Бесщёточный двигатель

Первые электродвигатели, относящиеся к началу девятнадцатого века, использовали механически связанные элементы для создания однонаправленного момента силы.
По мере того, как технический прогресс набирал обороты, инженеры-конструкторы избавлялись от лишних механических частей, заменяя их полупроводниковыми компонентами для получения более эффективной технологии — бесщеточных двигателей переменного тока и двигателей постоянного тока так же бесщеточного типа.

В чем же преимущество этих изменений?

Сравнение щеточного электродвигателя и бескорпусного бесщеточного моментного электродвигателя

Для того, чтобы понять основное различие между этими двумя технологиями, необходимо знать особенности их конструкции и эксплуатации.

Двигатель с механической коммутацией состоит из вращающегося якоря с проволочной обмоткой и неподвижного кольца с электромагнитами или постоянными магнитами. Кроме того, устройство включает коллектор — цилиндр, установленный на вал, связанный с обмоткой якоря, и несколько щеток, обычно изготовленных из нежестких проводников (например, графита).

Когда на якорь подается напряжение, создается магнитное поле, заставляющее ротор вращаться. Вращение продолжается в одном направлении на половину полного оборота (полуоборот), до точки, в которой полюса тока поменяются местами. В этой точке, когда момент силы равен нулю, срабатывают щетки и, взаимодействуя с коллектором, переключают направление тока. Таким образом, вращательное движение продолжается без сбоев, что позволяет двигателю создавать непрерывный крутящий момент, не меняя его направления.

Бесщеточный моментный электродвигатель идентичен ранее описанному типу в том смысле, что оба вида двигателей имеют подвижные и стационарные узлы, а именно, ротор и статор. Тем не менее, бесщеточные бескорпусные двигатели, в полном соответствии со своим названием, для осуществления переключения тока не имеют щеток. Вместо этого двигатели данного типа оборудованы полупроводниковыми транзисторами.

Поскольку для коммутации больше не используются механически связанные элементы, питание подается непосредственно на катушки статора, где таким образом создается электромагнитное поле. В результате взаимодействия поля с магнитами ротора возникает вращательное движение. Как только достигается контрольная точка на половине оборота, транзисторы совершают реверсирование (или отключение) тока, создавая крутящий момент в том же направлении.

В чем преимущества этой технологии?

Основные улучшения, достигнутые за счет замены механической коммутации на полупроводниковую электронику, связаны со следующими характеристиками:

• Размер
• Производительность
• Допустимый диапазон скоростей
• Безопасность
• Большая продолжительность срока службы и меньшие эксплуатационные расходы
• Отсутствие помех, вызванных электромагнитной индукцией и снижение уровня шума во время работы
• Широкие возможности при использовании и регулировании

Приведенные ниже данные подытоживают различия между двумя технологиями на основе вышеуказанных спецификаций:

Применение щеток для коммутации

• Больший размер устройства из-за механической конструкции контактов, которая увеличивает не только размер, но и вес.
• Трение скользящих контактов приводит к значительному снижению общей производительности.
• По причине щеточной механической конструкции, максимально допустимое количество оборотов в минуту ограничено.
• Скользящие контакты вызывают появление искр; такой механизм абсолютно безопасен только для использования в гарантированно взрывоустойчивой и невоспламеняющейся среде.
• Графитовые коллекторные элементы быстро изнашиваются, загрязняя пылью внутренние поверхности двигателя.
• Соприкасаясь с коллекторным блоком, скользящие контакты издают довольно громкий звук и генерируют существенные электронные помехи.
• Наилучшие результаты демонстрирует при работе на небольших скоростях, по мере ускорения двигателя крутящий момент снижается.
• Простое управление движением.

Бесщёточная коммутация

• Сбалансированный вес и габариты благодаря отсутствию коллекторного узла.
• Существенно больший коэффициент соотношения мощности к массе и крутящего момента к массе.
• Минимальная инерция ротора обеспечивает движение на более высоких скоростях.
• Благодаря замене механической коммутации на электротранзисторы рабочий процесс не сопровождается образованием искр. Безопасен при использовании даже во взрывоопасной среде.
• Благодаря отсутствию изнашиваемых деталей исчезает необходимость в техническом обслуживании и сокращаются расходы.
• Повышенная прочность, сроки эксплуатации ограничены только сроком службы подшипников.
• Бесшумная работа и снижение электромагнитных помех.
• Сложная логика управления, но при этом расширенные возможности по регулированию движения, как например шаговое выполнение микрокоманд, подача удерживающего момента и др.

Исходя из сравнительного анализа, бесщеточный бескорпусный двигатель обладает целым рядом преимуществ, прежде всего, с точки зрения компактности и производительности.

С другой стороны, двигатели с механической коммутацией отличаются дешевизной и простотой, в то время как бесщеточные имеют сложный механизм управления, и существует высокий риск размагничивания при повышенных температурах.

Электродвигатели постоянного тока, переменного тока и других конфигураций

С точки зрения конструктивных особенностей бесщеточные двигатели можно разделить на двигатели cо внутренним и внешним ротором.

В силовом приводе двигателя с внутренним ротором, роторное кольцо, оснащенное магнитами, вращается внутри окружающего его статора. В двигателях с внешним ротором, катушки статора зафиксированы в необходимом положении в сердцевине узла, тогда как вращающийся ротор находится снаружи.

Как правило, двигатели с внутренним ротором уже в диаметре, чем двигатели с внешним, но имеют более длинный корпус. С точки зрения производительности, двигатель с внешним ротором обеспечивает более низкий показатель скорости в расчете на вольт (Кв в спецификации). Поскольку значение Кв обратно пропорционально величине крутящего момента, двигатели с внешним ротором генерируют большее число момента силы.

Двигатели с внутренним ротором отличаются лучшей теплоотдачей и при этом демонстрируют большую производительность по сравнению с двигателями со внешним ротором.

Согласно классификации типов обмотки, бесщеточные двигатели могут быть оснащены катушками, созданными по схеме «треугольник» или «звезда».

При конфигурации «треугольник», фазы двигателя соединены вместе, а ток подается на точки контакта. При обмотке по схеме Y (известной как схема «звезда») фазы пересекаются по центру. В случае схемы «треугольник», по мере уменьшения скорости снижается отдача крутящего момента, при этом порог максимальной скорости выше, чем при использовании схемы «звезда». Обмотки по схеме «звезда» уступают по показателю максимальной скорости, но при этом даже на низких оборотах обеспечивают значительный момент силы.

Общий вывод — схема «звезда» более эффективна.

В группе бесщеточных бескорпусных двигателей с постоянным магнитом можно также выделить синхронные двигатели постоянного и переменного тока.

Двигатели имеют одинаковую конструкцию: ротор с ферритовыми или редкоземельными магнитами и статор — без щеточно-коллекторного узла.

Бесщеточные двигатели как постоянного, так и переменного тока являются синхронными, то есть магнитные поля, как на статоре, так и на роторе, вращаются с одинаковой частотой и скоростью. Однако обмотка статоров исполнена по разным схемам, что влечет за собой различные характеристики обратной электродвижущей силы (ЭДС).

Технические детали:

Обратная электродвижущая сила — это явление, связанное с электромагнитной индукцией, когда через проводник проходит определенное количество напряжения, противодействуя изменению направления подключенного тока.

Редкоземельные магниты представляют собой кристаллизованные сплавы, содержащие редкоземельные элементы. Обладая отличной магнитной анизотропией, редкоземельные магниты могут обеспечить в два раза большую силу притяжения по сравнению с ферритовыми аналогами, создавая таким образом более сильное магнитное поле.

Обмотка статора в двигателях постоянного тока исполнена по трапецеидальной схеме, чем создается трапециевидная форма волны противодействующей электродвижущей силы (волны ЭДС). Используя синусоидальную схему обмотки, приводы переменного тока генерируют, соответственно, синусоидальные волны ЭДС, которые минимизируют пульсацию крутящего момента, что обеспечивает плавность вращения.

Среди недостатков такой схемы стоит отметить, что синусоидальное регулирование основано на более сложных алгоритмах, чем трапециевидное. В то же время трапециевидная конфигурация сопровождается значительным акустическим и электрическим шумом.