Co to jest bezszczotkowy silnik prądu stałego, jak jest zbudowany i działa

Definicja

Bezszczotkowy silnik prądu stałego nazywany jest silnikiem prądu stałego, którego prąd w uzwojeniach jest przełączany przez specjalne urządzenie przełączające - nazywa się go „sterownikiem” lub „falownikiem”, a uzwojenia te zawsze znajdują się na stojanie. Przełącznik składa się z 6 tranzystorów, które dostarczają prąd do konkretnego uzwojenia, w zależności od położenia wirnika.

W literaturze domowej takie silniki nazywane są „zaworami” (ponieważ przełączniki półprzewodnikowe nazywane są „zaworami”) i istnieje rozdzielenie takich maszyn elektrycznych na dwa typy w postaci przeciw-EMF. W literaturze zagranicznej taka różnica utrzymuje się, jedna z nich nazywana jest analogicznie do rosyjskiej „BLDC” (bezszczotkowy napęd prądu stałego lub silnik), która dosłownie brzmi jak „bezszczotkowy silnik prądu stałego” w uzwojeniach, w których pojawia się trapezoidalne pole elektromagnetyczne. Silniki zaworowe z sinusoidalnym polem elektromagnetycznym nazywane są PMSM (synchroniczna maszyna z magnesem trwałym), co tłumaczy się jako „synchroniczny silnik elektryczny z wzbudzeniem magnesami trwałymi”.

Urządzenie i zasada działania

Kolektor w KDPT służy jako węzeł do przełączania prądu w uzwojeniach twornika. W bezszczotkowym silniku prądu stałego (BDT) rolę tę odgrywają nie szczotki z lamelami, ale komutator, to przełączniki półprzewodnikowe - tranzystory. Tranzystory przełączają uzwojenia stojana, tworząc wirujące pole magnetyczne, które oddziałuje z polem magnetycznym wirnika. A gdy prąd przepływa przez przewodnik znajdujący się w polu magnetycznym, działa na niego Siła amperowa, z powodu działania tej siły, na wale maszyn elektrycznych wytwarzany jest moment obrotowy. Na tym opiera się zasada działania każdego silnika elektrycznego.

Zobaczmy teraz, jak działa silnik bezszczotkowy. 3 uzwojenia są zwykle umieszczone na stojanie BDPT, analogicznie do silników prądu przemiennego są często nazywane trójfazowymi. Jest to częściowo prawdą: silniki bezszczotkowe pracują na źródle prądu stałego (zwykle z akumulatorów), ale sterownik włącza uzwojenia na przemian. Nie jest jednak do końca prawdą stwierdzenie, że prąd przemienny przepływa przez uzwojenia. Ostateczny kształt uzwojenia napięcia zasilającego tworzą prostokątne impulsy sterujące tranzystorem.

Trójfazowy silnik bezszczotkowy może być trójprzewodowy lub czteroprzewodowy, przy czym czwarty drut jest odczepem od punktu środkowego (jeśli uzwojenia są połączone wzdłuż wzór gwiazdy).

Uzwojenia lub, mówiąc prościej, cewki drutu miedzianego pasują do zębów rdzenia stojana. W zależności od konstrukcji i przeznaczenia napędu stojan może mieć różną liczbę zębów. Istnieją różne opcje rozkładu uzwojeń fazowych wzdłuż zębów wirnika, co ilustruje poniższy rysunek.

Uzwojenia każdego z zębów w obrębie jednej fazy mogą być połączone szeregowo lub równolegle, w zależności od zadań przypisanych projektantowi pod względem mocy i momentu projektowanego napędu, a same uzwojenia fazowe są ze sobą połączone zgodnie z wzorem gwiazdy lub trójkąta, jak asynchroniczny lub synchroniczny trójfazowe silniki prądu przemiennego.

Czujniki położenia wirnika można zainstalować w stojanie. Często stosuje się czujniki Halla, które wysyłają sygnał do kontrolera, gdy działa na nie pole magnetyczne magnesów wirnika. Jest to konieczne, aby sterownik „wiedział”, w jakiej pozycji znajduje się wirnik, i dostarczał energię do odpowiednich uzwojeń. Jest to konieczne, aby zwiększyć wydajność i stabilność pracy, a w skrócie wycisnąć całą możliwą moc z silnika. Czujniki zwykle instalują 3 sztuki. Ale obecność czujników komplikuje urządzenie bezszczotkowego silnika elektrycznego, muszą one prowadzić dodatkowe przewody do linii zasilania i danych.

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

Magnesy są montowane za pomocą naprzemiennych biegunów, a ich liczba określa liczbę par biegunów. Ale to nie znaczy, że ile magnesów, a następnie tyle par biegunów. Kilka magnesów może tworzyć jeden biegun. Liczba obrotów na minutę zależy od liczby biegunów, jak ma to miejsce w przypadku silnika indukcyjnego (i innych). Oznacza to, że z jednego kontrolera przy tych samych ustawieniach silniki bezszczotkowe o różnej liczbie par biegunów będą się obracać z różnymi prędkościami.

Rodzaje BDTT

Zobaczmy teraz, jakie są silniki bezszczotkowe z magnesem stałym. Są one klasyfikowane według kształtu przeciwelektromotorycznego, konstrukcji, a także obecności czujników położenia wirnika. Istnieją więc dwa główne typy, które różnią się formą przeciwelektromotoryczną, która jest indukowana w uzwojeniach, gdy wirnik się obraca:

• BLDC - w nich trapezoidalny anty-EMF;
• PMSM - sinusoidalny przeciw emfowi.

Idealnie potrzebują różnych źródeł zasilania (kontrolerów), ale w praktyce są one wymienne. Ale jeśli użyjesz kontrolera o prostokątnym lub trapezoidalnym napięciu wyjściowym z silnikiem PMSM, usłyszysz charakterystyczne dźwięki, podobne do pukania podczas obrotu.

Z założenia bezszczotkowe silniki prądu stałego są:

• Z wewnętrznym wirnikiem. Jest to bardziej znana reprezentacja silnika elektrycznego, gdy stojan jest korpusem, a umieszczony w nim wał obraca się. Często nazywane są angielskim słowem „Inrunner”. Ta opcja jest zwykle używana w przypadku szybkich silników elektrycznych.
• Z zewnętrznym wirnikiem. Tutaj zewnętrzna część silnika obraca się z przymocowanym do niej wałem; w źródłach angielskich nazywa się to „outrunner”. Ten obwód urządzenia jest używany, gdy potrzebujesz wysokiego momentu.

Projekt dobierany jest w zależności od tego, dlaczego silnik bezszczotkowy jest potrzebny w konkretnym zastosowaniu.

Współczesny przemysł produkuje silniki bezszczotkowe z czujnikami położenia wirnika i bez niego. Faktem jest, że istnieje wiele sposobów kontrolowania BDTT, dla niektórych z nich potrzebne są czujniki położenia, inne określają pozycje przez EMF w uzwojeniach,trzecie po prostu dostarczają energię do niezbędnych faz, a silnik elektryczny niezależnie synchronizuje się z takim zasilaniem i wchodzi w tryb pracy.

Główne cechy bezszczotkowych silników prądu stałego:

1. Tryb pracy - długi lub krótki.
2. Maksymalne napięcie robocze.
3. Maksymalny prąd pracy.
4. Maksymalna moc
5. Maksymalne obroty często wskazują nie obroty, lecz KV - r / v, czyli liczbę obrotów na 1 wolt przyłożonego napięcia (bez obciążenia wału). Aby uzyskać maksymalną prędkość, pomnóż tę liczbę przez maksymalne napięcie.
6. Rezystancja uzwojenia (im mniejsza, tym wyższa wydajność), zwykle wynosi setne i tysięczne Ohma.
7. Kąt wyprzedzenia faz (czas) jest czasem, po którym prąd w uzwojeniu osiąga maksimum, wynika to z jego indukcyjności i praw przełączania (prąd w indukcyjności nie może się natychmiast zmienić.

Schemat połączeń

Jak wspomniano powyżej, do działania silnika bezszczotkowego potrzebny jest specjalny sterownik. Na aliexpress można znaleźć oba zestawy z silnika i kontrolera lub osobno. Sterownik jest również nazywany silnikiem ESC lub elektrycznym regulatorem prędkości. Są one wybierane według siły prądu podanego do obciążenia.

Zwykle podłączenie silnika elektrycznego do sterownika jest proste i zrozumiałe nawet dla manekinów. Najważniejsze, że musisz wiedzieć, że aby zmienić kierunek obrotu, musisz zmienić połączenie dowolnych dwóch faz, a także trójfazowych silników asynchronicznych lub synchronicznych.

Sieć ma wiele technicznych rozwiązań i schematów, zarówno złożonych, jak i dla manekinów, które można zobaczyć poniżej.

W tym filmie autor opowiada, jak zaprzyjaźnić się z motorem BC „Arduino”.

W tym filmie dowiesz się o różnych sposobach łączenia się z różnymi kontrolerami i o tym, jak możesz to zrobić samodzielnie. Autor demonstruje to na przykładzie silnika z dysku twardego i pary potężnych instancji - inrunner i outrunner.

Nawiasem mówiąc, stosujemy również schemat z filmu do powtórzenia:

Tam, gdzie stosowane są silniki bezszczotkowe

Zakres takich silników elektrycznych jest szeroki przed terminem. Są one używane zarówno do napędzania małych mechanizmów: w napędach CD, DVD, dyskach twardych, jak i w mocnych urządzeniach: baterii i elektronarzędzi (z zasilaniem około 12 V), modelach sterowanych radiowo (na przykład quadrocopters), maszynach CNC do napędzania pracującego korpusu (zwykle silniki o napięciu znamionowym 24 V lub 48 V).

BDTT są szeroko stosowane w pojazdach elektrycznych, prawie wszystkie nowoczesne koła silnikowe skuterów elektrycznych, rowerów, motocykli i samochodów to silniki bezszczotkowe. Nawiasem mówiąc, napięcie znamionowe silników elektrycznych w transporcie mieści się w szerokim zakresie, na przykład silnik koła rowerowego często pracuje z 36 V lub 48 V, z rzadkimi wyjątkami i więcej, a na przykład w samochodach Toyota Prius wynosi około 120 V, a na Nissan Leaf - dochodzi do 400 podczas ładowania z sieci 220 V (jest to realizowane za pomocą wbudowanego konwertera).

W rzeczywistości zakres bezszczotkowych silników elektrycznych jest bardzo szeroki, brak węzła kolektora pozwala na stosowanie go w niebezpiecznych miejscach, a także w miejscach o wysokiej wilgotności, bez obawy przed zwarciem, iskrzeniem lub ogniem z powodu wad zespołu szczotek. Ze względu na wysoką wydajność i dobre gabaryty znalazły zastosowanie w przemyśle kosmicznym.

Zalety i wady

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

Zalety BDTT są następujące:

• Dzięki wzbudzeniu mocnymi magnesami stałymi (na przykład neodymowymi) mają one lepszy moment obrotowy i moc oraz mają mniejsze wymiary niż silniki indukcyjne. Czego używa większość producentów pojazdów elektrycznych - od skuterów po samochody.
• Nie ma zespołu zbierającego szczotki iskrzące, który wymagałby regularnej konserwacji.
• Używając wysokiej jakości kontrolera, w przeciwieństwie do tej samej płyty CD, nie zakłócają one sieci zasilającej, co jest szczególnie ważne w urządzeniach sterowanych radiowo i pojazdach z zaawansowanym sprzętem elektronicznym w sieci pokładowej.
• Wydajność ponad 80, częściej i 90%.
• Wysoka prędkość obrotowa, w niektórych przypadkach do 100 000 obr / min.

Ale jest znaczący minus: bezszczotkowy silnik bez kontrolera jest tylko kawałkiem żelaza z miedzianym uzwojeniem. Nie będzie mógł pracować. Kontrolery nie są tanie i najczęściej muszą być zamawiane w sklepach internetowych lub z aliexpress. Z tego powodu stosowanie silników BC w domowych modelach i urządzeniach nie zawsze jest możliwe.

Teraz wiesz, co to jest bezszczotkowy silnik prądu stałego, jak działa i gdzie jest używany. Mamy nadzieję, że nasz artykuł pomógł ci rozwiązać wszystkie problemy!

Powiązane materiały:

• Co to jest wirnik i stojan
• Jak zmontować najprostszy silnik elektryczny w domu
• Różnica między prądem stałym i zmiennym