Бесщеточные двигатели постоянного тока (БПТ) – одни из типов двигателей,
быстро приобретающих популярность. БПТ двигатели используются в следующих отраслях промышленности:
приборостроение, автомобильной, космической, бытовой, медицинской, промышленной автоматики и
контрольно-измерительной аппаратуры.
Поскольку название подразумевает, что БПТ двигатели не используют щетки
для коммутации; вместо этого, они коммутируются с помощью электроники. БПТ двигатели имеют
множество преимуществ перед щеточными электродвигателями постоянного тока и асинхронными
двигателями.
Это:
БПТ двигатели это тип синхронных двигателей. Это означает что магнитное
поле, произведенное статором и магнитное поле, произведенное ротором вращается с одинаковой
частотой. БПТ двигатели не испытывают “скольжение”, которое обычно наблюдается в асинхронных
двигателях.
БПТ двигатели по конфигурации бывают однофазными, 2-фазными и 3-фазными.
В соответствии со своим типом, статор имеет то же количество обмоток. Из них, 3-фазные двигатели
самые популярные и широко используемые. В этом руководстве рассматриваются 3-фазные двигатели.
Статор
Статор БПТ двигателей состоит из набранной стали слоистой конструкции с
обмоткой размещенной в пазах, которые вырезаны вдоль оси по внутреннему краю (как показано на
рисунке 3).Традиционно, статор похож с асинхронным двигателем; однако, обмотки распределены другим
образом. Большинство БПТ двигателей имеет три обмотки статора соединенных в звезду.
Каждая из этих обмоток сконструирована используя многочисленные связанные
витки, чтобы сформировать обмотку фазы. Один или больше витков помещены в пазах и они связаны,
чтобы создать обмотку фазы. Каждая из этих обмоток распределена по периферии статора, чтобы
сформировать четное число полюсов.
Существует два типа исполнения обмоток статора: трапецеидальные и
нусоидальные двигатели. Это различие создается на основе объединения витков в обмотки статора,
для создания различных типов обратной электродвижущей силы (ЭДС).
Как указывают их названия, трапецеидальный двигатель создает обратную
электродвижущую силу трапецеидальной формы и у синусоидальных двигателей обратная электродвижущая
сила является синусоидальной, как показано на рисунке 1 и рисунке 2. В дополнение к обратной
электродвижущей силе, фазный электрический ток также изменяется трапецеидально и синусоидально
в соответствующих типах двигателя. Это делает вращающий момент на выходе синусоидального
двигателя более плавным чем у трапецеидального двигателя. Однако, этому
сопутствует дополнительная стоимость, потому что синусоидальные двигатели требуют
дополнительного соединения обмоток, а так как витки расположены по периферии статора,
таким образом увеличивается количество меди входящей в обмотки статора.
В зависимости от мощности источника питания, можно выбрать двигатель с
правильным максимально допустимым напряжением статора. Двигатели на сорок восемь вольт, или
меньшим расчетным уровнем напряжения используются в автомобилях, робототехнике, для обеспечения
небольших перемещений и так далее. Двигатели на 100 вольт, или с большем уровнем напряжения,
используются в приборах, автоматике и в индустриальных приложениях.
Ротор
Ротор изготавливается из постоянного магнита и может иметь от двух до
восьми пар полюсов с чередованием Северного (N) и Южного (S) полюсов.
Основываясь на требуемой плотности магнитного поля в роторе, выбран
характерный магнитный материал, для изготовления ротора. Традиционно используются ферритовые
магниты, для изготовления постоянных магнитов. Так как технологии развиваются, получают
популярность магниты редкоземельных сплавов. Ферритовые магниты дешевле, но им присущ недостаток
в виде низкого уровня магнитной индукции. Напротив, материал сплава имеет высокий уровень
магнитной индукции и позволяет уменьшить ротор для обеспечения того же самого вращающего момента.
Также, эти магниты на основе сплавов улучшают массогабаритные свойства, что позволяет получить
более высокий вращающий момент для тот же размера двигателя использующего ферритовые магниты.
Неодим (Nd), Кобальт Самария (SmCo) и сплав Неодима, Феррита и
Бора (NdFeB) это некоторые примеры сплавов редкоземельных магнитов. Постоянные исследования
направлены на улучшение магнитной индукции для дальнейшего уменьшения размера ротора. На рисунке 4
показаны поперечные сечения с различным расположением магнитов на роторе.
Датчики Холла
В отличие от щеточного электродвигателя постоянного тока , коммутация в
БПТ двигателях осуществляется с помощью электроники. При работе БПТ двигателя, на обмотки статора
необходимо последовательно подавать напряжение. Поэтому важно знать положение ротора чтобы
знать какая обмотка будет под напряжением следуя последовательности подключения питания.
Положение ротора определяется чувствительными элементами Холла расположенными в статоре.
Большинство БПТ двигателей содержит три встроенных датчика Холла в статоре
со стороны нерабочей части двигателя.
Каждый раз, когда магнитные полюсы ротора проходят около чувствительного
элемента Холла, они подают сигнал высокого или низкого уровня, указывая N или S полюс проходит
около чувствительных элементов. Основываясь на комбинации этих трех сигналов от датчиков Холла,
может быть определена точная последовательность коммутации.
Комментарий:
Теория эффекта Холла: если электрический ток проходящий в проводнике
поместить в магнитное поле, магнитное поле оказывает поперечное воздействие на движущиеся носители
заряда и которое имеет тенденцию переносить их на одну сторону проводника. Это наиболее выражено
в тонких плоских проводниках. Увеличение нагрузки со стороны проводника уравнивает это магнитное
влияние, наводя измеримое напряжение между двумя концами проводника. Присутствие этого измеримого
поперечного напряжения названо эффектом Холла после открытия его Э. Г. Холлом в 1879 году.
На рисунке 5 показано поперечное сечение БПТ двигателя с ротором который
содержит чередующиеся N и S постоянные магниты. Датчики Холла встроены в неподвижную часть
двигателя. Размещение датчиков Холла в статор является комплексным процессом потому что любое
рассогласование в этих чувствительных элементах Холла, относительно магнитов ротора, приведет к
погрешности при определении положения ротора. Упростить процесс установки датчиков Холла в статоре,
некоторые двигатели могут имея магниты для чувствительных элементов Холла на роторе, в дополнение
к главным роторным магнитам. Они в пропорционально уменьшенном варианте повторяют ротор.
Следовательно каждый раз при вращении ротора, магниты для датчиков Холла оказывают то же эффект
как главные магниты. Обычно датчики Холла устанавливаются на печатной плате и закрепляются на
ограждающей крышке с нерабочей стороны. Это позволяет пользователям полностью подгонять сборку
датчиков Холла, чтобы выровнять их относительно магнитов ротора, для достижения наилучших
эксплуатационных характеристик.
Основываясь на физических принципах датчиков Холла они имеют два
варианта выходной мощности. Датчики Холла могут быть смещены относительно друг друга по фазе
на 60° или 120°. Основываясь на этом производитель двигателей определяет коммутационную
последовательность, которая должна выполняться при управлении двигателем.
Комментарий:
Датчики Холла нуждаются в источнике питания. Напряжение может изменяться
от 4 до 24 Вольт. Требуемый электрический ток может изменяться от 5 до 15 мА. При проектировании
регулятора, пожалуйста обратитесь к техническим требованиям на соответствующий двигатель для
определения точного напряжения и номинальных токов используемых датчиков Холла.
Выход датчика Холла это датчик с обычно открытым коллектором. Нагрузочный резистор может
потребоваться на стороне регулятора.
Теория работы
При каждом коммутационном переключении одна обмоток находиться под
напряжением положительной величины (электрический ток входит в обмотку), вторая обмотка является
отрицательной (ток выходит из обмотки) и на третей отсутствует напряжение. Вращающий момент
создается путем взаимодействия между магнитным полем, произведенным катушками статора и
постоянными магнитами. В идеале, пик вращающего момента приходиться во время когда эти два
поля относительно друг друга под углом 90° и ослабевает при перемещении полей совместно.
Чтобы сохранить рабочее состояние двигателя, магнитное поле произведенное обмотками несомненно
изменяет свое положение, относительно перемещения ротора, чтобы совпадать с полем статора.
Что известно как “шестишаговая коммутация”, определяющая последовательность подачи питания на
обмотки.