Безколекторні двигуни постійного струму
Принцип роботи бесколлекторного двигуна постійного струму (БКДП) був відомий дуже давно, і безщіточні мотори завжди були цікавою альтернативою традиційним рішенням. Незважаючи на це, подібні електричні машини лише в XXI столітті знайшли широке застосування в техніці. Вирішальним фактором повсюдного впровадження стало багатократне зниження вартості електроніки управління приводом БДКП.
Проблеми колекторних двигунів
На фундаментальному рівні робота будь-якого електродвигуна полягає в перетворенні електричної енергії в механічну. Існують два основних фізичних явища, що лежать в основі пристрою електричних машин:
Електричні і магнітні поля взаємопов'язані. Тобто кожен рухомий заряд створює магнітне поле і, відповідно, магнітні поля здатні виробляти різниця потенціалів.- Магніти взаємодіють між собою. Робота всіх електродвигунів заснована на взаємодії магнітів. Одні з них постійні, інші представляють собою котушку, в якій індукується магнітне поле проходженням через витки електричного струму.
Двигун сконструйований таким чином, що магнітні поля, створювані на кожному з магнітів, завжди взаємодіють між собою, надаючи ротора обертання. Традиційний електродвигун постійного струму складається з чотирьох основних частин:
- статор (нерухомий елемент з кільцем з магнітів);
- якір (обертовий елемент з обмотками);
- вугільні щітки;
- колектор.
Така конструкція передбачає обертання якоря і колектора на одному валу щодо нерухомих щіток. Струм проходить від джерела через підпружинені для хорошого контакту щітки на комутатор, який розподіляє електрику між обмотками якоря. Магнітне поле, індуковане в останніх, взаємодіє з магнітами статора, що змушує статор обертатися.
Головний недолік традиційного двигуна в тому, що механічний контакт на щітках неможливо забезпечити без тертя. При збільшенні швидкості проблема проявляє себе сильніше. Колекторний вузол зношується з часом і, крім того, схильний до іскріння і здатний іонізувати навколишнє повітря. Таким чином, незважаючи на простоту і дешевизну в виготовленні, подібні електродвигуни мають деякі непереборними вадами:
- знос щіток;
- електричні перешкоди в результаті іскріння;
- обмеження в максимальній швидкості;
- складності з охолодженням обертового електромагніту.
Поява процесорної техніки і силових транзисторів дозволило конструкторам відмовитися від вузла механічної комутації і змінити роль ротора і статора в електродвигуні постійного струму.
Принцип роботи БДКП
У безколекторним електродвигуні, на відміну від попередника, роль механічного комутатора виконує електронний перетворювач. Це дозволяє здійснити «вивернута навиворіт» схема БДКП – його обмотки розташовані на статорі, що виключає необхідність в колекторі.
Іншими словами, основне принципове розходження між класичним двигуном і БДКП в тому, що замість стаціонарних магнітів і обертових котушок останній складається з нерухомих обмоток і обертових магнітів. Незважаючи на те що сама комутація в ньому відбувається схожим чином, її фізична реалізація в бесщеточний приводах набагато складніша.
Головне питання – точне управління безколекторним двигуном, що припускає правильну послідовність і частоту перемикання окремих секцій обмоток. Це завдання конструктивно вирішити лише при можливості безперервного визначення поточного положення ротора.
Необхідні дані для обробки електронікою отримують двома способами:
- детектированием абсолютного положення вала;
- виміром напруги, індукованого в обмотках статора.
Для реалізації контролю першим способом найчастіше використовують або оптичні пари, або закріплені нерухомо на статорі датчики Холла, що реагують на магнітний потік ротора. Головним достоїнством подібних систем збору інформації про становище валу є їх працездатність навіть при дуже низьких швидкостях і в стані спокою.
Бессенсорное контроль для оцінки напруги в котушках потрібно хоча б мінімального обертання ротора. Тому в таких конструкціях передбачений режим запуску двигуна до оборотів, при яких напруга на обмотках може бути оцінений, а стан спокою тестується за допомогою аналізу впливу магнітного поля на тестові імпульси струму, що проходять через котушки.
Незважаючи на всі перераховані конструктивні складності, безщіточні двигуни завойовують все більшу популярність завдяки своїй продуктивності і недоступному для колекторних набору характеристик. Короткий перелік основних переваг БДКП перед класичними виглядає так:
- відсутність механічних втрат енергії на тертя щіток;
- порівняльна безшумність роботи;
- легкість прискорення і уповільнення обертання завдяки малій інерції ротора;
- точність управління обертанням;
- можливість організації охолодження за рахунок теплопровідності;
- здатність до роботи на високих швидкостях;
- довговічність і надійність.
Сучасне застосування і перспективи
Існує чимало пристроїв, для яких збільшення часу безвідмовної роботи має найважливіше значення. У подібному обладнанні застосування БДКП завжди виправдано, незважаючи на їх порівняно високу вартість. Це можуть бути водяні і паливні насоси, турбіни охолодження кондиціонерів і двигунів і т. Д. Бесщеточний мотори використовуються в багатьох моделях електричних транспортних засобів. В даний час на безколекторні двигуни серйозно звернула увагу автомобільна промисловість.
БДКП ідеально підходять для малих приводів, що працюють в складних умовах або з високою точністю: живильники і стрічкові конвеєри, промислових роботи, системи позиціонування. Існують сфери, в яких безколекторні двигуни домінують безальтернативно: жорсткі диски, насоси, безшумні вентилятори, дрібна побутова техніка, CD / DVD приводи. Мала вага і висока вихідна потужність зробили БДКП також і основою для виробництва сучасних бездротових ручних інструментів.
Можна сказати, що в області електроприводів зараз спостерігається значний прогрес. Падіння цін на цифрову електроніку породило тенденцію на повсюдне застосування безколекторних двигунів замість традиційних.