Безщеточный двигатель

Бесщеточные двигатели постоянного тока

Безщеточный двигатель

В последнее время все более широкую популярность приобретают бесщеточные двигатели постоянного тока. Они активно используются в приборостроении, промышленной медицинской и бытовой автоматике, а также в контрольно-измерительной аппаратуре. Данный тип двигателей работает без щеток, вся коммутация осуществляется при помощи электронных устройств.

Преимущества бесщеточных двигателей

Бесщеточные двигатели имеют ряд преимуществ, которые и определили области их применения. Они обладают лучшим быстродействием. Их вращающий момент гораздо выше, в сравнении с обычными двигателями. Бесщеточные конструкции отличаются более высокими динамическими характеристиками и коэффициентом полезного действия.

Безщеточный двигатель

Среди прочих преимуществ, следует отметить бесшумную работу, увеличенный срок эксплуатации и более высокую частоту вращения. Соотношение размеров двигателя и вращающего момента выше, чем у других типов. Это особенно важно для тех областей, где габариты и вес являются критическими факторами.

Принцип работы бесщеточного двигателя

Принцип действия основан на магнитных полях производимых статором и ротором, частота вращения которых одинакова. Здесь отсутствует так называемое скольжение, характерное для асинхронных двигателей. Конфигурация бесщеточных двигателей бывает однофазной, двухфазной или трехфазной. От этого зависит количество обмоток в статоре. Наибольшее распространение во всех областях получили трехфазные двигатели.

Устройство бесщеточного двигателя

В качестве примера, следует рассмотреть наиболее популярный трехфазный бесщеточный двигатель. Он имеет статор, набранный из слоистой стали, в пазах которого размещается обмотка. В большинстве двигателей этого типа имеются три обмотки, соединенные в звезду.

Безщеточный двигатель

Ротор представляет собой постоянный магнит с полюсами в количестве от 2-х до 8-ми пар. При этом, Южный и Северный полюса чередуются между собой. Ротор изготовлен из специального магнитного материала, обеспечивающего необходимую плотность магнитного поля. Как правило, это ферритовые магниты, из которых изготавливаются постоянные магниты.

В отличие от обычных электродвигателей, бесщеточные двигатели постоянного тока коммутируются при помощи электроники. Это связано с необходимостью последовательной подачи напряжения на обмотки статора. Одновременно, необходимо знать, в каком положении находится ротор. Это положение определяется датчиками Холла, которые подают высокий или низкий сигнал, в зависимости от того, какой полюс проходит возле высокочувствительных элементов.

Генератор постоянного тока без щеток

*****

Как устроен бесщеточный двигатель

January 12, 2017

Работа бесщеточного электродвигателя основывается на электрических приводах, создающих магнитное вращающееся поле. В настоящее время существует несколько типов устройств, имеющих различные характеристики. С развитием технологий и использованием новых материалов, отличающихся высокой коэрцитивной силой и достаточным уровнем магнитного насыщения, стало возможным получение сильного магнитного поля и, как следствие, вентильных конструкций нового вида, в которых отсутствует обмотка на роторных элементах или стартере. Обширное распространение переключателей полупроводникового типа с высокой мощностью и приемлемой стоимостью ускорило создание подобных конструкций, облегчило исполнение и избавило от множества сложностей с коммутацией.

Безщеточный двигатель

Принцип работы

Увеличение надежности, уменьшение цены и более простое изготовление обеспечивается отсутствием механических коммутационных элементов, обмотки ротора и постоянных магнитов. При этом повышение результативности возможно благодаря уменьшению потерь трения в коллекторной системе. Бесщеточный двигатель может функционировать на переменном либо непрерывном токе. Последний вариант отличается заметным сходством с коллекторными двигателями. Его характерной особенностью является формирование магнитного вращающегося поля и применение импульсного тока. В его основе присутствует электронный коммутатор, из-за чего повышается сложность конструкции.

Вычисление положения

Генерирование импульсов происходит в управляющей системе после сигнала, отражающего положение ротора. От стремительности вращения мотора напрямую зависит степень напряжения и подачи. Датчик в стартере определяет положение ротора и подает электрический сигнал. Вместе с магнитными полюсами, проходящими рядом с датчиком, меняется амплитуда сигнала. Также существуют бездатчиковые методики установления положения, к их числу относятся точки прохождения тока и преобразователи. ШИМ на входящих зажимах обеспечивают сохранение переменного уровня напряжения и управление мощностью.

Для ротора с неизменными магнитами подведение тока необязательно, благодаря чему отсутствуют потери в обмотке ротора. Бесщеточный двигатель для шуруповерта отличается низким уровнем инерции, обеспечиваемым отсутствием обмоток и механизированного коллектора. Таким образом появилась возможность использования на высоких скоростях без искрения и электромагнитного шума. Высокие значения тока и упрощение рассеивания тепла достигаются размещением нагревающих цепей на статоре. Стоит также отметить наличие электронного встроенного блока на некоторых моделях.

Безщеточный двигатель

Магнитные элементы

Расположение магнитов может быть различным в соответствии с размерами двигателя, к примеру, на полюсах или по всему ротору. Создание качественных магнитов с большей мощностью возможно благодаря использованию неодима в сочетании с бором и железом. Несмотря на высокие показатели эксплуатации, бесщеточный двигатель для шуруповерта с постоянными магнитами обладает некоторыми недостатками, в их числе утрата магнитных характеристик при высоких температурах. Но они отличаются большей эффективностью и отсутствием потерь по сравнению с машинами, в конструкции которых имеются обмотки.

Импульсы инвертора определяют скорость вращения механизма. При неизменной питающей частоте работа двигателя осуществляется с постоянной скоростью в разомкнутой системе. Соответственно, скорость вращения меняется в зависимости от уровня питающей частоты.

Безщеточный двигатель

Характеристики

Вентильный электродвигатель работает в установленных режимах и имеет функционал щеточного аналога, скорость которого зависит от приложенного напряжения. Механизм обладает множеством достоинств:

  • отсутствие изменений при намагничивании и утечке тока;
  • соответствие скорости вращения и самого вращающего момента;
  • скорость не ограничивается центробежной силой, влияющей на коллектор и роторную электрообмотку;
  • нет необходимости в коммутаторе и обмотке возбуждения;
  • используемые магниты отличаются небольшим весом и компактными размерами;
  • высокий момент силы;
  • энергонасыщенность и эффективность.

Безщеточный двигатель

Использование

Бесщеточный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами встречается в основном в устройствах с мощностью в пределах 5 кВт. В более мощной аппаратуре их применение нерационально. Также стоит отметить, что магниты в двигателях данного типа отличаются особой чувствительностью к высоким температурам и сильным полям. Индукционные и щеточные варианты лишены таких недостатков. Двигатели активно используются в электрических мотоциклах, автомобильных приводах благодаря отсутствию трения в коллекторе. Среди особенностей нужно выделить равномерность вращающего момента и тока, что обеспечивает снижение акустического шума.

Безщеточный двигатель

Как выглядеть моложе: лучшие стрижки для тех, кому за 30, 40, 50, 60 Девушки в 20 лет не волнуются о форме и длине прически. Кажется, молодость создана для экспериментов над внешностью и дерзких локонов. Однако уже посл.

Безщеточный двигатель

10 очаровательных звездных детей, которые сегодня выглядят совсем иначе Время летит, и однажды маленькие знаменитости становятся взрослыми личностями, которых уже не узнать. Миловидные мальчишки и девчонки превращаются в с.

Безщеточный двигатель

Наши предки спали не так, как мы. Что мы делаем неправильно? В это трудно поверить, но ученые и многие историки склоняются к мнению, что современный человек спит совсем не так, как его древние предки. Изначально.

Безщеточный двигатель

Что форма носа может сказать о вашей личности? Многие эксперты считают, что, посмотрев на нос, можно многое сказать о личности человека. Поэтому при первой встрече обратите внимание на нос незнаком.

Безщеточный двигатель

11 странных признаков, указывающих, что вы хороши в постели Вам тоже хочется верить в то, что вы доставляете своему романтическому партнеру удовольствие в постели? По крайней мере, вы не хотите краснеть и извин.

Безщеточный двигатель

Непростительные ошибки в фильмах, которых вы, вероятно, никогда не замечали Наверное, найдется очень мало людей, которые бы не любили смотреть фильмы. Однако даже в лучшем кино встречаются ошибки, которые могут заметить зрител.

*****

Обзор бесколлекторных двигателей: все, что нужно знать

Возникновение бесколлекторных двигателей объясняется необходимостью создания электрической машины с множеством преимуществ. Бесколлекторный двигатель представляет собой устройство без коллектора, функцию которого берет на себя электроника.

БКЭПТ — бесколлекторные электродвигатели постоянного тока, могут быть мощностью, примером, 12, 30 вольт.

  • Выбор подходящего двигателя
  • Принцип работы
  • Устройство БКЭПТ
  • Датчики и их отсутствие
    • Датчик Холла
    • Использование датчика положения с микроконтроллером
  • Отсутствие датчика
  • Понятие ШИМ частоты
  • Система arduino
  • Крепеж двигателя

Выбор подходящего двигателя

Чтобы подобрать агрегат, необходимо сравнить принцип работы и особенности коллекторных и бесколлекторных двигателей.

Безщеточный двигатель

Слева направо: коллекторный двигатель и двигатель ФК 28-12 бесколлекторный

Коллекторные стоят меньше, но развивают невысокую скорость вращения крутящего момента. Они работают от постоянного тока, имеет небольшой вес и размер, доступный ремонт по замене деталей. Проявление негативного качества выявляется при получении огромного количества оборотов. Щетки контактируют с коллектором, вызывая трение, что может повредить механизм. Работоспособность агрегата снижается.

Щеточки не только требуют ремонта из-за быстрого износа, но и могут привести к перегреву механизма.

Главным преимуществом бесколлекторного двигателя постоянного тока является неимение контактов крутящего момента и переключения. Значит отсутствие источников потерь, как в двигателях с постоянными магнитами. Их функции выполняют транзисторы МОП. Ранее их стоимость была высокой, поэтому они не были доступны. Сегодня цена стала приемлемой, а показатели значительно улучшились. При отсутствии в системе радиатора, мощность ограничивается от 2,5 до 4 ватт, а ток работы от 10 до 30 Ампер. КПД бесколлекторных электродвигателей очень высокий.

Вторым преимуществом выступает настройки механики. Ось устанавливается на широкоподшипники. В структуре нет ломающих и стирающихся элементов.

Единственным минусом является дорогой электронный блок управления.

Безщеточный двигатель

Шпиндель ЧПУ Porter Cable 690

Рассмотрим, пример механики ЧПУ станка со шпинделем.

Замена коллекторного двигателя на бесколлекторный оградит от поломки шпинделя для ЧПУ. Под шпинделем имеется в видувал, обладающий правыми и левыми оборотами крутящего момента. Шпиндель для ЧПУ обладает большой мощностью. Скорость крутящего момента контролируется регулятором сервотестором, а обороты управляются автоматом контроллером. Стоимость ЧПУ со шпинделем около 4 тысяч рублей.

Принцип работы

Главная особенность механизма — отсутствие коллектора. А постоянные магниты установлены у шпинделя, является ротором. Вокруг него располагаются проволочные обмотки, которые имеют различные магнитные поля. Отличием бесколлекторных моторов 12 вольт является сенсор управления ротором, расположенный на нем же. Сигналы подаются в блок регулятора скорости.

Устройство БКЭПТ

Схему расположения магнитов внутри статора обычно применяют для двухфазных двигателей с небольшим количеством полюсов. Принцип крутящего момента вокруг статора применяют при необходимости получить двухфазный двигатель с небольшими оборотами.

Безщеточный двигатель На роторе расположены четыре полюса. Магниты в форме прямоугольника устанавливаются, чередуя полюсы. Однако не всегда количество полюсов равняется числу магнитов, которых может быть 12, 14. Но количество полюсов должно быть четным.Несколько магнитов могут составлять один полюс.

На картинке изображено 8 магнитов, формирующих 4 полюса. Момент силы зависит от мощности магнитов.

Датчики и их отсутствие

Регуляторы хода подразделяются на две группы: с датчиком положения ротора и без.

Токовые силы подаются на обмотки двигателя при особом положении ротора.Его определяет электронная система с помощью датчика положения. Они бывают разнообразных типов. Популярный регулятор хода — дискретный датчик с эффектом Холла. В двигателе на три фазы на 30 вольт будет использовано 3 датчика. Блок электроники постоянно располагает данными о положении ротора и направляет напряжение вовремя в нужные обмотки.

Датчик Холла

Безщеточный двигатель Распространенное приспособление, изменяющие свои выводы при переключении обмоток.

Устройство с разомкнутым контуром измеряет ток, частоту вращения. ШИМ каналы присоединяются к нижней части системы управления.

Три ввода присоединяются к датчику Холла. В случае изменения датчика Холла, начинается процесс переработки прерывания. Для обеспечения быстрого реагирования обработки прерывания подключается датчик Холла к младшим выводам порта.

Безщеточный двигатель

Сигналы датчика холла в момент вращения

Наши читатели рекомендуют!

Для экономии на платежах за электроэнергию наши читатели советуют "Экономитель энергии Electricity Saving Box". Ежемесячные платежи станут на 30-50% меньше, чем были до использования экономителя. Он убирает реактивную составляющую из сети, в результате чего снижается нагрузка и, как следствие, ток потребления. Электроприборы потребляют меньше электроэнергии, снижаются затраты на ее оплату.

Использование датчика положения с микроконтроллером

Безщеточный двигатель

Микроконтроллеры AVR фирмы Atmel

Контроллер силы каскада лежит в основе AVR ядра, который обеспечивает грамотное управление бесколлекторным двигателем постоянного тока. AVR представляет собой чип для выполнения определенных задач.

Принцип работы регулятора хода может быть с датчиком и без. Программа платы AVR осуществляет:

  • пуск двигателя максимально быстро без использования внешних дополнительных приборов;
  • управление скоростью одним внешним потенциометром.

Безщеточный двигатель

Электронный блок управления СМА LG 6871ER1007C

Отдельный вид автоматического управления сма, используется в стиральных машинах.

Отсутствие датчика

Безщеточный двигатель Для определения положения ротора необходимо проводить измерение напряжения на незадействованную обмотку. Данный способ применим при вращении двигателя, иначе он не будет действовать.

Бездатчиковые регуляторы хода изготавливаются легче, это объясняет их широкое распространение.

Контроллеры обладают следующими свойствами:

  • значение максимального постоянного тока;
  • значение максимального рабочего напряжения;
  • число максимальных оборотов;
  • сопротивление силовых ключей;
  • импульсная частота.

При подключении контроллера важно делать провода, как можно короче. Из-за возникновения бросков тока на старте. Если провод длинный, то могут возникнуть погрешности определения положения ротора. Поэтому контроллеры продаются с проводом 12 — 16 см.

Контроллеры обладают множеством программных настроек:

  • контроль выключения двигателя;
  • плавное или жёсткое выключение;
  • торможение и плавное выключение;
  • опережение мощности и КПД;
  • мягкий, жесткий, быстрый старт;
  • ограничения тока;
  • режим газа;
  • смена направления.

Безщеточный двигатель

Контроллер LB11880, изображенный на рисунке, содержит драйвер бесколлекторного двигателя мощной нагрузки, то есть можно запустить двигатель напрямую к микросхеме без дополнительных драйверов.

Понятие ШИМ частоты

Когда происходит включение ключей, полная нагрузка подаётся на двигатель. Агрегат достигает максимальных оборотов. Для того чтобы управлять двигателем, нужно обеспечить регулятор питания. Именно это осуществляет широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

Устанавливается необходимая частота открытия и закрытия ключей. Напряжение меняется с нулевого на рабочее. Чтобы управлять оборотами, необходимо наложить сигнал ШИМ на сигналы ключей.

Безщеточный двигатель

Схема регулятора оборотов двигателя постоянного тока на напряжение 12 вольт

Сигнал ШИМ может быть сформирован аппаратом на несколько выводов. Или создать ШИМ для отдельного ключа программой. Схема становится проще. ШИМ сигнал имеет 4— 80 килогерц.

Увеличение частоты приводит к большему количеству процессов перехода, что даёт выделение тепла. Высота частоты ШИМ повышает количество переходных процессов, от этого происходят потери на ключах. Маленькая частота не даёт нужную плавность управления.

Чтобы уменьшить потери на ключах при переходных процессах, ШИМ сигналы подаются на верхние или на нижние ключи по отдельности. Прямые потери рассчитываются по формуле P=R*I2, где P — мощность потерь, R — сопротивление ключа, I — сила тока.

Меньшее сопротивление минимизируют потери, увеличивает КПД.

Система arduino

Часто для управления бесколлекторными двигателями используется аппаратная вычислительная платформа arduino. В основе находится плата и среда разработки на языке Wiring.

В Плату arduino входит микроконтроллер Atmel AVR и элементная обвязка программирования и взаимодействия со схемами. На плате имеется стабилизатор напряжения. Плата Serial Arduino представляет собой несложную инвертирующую схему для конвертирования сигналов с одного уровня на другой. Программы устанавливаются через USB. В некоторых моделях, например, Arduino Mini, необходима дополнительная плата для программирования.

Язык программирования Arduino используется стандартный Processing. Некоторые модели arduino позволяют управлять несколькими серверами одновременно. Программы обрабатывает процессор, а компилирует AVR.

Проблемы с контроллером могут возникать из-за провалов напряжения и чрезмерной нагрузке.

Крепеж двигателя

Безщеточный двигатель

Моторама— механизм крепления двигателя. Применяется в установках двигателей. Моторама представляет собой взаимосвязанные стержни и элементы каркаса. Моторамы бывают плоскими, пространственными по элементам. Моторама одиночного двигателя 30 вольт или нескольких устройств. Силовая схема моторамы состоит из совокупности стержней. Моторама устанавливается в сочетании ферменных и каркасных элементов.

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока незаменимый агрегат, применяемый как в быту, так и в промышленности. Например, ЧПУ станок, медицинское оборудование, автомобильные механизмы.

БКЭПТ выделяются надежностью, высокоточным принципом работы, автоматическим интеллектуальным управлением и регулированием.

*****

Бесколлекторные двигатели постоянного тока. Устройство бесколлекторного двигателя.

Общее устройство (Inrunner, Outrunner)

Бесколлекторный двигатель постоянного тока состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Различают два типа двигателей: Inrunner. у которых магниты ротора находятся внутри статора с обмотками, и Outrunner. у которых магниты расположены снаружи и вращаются вокруг неподвижного статора с обмотками.

Безщеточный двигатель

Безщеточный двигатель

Схему Inrunner обычно применяют для высокооборотистых двигателей с небольшим количеством полюсов. Outrunner при необходимости получить высокомоментный двигатель со сравнительно небольшими оборотами. Конструктивно Inrunners проще из за того, что неподвижный статор может служить корпусом. К нему могут быть смонтированы крепежные приспособления. В случае Outrunners вращается вся внешняя часть. Крепеж двигателя осуществляется за неподвижную ось либо детали статора. В случае мотор-колеса крепление осуществляется за неподвижную ось статора, провода заводятся к статору через полую ось.

Безщеточный двигатель

Магниты и полюса

Количество полюсов на роторе четное. Форма применяемых магнитов обычно прямоугольная. Цилиндрические магниты применяются реже. Устанавливаются они с чередованием полюсов.

Безщеточный двигатель

Количество магнитов не всегда соответствует количеству полюсов. Несколько магнитов могут формировать один полюс:

Безщеточный двигатель

В этом случае 8 магнитов формируют 4 полюса. Размер магнитов зависит от геометрии двигателя и характеристик мотора. Чем сильнее применяемые магниты, тем выше момент силы, развиваемый двигателем на валу.

Магниты на роторе закрепляются с помощью специального клея. Реже встречаются конструкции с держателем магнитов. Материал ротора может быть магнитопроводящим (стальным), немагнитопроводящим (алюминиевые сплавы, пластики и т.п.), комбинированным.

Обмотки и зубья

Обмотка трехфазного бесколлекторного двигателя выполняется медным проводом. Провод может быть одножильным или состоять из нескольких изолированных жил. Статор выполняется из нескольких сложенных вместе листов магнитопроводящей стали.

Безщеточный двигатель

Количество зубьев статора должно делиться на количество фаз. т.е. для трехфазного бесколлекторного двигателя количество зубьев статора должно делиться на 3. Количество зубьев статора может быть как больше так и меньше количества полюсов на роторе. Например существуют моторы со схемами: 9 зубьев/12 магнитов; 51 зуб/46 магнитов.

Безщеточный двигатель

Двигателя с 3-х зубым статором применяют крайне редко. Поскольку в каждый момент времени работает только две фазы (при включении звездой), магнитные силы воздействуют на ротор не равномерно по всей окружности (см. рис.).

Безщеточный двигатель

Силы, воздействующие на ротор, стараются его перекосить, что приводит к увеличению вибраций. Для устранения этого эффекта статор делают с большим количеством зубьев, а обмотку распределяют по зубьям всей окружности статора как можно равномернее.

Безщеточный двигатель

В этом случае магнитные силы, воздействующие на ротор, компенсируют друг друга. Дисбаланса не возникает.

Безщеточный двигатель

Варианты распределения обмоток фаз по зубьям статора

Вариант обмотки на 9 зубов

Безщеточный двигательБезщеточный двигатель
Вариант обмотки на 12 зубов

Безщеточный двигатель

В приведенных схемах число зубов выбрано таким образом, чтобы оно делилось не только на 3. Например, при 36 зубьях приходится 12 зубьев на одну фазу. 12 зубьев можно распределить так:

Безщеточный двигатель

6 групп по 2 зуба

Безщеточный двигатель

4 группы по 3 зуба

Безщеточный двигатель

3 группы по 4 зуба

Безщеточный двигатель

2 группы по 6 зубьев

Наиболее предпочтительна схема 6 групп по 2 зуба.

Существует двигатель с 51 зубом на статоре! 17 зубов на одну фазу. 17 – это простое число. оно нацело делится только на 1 и на само себя. Как же распределить обмотку по зубьям? Увы, но я не смог найти в литературе примеров и методик, которые помогли бы решить эту задачу. Оказалось, что обмотка распределялась следующим образом:

Безщеточный двигатель

Рассмотрим реальную схему обмотки.

Безщеточный двигатель

Обратите внимание, что обмотка имеет разные направления намотки на разных зубьях. Разные направления намотки обозначаются прописными и заглавными буквами. Детально о проектировании обмоток можно прочитать в литературе, предложенной в конце статьи.

Классическая обмотка выполняется одним проводом для одной фазы. Т.е. все обмотки на зубьях одной фазы соединены последовательно.

Безщеточный двигатель

Обмотки зубьев могут соединяться и параллельно.

Безщеточный двигатель

Так же могут быть комбинированные включения

Безщеточный двигатель

Параллельное и комбинированное включение позволяет уменьшить индуктивность обмотки, что приводит к увеличению тока статора (следовательно и мощности) и скорости вращения двигателя.

Обороты электрические и реальные

Если ротор двигателя имеет два полюса, то при одном полном обороте магнитного поля на статоре, ротор совершает один полный оборот. При 4 полюсах, чтобы повернуть вал двигателя на один полный оборот потребуется два оборота магнитного поля на статоре. Чем больше количество полюсов ротора, тем больше потребуется электрических оборотов для вращения вала двигателя на один оборот. Например, имеем 42 магнита на роторе. Для того чтобы провернуть ротор на один оборот, потребуется 42/2=21 электрический оборот. Это свойство можно использовать как своеобразный редуктор. Подобрав необходимое количество полюсов, можно получить двигатель с желаемыми скоростными характеристиками. Кроме того, понимание этого процесса будет нам необходимо в будущем, при выборе параметров регулятора.

Датчики положения

Устройство двигателей без датчиков отличается от двигателей с датчиками только отсутствием последних. Других принципиальных отличий нет. Наиболее распространены датчики положения, работающие на основе эффекта Холла. Датчики реагируют на магнитное поле, их располагают, как правило, на статоре таким образом, чтобы на них воздействовали магниты ротора. Угол между датчиками должен быть 120 градусов.

Безщеточный двигатель

Имеется в виду “электрических” градусов. Т.е. для многополюсного двигателя физическое расположение датчиков может быть таким:

Безщеточный двигательБезщеточный двигатель

Иногда датчики располагают снаружи двигателя. Вот один из примеров расположения датчиков. На самом деле это был двигатель без датчиков. Таким простым способом его оснастили датчиками холла.

Безщеточный двигатель

На некоторых двигателях датчики устанавливают на специальном устройстве, которое позволяет перемещать датчики в определенных пределах. С помощью такого устройства устанавливается угол опережения (timing). Однако, если двигатель требует реверса (вращения в обратную сторону) потребуется второй комплект датчиков, настроенных на обратный ход. Поскольку timing не имеет решающего значения при старте и низких оборотах, можно установить датчики в нулевую точку, а угол опережения корректировать программно, когда двигатель начнет вращаться.

Основные характеристики двигателя

Каждый двигатель рассчитывается под определенные требования и имеет следующие основные характеристики:

  • Режим работы на который рассчитан двигатель: длительный или кратковременный. Длительный режим работы подразумевает, что двигатель может работать часами. Такие двигатели рассчитываются таким образом, чтобы теплоотдача в окружающую среду была выше тепловыделения самого двигателя. В этом случае он не будет разогреваться. Пример: вентиляция, привод эскалатора или конвейера. Кратковременный – подразумевает, что двигатель будет включаться на короткий период, за который не успеет разогреться до максимальной температуры, после чего следует длительный период, за время которого двигатель успевает остыть. Пример: привод лифта, электробритвы, фены.
  • Сопротивление обмотки двигателя. Сопротивление обмотки двигателя влияет на КПД двигателя. Чем меньше сопротивление, тем выше КПД. Измерив сопротивление, можно выяснить наличие межвиткового замыкания в обмотке. Сопротивление обмотки двигателя составляет тысячные доли Ома. Для его измерения требуется специальный прибор или специальная методика измерения.
  • Максимальное рабочее напряжение. Максимальное напряжение, которое способна выдержать обмотка статора. Максимальное напряжение взаимосвязано со следующим параметром.
  • Максимальные обороты. Иногда указывают не максимальные обороты, а Kv – количество оборотов двигателя на один вольт без нагрузки на валу. Умножив этот показатель на максимальное напряжение, получим максимальные обороты двигателя без нагрузки на валу.
  • Максимальный ток. Максимально допустимый ток обмотки. Как правило, указывается и время, в течение которого двигатель может выдержать указанный ток. Ограничение максимального тока связано с возможным перегревом обмотки. Поэтому при низких температурах окружающей среды реальное время работы с максимальным током будет больше, а в жару двигатель сгорит раньше.
  • Максимальная мощность двигателя. Напрямую связана с предыдущим параметром. Это пиковая мощность, которую двигатель может развить на небольшой период времени, обычно – несколько секунд. При длительной работе на максимальной мощности неизбежен перегрев двигателя и выход его из строя.
  • Номинальная мощность. Мощность, которую двигатель может развивать на протяжении всего времени включения.
  • Угол опережения фазы (timing). Обмотка статора имеет некоторую индуктивность, которая затормаживает рост тока в обмотке. Ток достигнет максимума через некоторое время. Для того, чтобы компенсировать эту задержку переключение фаз выполняют с некоторым опережением. Аналогично зажиганию в двигателе внутреннего сгорания, где выставляется угол опережения зажигания с учетом времени воспламенения топлива.

Так же следует обратить внимание на то, что при номинальной нагрузке Вы не получите максимальных оборотов на валу двигателя. Kv указывается для не загруженного двигателя. При питании двигателя от батарей следует учесть “проседание” питающего напряжения под нагрузкой, что в свою очередь также снизит максимальные обороты двигателя.

Звезда и Треугольник

Обмотки бесколлекторного двигателя соединяют по схеме звезда или треугольник (дельта).

Безщеточный двигатель

При включении звездой ток протекает через две обмотки. Результирующее сопротивление равно сумме сопротивлений двух обмоток R=R1+R2. Соответственно максимально возможный ток, протекаемый через обмотки I=U/(R1+R2). Потребляемая мощность P=U*I Предположим, что напряжение 10 В. а сопротивление обмотки 1 ОМ. Тогда ток I=10/(1+1)=5А. Потребляемая мощность P=10*5=50 Вт .

При включении треугольником ток протекает через все обмотки. Результирующее сопротивление обмоток R=(R1*(R2+R3))/(R1+R2+R3). Соответственно, максимально возможный ток, протекаемый через обмотки I=U/((R1*(R2+R3))/(R1+R2+R3)

При таком же напряжении и сопротивлении обмоток получаем ток I=10/((1*(1+1))/(1+1+1))=15А. Потребляемая мощность P=10*15=150 Вт .

При включении треугольником вырастают и обороты двигателя. Обмотки двигателя соединенные треугольником греются больше, чем при включении звездой.

Очевидно, что простым переключением обмотки с звезды в треугольник можно получить двигатель с совершенно другими характеристиками.

В высокомоментных двигателях с длительным режимом включения целесообразно применять звезду. В двигателях, работающих в кратковременном режиме, требующих более высоких оборотов, целесообразно применять треугольник.

Иногда в электротранспорте старт и разгон выполняется при включении обмоток звездой (так как это включение обеспечивает высокий момент на валу, но меньшие обороты), после разгона выполняется переключение в треугольник (обороты выше, момент меньше). Это позволяет увеличить диапазон оборотов двигателя, сохранив стартовые характеристики.

В следующей статье будет рассмотрен алгоритм управления бесколлекторными двигателями.

Литература

*****

Информация о технологиях инструмента Milwaukee Fuel

Безщеточный двигатель

Я довольно долгое время интересуюсь инструментом Milwaukee, да и сам являюсь владельцем нескольких причиндалов их производства. Но меня всегда смущал факт, что на русскоязычном сайте информации об использованных технологиях кот наплакал, а на сторонних ресурсах сплошной маркетинговый пафос. Поэтому для общего блага решил изложить без лишнего маркетинга собранную мной за все время информацию по технологиям Fuel и не только.

В любом инструменте Milwaukee, выпускаемом под торговой маркой Fuel. применяется три основных технологии:

  1. Бесщеточный двигатель PowerState
  2. Аккумуляторная платформа RedLithium
  3. Электронная система контроля и управления RedLink Plus

Соединенные воедино они нацелены на увеличение мощности, времени работы и срока эксплуатации, а так же снижения возможных негативных моментов при работе инструмента.

Бесщеточный двигатель

Самая важная «фишка» современного инструмента любого производителя – это бесщеточные двигатели. С них и начнем. На самом деле, «бесщеточных двигателей», в смысле «не имеющих щеток» довольно много: асинхронные двигатели переменного тока (к слову, одно из изобретений Теслы), шаговые, вентильные (ВД), вентильные реактивные (ВРД) и др. Но речь пойдет о вентильных двигателях .

По-английски «Brushless Direct Currentmotor » или BLDC motor (дословно «бесщеточный двигатель постоянного тока»). Грамотное название двигателей данного типа на русском языке «вентильный двигатель «. Хоть и не совсем правильный, но распространенный и уже закрепившийся вариант это «бесщеточный двигатель » (придется использовать его), иногда употребляется «бесколлекторный двигатель».

Безщеточный двигатель

Принцип работы бесщеточного двигателя (справа) в сравнении со стандартным коллекторным двигателем (слева).

По сути, это вывернутый наизнанку знакомый каждому двигатель постоянного тока. Магниты перемещаются на ротор, а обмотки — на статор. Щеточно-коллекторный узел, отвечающий за коммутацию обмоток, заменяется электроникой – на ротор устанавливается один или несколько датчиков, отслеживающих его положение (обычно датчики Холла), а контроллер на основе этих данных подает напряжение на нужную в данный момент обмотку, создавая перемену полей и вращение. Отсюда и название «вентильный» – управляемый вентилями (электронными ключами = транзисторами).

Безщеточный двигатель

Вверху – бескорпусный коллекторный двигатель, применяемый в инструменте предыдущей версии M18. Внизу – бесщеточный двигатель PowerState, разработанный Milwaukee для инструмента M18 Fuel. В обоих используются мощные и дорогие неодимовые магниты (Nd2Fe14B).

Отсутствие коллекторно-щеточного узла (тот самый, который искрит, шумит, снижает КПД и нуждается в регулярном обслуживании и замене) дает следующие плюсы :

  • Срок службы двигателя в идеале ограничен только сроком службы подшипников.
  • Выше показатели КПД за счет отсутствия потерь на скользящем контакте щеток и коллектора, соответственно больше мощность и меньше потребление.
  • Меньше шумят. меньше греются, и практически не создают радиопомех.
  • Более простая и компактная конструкция двигателя (как минимум короче на толщину коллекторного узла).
  • Могут работать в агрессивных и взрывоопасных средах. при повышенной влажности.
  • Переносят бо льшую нагрузку по моменту.
  • Широкий диапазон регулировки скорости вращения (при желании можно «превратить» буквально в шаговый двигатель).
  • Одинаково мощные при любом направлении вращения.

Безщеточный двигатель

Сравнение габаритов бесщеточного (слева) и обычного коллекторного двигателя постоянного тока.

Но есть и недостатки :

  • Необходимо использовать дорогие мощные магниты. довольно сложную и дорогую управляющую электронику .
  • Значительное увеличение ресурса двигателя требует, чтобы и остальные механические и электронные компоненты (редуктор, подшипники, ключи и т.п.) прибора имели соответствующий ресурс .

Все это долгое время препятствовало широкому применению бесщеточных двигателей в электроинструменте. Да и сейчас инструмент с такими двигателями является скорее уделом «премиум класса».

Более подробную техническую информацию о бесщеточных двигателях можно почерпнуть, например, из этого ресурса .

Технология сама по себе не нова, благодаря своим свойствам BLDC двигатели десятилетия используются в компьютерной и бытовой электронике (вентиляторы, floppy, CD/DVD, HDD и др.), в промышленности, радиомоделировании, медицинском оборудовании, авиационной и космической технике, одним словом, везде, где важны их уникальные свойства.

Безщеточный двигатель

Фото разобранного компьютерного вентилятора, в которых применяются бесщеточные двигатели.

Не так давно данный тип двигателя начал приходить и на рынок электроинструмента. Первый бесщеточный инструмент был выпущен компанией Makita в 2003 году для военной и аэрокосмической промышленности. В 2006 году Panasonic выпустила первый импульсный шуруповерт с бесщеточным двигателем (EY7540LN2S ). Milwaukee первые в мире, кто выпустил бесщеточный 12В инструмент (в 2012 году).

Безщеточный двигатель

Первый промышленный бесщеточный инструмент, выпущенный компанией Makita в 2003 году и шуруповерт Panasonic (справа).

За прошедшие 12 лет каждый уважающий себя (и своих клиентов) производитель уже имеет в линейке целые серии инструмента, оснащенного бесщеточными двигателями. Многие производители уже даже не упоминают, что использован именно этот тип двигателя или ограничиваются скромненькой пометкой в характеристиках.

Работа бесщеточного двигателя (BLDC) напрямую зависит от управляющей электроники и, соответственно, требует источника питания постоянного тока. Это главная причина, по которой практически весь бесщеточный инструмент – аккумуляторный. Есть и сетевой. например, у Hilti – они используют вентильный реактивный электродвигатель (SRM, близкий «родственник» шагового двигателя), так же управляемый электроникой с предварительным преобразованием переменного тока в постоянный.

Безщеточный двигатель

Отбойный молоток Hilti TE 1000-AVR в разерезе, где видно безобмоточный ротор из магнитомягкого материала.

Двигатель PowerState

PowerState – это бесщеточный двигатель, разработанный Milwaukee и выпущенный в начале 2012 года. По заявлениям компании это самый производительный и надежный бесщеточный мотор среди представленных на инструментальном рынке.

Безщеточный двигатель

Двигатели PowerState для различного инструмента.

Внешне мотор как мотор. Для сравнения на фото внешний вид двигателей 18-вольтовых импульсных шуруповертов. К слову, в самом тесте победил Milwaukee, как и во многих других тестах, так что, возможно, это не пустые обещания производителя.

Безщеточный двигатель

Слева-направо: Hilti SID 18A, Makita LXDT06, Milwaukee 2653-22.

Согласно тестированию в лабораториях Milwaukee, новый мотор обладает ресурсом. в 10 раз превышающим ресурс мотора, применяемого на моделях предыдущей версии M18 (500 часов у M18 Fuel и 50 часов у M18). Тут, правда, вкрался маркетинг, «50 часов» – до первой замены щеток. а не до полного выхода из строя. У двигателей M12 Fuel заявленный ресурс так же 500 часов. На счет ресурса простых M12 ничего не могу сказать, там даже мотор со встроенными несменными щетками.

Безщеточный двигатель

Щетки на 4-полюсном коллекторном двигателе предыдущего поколения M18.

За счет использованных технологий, по сравнению с предыдущей линейкой M18, мощность у M18 Fuel выросла на 25% при том, что мотор стал более компактным и менее прожорливым (за счет повышения КПД).

Безщеточный двигатель

Внешний вид и устройство двигателя инструмента Milwaukee M18 предыдущего поколения.

Безщеточный двигатель

Двигатель PowerState в инструменте Milwaukee M18 Fuel (шуруповерт 2603 или 2604).

На практике. производитель обещает нам в 2 раза больше мощности и в 4 раза дольше время работы. Заявлено это для M18 Fuel (2604 ) относительно бесщеточной Makita LXPH05. Для нашего рынка это Makita DHP459 (на унылом официальном российском сайте ее попросту нет, поэтому без ссылки). Насчет мощности близко к правде (крутящий момент макиты – 45 Нм, а милки — 82 Нм). Насчет времени работы, кто его знает… У обоих производителей есть аккумуляторы 18В емкостью от 1.5 Ач до 5 Ач. Ну, вы поняли…

RedLink Plus

RedLink – электронная интеллектуальная система контроля и управления разработки Milwaukee. Подобные системы применяются во всех электроинструментах приличного уровня любых приличных производителей. До переименования в Redlink она называлась DPM (Digital Power Management – Электронное управление мощностью).

Безщеточный двигатель

Взаимодействие компонентов Milwaukee Fuel под управлением RedLink Plus.

ФункцияRedLink. как и всех подобных систем, заключается в защите от перегрева, перегрузки (выключает двигатель при резком повышении потребления тока до 70 А на протяжении 0.5 сек.) и управлении всеми компонентами инструмента для эффективной работы и предотвращения поломки инструмента из-за человеческих ошибок и неправильного использования.

Безщеточный двигатель

Трехфазная плата коммутации, через которую контроллер управляет двигателем.

Часто подобные системы сохраняют диагностические данные. которые помогают сервисным центрам понять причины выхода из строя оборудования для его скорейшего ремонта и дальнейшего предотвращения подобных поломок в случае их массовости. Кроме того, на основе этих данных несложно проследить условия эксплуатации и отказать в гарантии в случае их несоблюдения.

RedLink Plus явилась дальнейшим развитием системы RedLink. Теперь, к защитным функциям прибавилась еще и оптимизация производительности. за счет регулировки мощности в зависимости от крутящего момента и текущей нагрузки. В процессе работы система отслеживает все основные узлы (батарею, двигатель, говорят, даже курок снабдили собственным микроконтроллером) и подстраивает мощность под нагрузку. Благодаря этому инструмент всегда работает в оптимальном режиме, что положительно влияет на производительность, общую надежность, время работы и срок службы.

Безщеточный двигатель

Устройство шуруповертов Milwaukee Fuel: основной контроллер у M18 обычно расположен в рукоятке, а у M12 – вдоль корпуса у основания рукоятки.

С современным развитием программируемых микроконтроллеров уже никого не удивить подобными «высокоинтеллектуальными» системами. Взять тот же Ardiuno, каких там только «чудес» не собирают, и это на простеньком микроконтроллере многолетней давности. В общем, возможности тут действительно большие, и реализация RedLink Plus со всеми её озвученными плюсами Milwaukee вполне по силам.

В сентябре вышла система One-Key . с помощью которой каждый может мониторить состояние инструмента, управлять его параметрами и вести инвентаризацию. через любое устройство под управлением Andriod или iOS с беспроводным соединением. Такого в мире инструмента еще не было! Вся информация хранится на облаке и доступна из любой точки, в том числе одновременно из разных. Другими словами, сидя в офисе можно иметь всю информацию о наличии и состоянии инструмента на разных объектах. Система совершенно бесплатна. однако инструмент, поддерживающий такую возможность, появится позже и постепенно; сколько он будет стоить пока не известно.

Безщеточный двигатель

Интерфейс приложения Milwaukee One-Key на Android.

Аккумуляторы RedLithium

Последние годы все производители переводят линейки своих аккумуляторных продуктов с Ni-Cd на Li-Ion аккумуляторы. И все стараются добиться от этих батарей максимальной работоспособности и долговечности. На это и нацелена, представленная Milwukee в 2011 году, технология RedLithium (дословно – Красный Литий).

Заявленных свойств и характеристик для батарей RedLithium в компании Milwaukee добились за счет использования лучшей аккумуляторной «химии» (почти везде стоят Samsung’овские банки). интеллектуального блока контроля и управления элементами, а так же особой конструкции для уменьшения механических воздействий и защиты от попадания воды.

Безщеточный двигатель

Взрыв-схемы предыдущего поколения аккумуляторов XC (слева) и их последней редакции (справа).

M18 имеют встроенную защиту от перегрузки, перегрева, чрезмерного разряда (M12 имеют лишь температурный датчик). Контролер и зарядное устройство могут контролировать состояние не только всей батареи в целом, но индивидуально каждого аккумуляторного элемента (в крупных батареях, похоже, блоками по 2-3 элемента).

Все это, по заявлению разработчика. должно дать их аккумуляторам ряд преимуществ, как над предыдущими поколениями батарей, так и над батареями конкурентов. Но, немного смущает, что информация даже из официальных источников (сайт, пресс релизы, каталог и т.п) различается, поэтому в скобках привожу другие встретившиеся мне значения:

  • продолжительность работы увеличена на 40% (в 2 раза);
  • обороты и крутящий момент выросли на 20%;
  • количество циклов зарядки выросло на 50% (от 2 до 10 раз, 1400 циклов);
  • могут работать при температуре окружающей среды до -20°C.

Безщеточный двигатель

Сравнение мощности и времени работы различных поколений аккумуляторов Milwaukee.

По всей видимости, зависит от того, с чем сравнивать… Цифры, конечно маркетинговые, но по моему опыту и отзывам других, RedLithium очень достойные аккумуляторы. Заряд и разряд происходит достаточно щадяще, у своих M12 я ни разу не замечал, чтобы они заметно нагрелись. Вполне реально, что аккумуляторы прослужат достаточно долго. Кроме того батареи имеют неплохую гарантию: на Li-Ion 2 и 3 года для американского рынка и 2 для нашего (при условии регистрации. и то не для всех аккумуляторов… как обычно, нас обделили…).

Безщеточный двигатель

Внешний вид аккумулятора M18 XC 5.0 (48-11-1850).

M18 имеют довольно надежное и удобное крепление слайдерного типа. Индикатор заряда у M18 находится на батарее (у M12 – на инструменте). Главное, что все аккумуляторы RedLithium, как механически, так и электрически, полностью совместимы с оборудованием предыдущего поколения своей системы и наоборот.

Аккумуляторы M12

На фото три имеющихся у меня батареи M12, уже знакомые нашим читателям из обзоров шуруповерта Milwaukee M12 Fuel (2404) и мультирезака M12 (2426) .

Безщеточный двигательСлева направо:

  1. 48-11-2402 – 12 В, 3 Ач (32 Втч), 400 грамм, 57 минут*(предыдущее поколение RedLithium)
  2. 48-11-2440 – 12 В, 4 Ач (43 Втч), 405 грамм, 76 минут*
  3. 48-11-2420 – 12 В, 2 Ач (22 Втч), 180 грамм, 40.5 минут*

* Время полного заряда, замеренного мной (вполне соответствует заявленному). По современным меркам это довольно долго, могли бы совершенно безболезненно уменьшить время минут на 10-20 за счет немного большего тока – аккумуляторы во время заряда еле теплые, сама зарядка и то больше греется.

В сентябре вышло «быстрое зарядное устройство», универсальное для M12 и M18. Время заряда меньше до 40% и улучшена индикация процесса, кроме того зарядка поддерживает грядущие аккумуляторы емкостью 6 и 9 Ач (для M18). Для желающих приобрести: американский каталожный номер – 48-59-1808. европейский – M12-18 FC. Только не забывайте, что американская версия потребует трансформатора или переделки, а насколько она ей поддается пока неизвестно (если кто-то захочет поделиться фотографиями внутренностей. многие будут благодарны!).

Безщеточный двигатель

Новое зарядное устройство для ускоренного заряда M12 и M18 (48-59-1808).

На самом деле аккумуляторы M12 не 12 вольт. Там стоят стандартные Li-ion банки 18650 с номиналом на 3.6 В, что дает 10.8 вольт (3×3.6). Полностью заряженный аккумулятор M12 показывает 12.2 – 12.5, что вполне объяснимо – любые заряженные аккумуляторы выдают больше номинала. Вот и написали 12 В (к слову, указанные Ватт-часы рассчитаны от номинала – 10.8).

У обычных RedLithium (48-11-2401) внутри установлены банки Samsung INR18650-15M на 1500mAh, а RedLithium XC 2.0 собраны из банок INR18650-20R на 2000mAh. И те и другие – отличные аккумуляторы, рассчитанные на высокий ток нагрузки (у 15M даже немного больше). Емкость батарей с этими аккумуляторами соответствует заявленной. Большие батареи (RedLithium XC 4.0) разбирать мне жалко, но полагаю, что там должны быть те же INR18650-20R, как и в маленьких.

Безщеточный двигатель

Схема оснащена термодатчиком и позволяет производить заряд и контроль каждой банки батареи по отдельности (как и было заявлено). Каких-либо «интеллектуальных» компонентов внутри аккумуляторов M12 нет.

На фото я отметил, какие контакты предназначены для какой банки, имея эту информацию можно попробовать восстановить любую банку с помощью зарядок iMAX, OPUS и им подобным, не разбирая батареи (у Milwaukee M12 это не так просто сделать). У 4.0 Ач акумов банки собраны по парам.

Аккумуляторы M18

Аккумуляторов M18 выпускается значительно больше. На данный момент купить можно батареи емкостью от 1.5 Ач до 5 Ач. На январь 2016 анонсирован выход 18В аккумуляторов емкостью 6 Ач и 9 Ач. Вот уж будет, где разгуляться .

Безщеточный двигатель

Аккумуляторы M18 различной емкости.

В самых первых акумах емкостью 1.5 Ач (48-11-1815) внутри стоят банки Samsung INR18650-15M (как и в M12 на 1.5 Ач). Напряжение у M18 указано «по-честному» – 3.6 x 5 = 18, хотя полностью заряженная батарея показывает чуть больше 20 вольт…

Безщеточный двигатель

Каждый аккумулятор M18 уже имеет собственную плату электроники – часть той самой системы RedLink для мониторинга состояния элементов и контроля их заряда/разряда.

Безщеточный двигатель

Можно предположить какие банки стоят в более емких моделях. Явно те же INR18650-20R в батареях на 2 Ач и 4 Ач. Скорей всего INR18650-25R в батареях емкостью 5 Ач (из высокотоковых банок Samsung – 2500 мАч это пока максимум).

Безщеточный двигатель

Внутренности новых аккумуляторов RedLithium M18 емкостью 6 Ач и 9 Ач.

Сложно сказать, что используется в батареях на 6 и 9 Ампер-час. Согласно конструкции там должны стоять банки на 3000 мАч, а единственные известные банки такой емкости с током разряда 20 А это LG HG2. Очевидно, что эти батареи сейчас проходят этап рабочей «обкатки» (везет же кому-то ), по результатам которой к выходу в продажу их дизайн может претерпеть изменения.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *