan. Przełącznik składa się z 6 tranzystorów, które dostarczają prąd do jednego lub drugiego uzwojenia, w zależności od położenia wirnika.

W literaturze krajowej takie silniki nazywane są „zaworami” (ponieważ przełączniki półprzewodnikowe nazywane są „zaworami”) i istnieje podział takich maszyn elektrycznych na dwa typy zgodnie z formą przeciw-EMF. W literaturze zagranicznej taka różnica pozostaje, jedna z nich nazywana jest podobnie do rosyjskiego „BLDC” (bezszczotkowy napęd prądu stałego lub silnik), który dosłownie brzmi jak „bezszczotkowy silnik prądu stałego” w swoich uzwojeniach, trapezoidalny EMF. Silniki elektryczne zaworowe z sinusoidalnym polem elektromagnetycznym nazywane są PMSM (maszyna synchroniczna z magnesami trwałymi), co tłumaczy się jako „synchroniczny silnik elektryczny z wzbudzeniem magnesem trwałym”.

Urządzenie i Zasada działania

Kolektor w KDPT służy jako węzeł do przełączania prądu w uzwojeniach twornika. W bezszczotkowym silniku prądu stałego (BDCT) rolę tę pełnią nie szczotki z lamelami, ale przełącznik, jest to przełącznik półprzewodnikowy - tranzystory. Tranzystory przełączają uzwojenia stojana, tworząc wirujące pole magnetyczne, które oddziałuje z polem magnesów wirnika. A kiedy prąd przepływa przez przewodnik znajdujący się w polu magnetycznym, działa dalej siła ampera, w wyniku działania tej siły na wale maszyn elektrycznych powstaje moment obrotowy. Na tym się opiera zasada działania dowolny silnik elektryczny.

Teraz zastanówmy się nad tym jak to działa Silnik bezszczotkowy. Na stojanie BDPT są zwykle 3 uzwojenia, przez analogię z silnikami prądu przemiennego, często nazywane są one trójfazowe. To częściowo prawda: silniki bezszczotkowe działają ze źródła prądu stałego (często z baterii), ale sterownik włącza prąd w uzwojeniach jeden po drugim. Jednak stwierdzenie, że przez uzwojenia płynie prąd przemienny, nie jest do końca prawdą. Ostateczną postać uzwojenia napięcia zasilającego tworzą prostokątne impulsy sterujące tranzystora.

Trójfazowy silnik bezszczotkowy może być trójprzewodowy lub czteroprzewodowy, gdzie czwarty przewód to odczep od punktu środkowego (jeśli uzwojenia są połączone wzdłuż) wzór gwiazdy).

Kręty lub mówiący w prostych słowach, zwoje drutu miedzianego pasują do zębów rdzenia stojana. W zależności od konstrukcji i przeznaczenia napędu, na stojanie może być różna liczba zębów. Istnieją różne warianty rozmieszczenia uzwojeń fazowych wzdłuż zębów wirnika, co ilustruje poniższy rysunek.

Uzwojenia każdego z zębów w ramach jednej fazy mogą być połączone szeregowo lub równolegle, w zależności od dostarczonego projektant zadań dotyczących mocy i momentu obrotowego projektowanego napędu, a same uzwojenia fazowe są połączone ze sobą zgodnie z gwiazdą lub trójkąt jak asynchroniczny lub synchroniczny silniki trójfazowe prądu przemiennego.

W stojanie można zamontować czujniki położenia wirnika. Często stosowane są czujniki Halla, które pod wpływem pola magnetycznego magnesów wirnika dają sygnał do sterownika. Jest to konieczne, aby sterownik „wiedział”, w której pozycji znajduje się wirnik i zasilał odpowiednie uzwojenia. Jest to konieczne, aby zwiększyć wydajność i stabilność pracy, a jeśli krótko, - wycisnąć z silnika całą możliwą moc. Zazwyczaj zainstalowane są 3 czujniki. Ale obecność czujników komplikuje konstrukcję bezszczotkowego silnika elektrycznego, należy do nich podłączyć dodatkowe przewody zasilające i linie danych.

W BDPT do wzbudzenia wykorzystywane są magnesy trwałe zamontowane na wirniku, a stojan jest twornikiem. Przypomnijmy, że w maszynach kolektorowych jest odwrotnie (wirnik jest zworą), a do wzbudzenia w CD stosuje się zarówno magnesy trwałe, jak i elektromagnesy (uzwojenia).

Magnesy montuje się z naprzemiennymi biegunami i odpowiednio ich liczba określa liczbę par biegunów. Ale to nie znaczy, że tyle magnesów, tyle par biegunów. Kilka magnesów może tworzyć jeden biegun. Liczba biegunów, podobnie jak w przypadku silnika asynchronicznego (i innych), zależy od liczby obrotów na minutę. Oznacza to, że silniki bezszczotkowe o różnej liczbie par biegunów będą się obracać z różnymi prędkościami z tego samego sterownika przy tych samych ustawieniach.

Rodzaje BDPT

Teraz zastanówmy się nad tym czym są silniki bezszczotkowe magnesy trwałe. Są one klasyfikowane według formy przeciwelektromotorycznej, konstrukcji, a także obecności czujników położenia wirnika. Tak więc dwa główne rodzaj charakteryzuje się formą przeciwelektromotoryczną, która jest indukowana w uzwojeniach podczas obracania się wirnika:

• BLDC - w nich trapezowy przeciw-EMF;
• PMSM - sinusoidalna tylna EMF.

Idealnie wymagają różnych zasilaczy (sterowników), ale w praktyce są one zamienne. Ale jeśli użyjesz sterownika z kwadratowym lub trapezowym napięciem wyjściowym z silnikiem PMSM, usłyszysz charakterystyczne dźwięki podobne do stukania podczas obracania.

Z założenia bezszczotkowe silniki prądu stałego to:

• Z wirnikiem wewnętrznym. Jest to bardziej znana reprezentacja silnika elektrycznego, gdy stojan jest obudową, a znajdujący się w nim wał obraca się. Często nazywa się je angielskim słowem „Inrunner”. Ta opcja jest zwykle używana w przypadku szybkich silników elektrycznych.
• Z zewnętrznym wirnikiem. Tutaj zewnętrzna część silnika obraca się z zamocowanym na nim wałem, w źródłach anglojęzycznych nazywa się to „outrunner”. Ten schemat urządzenia jest używany, gdy potrzebny jest wysoki moment obrotowy.

Wybierać budowa którykolwiek do czego to jest potrzebne? silnik bezszczotkowy do konkretnego zastosowania.

Współczesny przemysł produkuje silniki bezszczotkowe z czujnikami położenia wirnika lub bez nich. Faktem jest, że istnieje wiele sposobów sterowania BDPT, dla niektórych potrzebne są czujniki położenia, inne określają pozycje przez EMF w uzwojenia, te trzecie po prostu zasilają wymagane fazy, a silnik elektryczny samoczynnie synchronizuje się z takim zasilaniem i wchodzi do pracy tryb.

Główny specyfikacje bezszczotkowe silniki prądu stałego:

1. Tryb pracy - długoterminowy lub krótkoterminowy.
2. Maksymalne napięcie robocze.
3. Maksymalny prąd roboczy.
4. Maksymalna moc.
5. Obroty maksymalne, często wskazują nie obroty, ale KV - obr/v, czyli liczbę obrotów na 1 wolt przyłożonego napięcia (brak obciążenia na wale). Aby uzyskać maksymalną prędkość, pomnóż tę liczbę przez maksymalne napięcie.
6. Rezystancja uzwojenia (im mniejsza, tym wyższa sprawność) wynosi zwykle setne i tysięczne Ohm.
7. Kąt wyprzedzenia fazy (czas) to czas, po którym prąd w uzwojeniu osiąga maksimum, wynika to z jego indukcyjności i praw komutacji (prąd w indukcyjności nie może się natychmiast zmienić.

Jak podłączyć silnik bezszczotkowy

Jak wspomniano powyżej, do obsługi silnika bezszczotkowego potrzebny jest specjalny sterownik. Na aliexpress można znaleźć oba zestawy silnika i kontrolera oraz osobno. Kontroler jest również nazywany ESC Motor lub Electric Speed ​​​​Controller. Są one dobierane w zależności od natężenia prądu dostarczanego do obciążenia.

Zazwyczaj podłączenie silnika elektrycznego do sterownika jest proste, a nawet zrozumiałe dla manekinów. Najważniejszą rzeczą, którą musisz wiedzieć, jest to, że aby zmienić kierunek obrotów, musisz zmienić połączenie dowolnych dwóch faz, tak jak w trójfazowych silnikach asynchronicznych lub synchronicznych.

Sieć posiada również szereg rozwiązań i schematów technicznych, zarówno złożonych, jak i dla czajnikiktóre możesz zobaczyć poniżej.

W tym filmie autor opowiada, jak zaprzyjaźnić się między silnikiem BC a „Arduiną”.

W tym filmie dowiesz się o różnych sposobach łączenia się z różnymi regulatorami i jak możesz to zrobić samodzielnie. Autor demonstruje to na przykładzie silnika z dysku twardego i kilku potężnych kopii - wjazdu i wybiega.

Przy okazji dołączamy również schemat z filmu do powtórzenia:

Gdzie używane są silniki bezszczotkowe

Zakres zastosowania takich silników elektrycznych jest znacznie wyprzedzający harmonogram. Wykorzystywane są zarówno do napędu małych mechanizmów: w napędach CD, DVD, dyskach twardych, jak i w urządzeniach o dużej mocy: akumulator i elektronarzędzie sieciowe (z zasilaczem na zamówienie 12V), modele sterowane radiowo (na przykład quadkoptery), maszyny CNC do napędzania korpusu roboczego (zwykle silniki o napięciu znamionowym 24V lub 48V).

BDPT są szeroko stosowane w pojazdach elektrycznych, prawie wszystkie nowoczesne koła motorowe skuterów elektrycznych, rowerów, motocykli i samochodów to silniki bezszczotkowe. Nawiasem mówiąc, napięcie znamionowe silników elektrycznych do transportu leży w szerokim zakresie, na przykład koło silnikowe do roweru często działa od 36V lub z 48V, z rzadkimi wyjątkami i więcej, a w samochodach, na przykład w Toyocie Prius, około 120 V, a w Nissanie Leaf - osiąga 400, gdy jest ładowany z sieci 220V (jest to realizowane za pomocą wbudowanego konwertera).

Tak właściwie obszar zastosowań bezszczotkowe silniki elektryczne są bardzo rozbudowane, brak zespołu kolektora pozwala na zastosowanie go w miejscach niebezpiecznych, a także w miejscach o dużej wilgotności, bez obawy o zwarcie, iskry czy pożar z powodu wad szczotki węzeł. Ze względu na wysoką wydajność oraz dobrą wagę i wymiary znalazły zastosowanie w przemyśle kosmicznym.

Zalety i wady

Bezszczotkowe silniki prądu stałego, podobnie jak inne typy maszyn elektrycznych, mają pewność zalety i wady.

Zalety BDPT są następujące:

• Dzięki wzbudzeniu silnymi magnesami trwałymi (na przykład neodymowymi) przewyższają moment obrotowy i moc oraz mają mniejsze wymiary niż silniki indukcyjne. Z czego korzysta większość producentów pojazdów elektrycznych, od skuterów po samochody.
• Brak iskrzącego się zespołu zbieraka szczotek, który wymaga regularnej konserwacji.
• Przy zastosowaniu wysokiej jakości kontrolera, w przeciwieństwie do tej samej płyty CD, nie powodują zakłóceń w sieci zasilającej, co szczególnie ważne w urządzeniach sterowanych radiowo i pojazdach z zaawansowanym sprzętem elektronicznym na pokładzie sieci.
• Wydajność ponad 80, częściej 90%.
• Wysoka prędkość obrotowa, w niektórych przypadkach do 100 000 obr./min.

Ale jest też znacząca wada: bezszczotkowy silnik bez sterownika to tylko kawałek żelaza z miedzianym uzwojeniem. Nie będzie mógł w żaden sposób pracować. Kontrolery nie są tanie i najczęściej trzeba je zamawiać w sklepach internetowych lub na aliexpress. Z tego powodu nie zawsze możliwe jest zastosowanie silników BC w domowych modelach i urządzeniach.

Teraz wiesz, czym jest bezszczotkowy silnik prądu stałego, jak działa i gdzie jest stosowany. Mamy nadzieję, że nasz artykuł pomógł Ci rozwiązać wszystkie problemy!

Powiązane materiały:

• Co to jest wirnik i stojan
• Jak złożyć najprostszy silnik elektryczny w domu?
• Różnica między prądem stałym a prądem przemiennym

Lubić(0)nie lubię(0)