Бесколлекторный двигатель на низких оборотах

Что такое моментный двигатель?

Что такое моментный двигатель?

Что такое моментный двигатель?

Электродвигатели вращения существуют уже много лет, но с тех пор многое изменилось. Как изменились электродвигатели? Какие инновации были сделаны?

Разработчики моментных двигателей учли всю пользу и накопленный опыт использования линейных двигателей.

Используя бесщеточную трехфазную конструкцию, они могут обеспечить еще большую эффективность и мощность, особенно при низких оборотах. При этом минимизируются требования к обслуживанию.

Моментные двигатели превосходны для безредукторных применений.

Нет необходимости в механических элементах. Движущийся ротор моментного двигателя приклеен или зажат непосредственно на ведомой детали. Во всем диапазоне оборотов — высокий непрерывный крутящий момент.

Необходимый крутящий момент и доступное пространство помогают определить диаметр и ширину двигателя. Двигатели могут быть очень тонкими, но большого диаметра (большие оси и поворотные столы) или иметь «высоту», близкую к их диаметру, в результате чего получается компактный двигатель, но с высоким крутящим моментом.

Двигатели QTR-A-78-60 и QTR-A-160-17.
Два разных исполнения двигателя с крутящим моментом более 4 Нм.

Особенности:

Все моментные двигатели, большие или маленькие, имеют одинаковую конструкцию.

Важными характеристиками моментного двигателя являются:

3-фазный синхронный

бесщёточное исполнение

не требуется обслуживание

ротор с постоянным магнитом (4+ полюса)

прямой привод

отсутствие зубцового эффекта

высокий уровень контроля

низкая масса

Высокий крутящийся момент и отсутствие потерь из-за инерции делают моментные двигатели лучшим решением прямого привода, которое не требует установки редукторов или других устройств передачи момента.

Ротор моментного двигателя может быть непосредственно установлен на ось. Сквозь полый вал могут проходить кабельные изделия или может быть установлено Вращающееся Контактное Устройство (ВКУ), что позволяет полностью убрать ограничения по углу вращения.

В нашем каталоге представлены моментные двигатели со следующими диапазонами параметров:

внешний диаметр от 13 мм до 310 мм

крутящий момент от 0,01 Нм до 778 Нм

скорость вращения до 87500 об/мин

Моментные двигатели используются в широком спектре продуктов. От поворотных столов до роботизированных рук.

У вас есть приложение, которое может извлечь выгоду из моментных двигателей?

Свяжитесь с нашей командой для получения дополнительной информации

по телефону +7 (812) 628-00-18, оставив сообщение в форме обратной связи,

или отправив ваши вопросы на sales@inelso.ru

Подробнее ассортимент моментных двигателей смотрите в нашем каталоге товаров.

бесколлекторный двигатель

Двигатели используются во многих областях техники. Для того чтобы происходило вращение ротора двигателя необходимо наличие вращающегося магнитного поля. В обычных двигателях постоянного тока это вращение осуществляется механическим способом с помощью щеток, скользящих по коллектору. При этом возникает искрение, а, кроме того, из-за трения и износа щеток для таких двигателей необходимо постоянное техническое обслуживание.

Благодаря развитию техники стало возможным генерировать вращающееся магнитное поле электронным способом, что было воплощено в бесколлекторных двигателях постоянного тока (БДПТ).

Устройство и принцип действия

Основными элементами БДПТ являются:

• ротор, на котором укреплены постоянные магниты;
• статор, на котором установлены обмотки;
• электронный контроллер.

По конструкции такой двигатель может быть двух типов:

с внутренним расположением ротора (inrunner)

с внешним расположением ротора (outrunner)

В первом случае ротор вращается внутри статора, а во втором – ротор крутится вокруг статора.

Двигатель типа inrunner используется в том случае, когда необходимо получить большие обороты вращения. Этот двигатель имеет более простую стандартную конструкцию, которая позволяет использовать неподвижный статор для крепления двигателя.

Двигатель типа outrunner подходит для получения большого момента при низких оборотах. В этом случае крепление двигателя производится с использованием неподвижной оси.

Двигатель типа inrunner — большие обороты, низкий крутящий момент. Двигатель типа outrunner — маленькие обороты, высокий крутящий момент.

Число полюсов в БДПТ может быть разным. По числу полюсов можно судить о некоторых характеристиках двигателя. Например, двигатель с ротором, имеющим 2 полюса, имеет большее число оборотов и малый момент. Двигатели с увеличенным количеством полюсов имеют больший момент, но меньшее число оборотов. Изменением числа полюсов ротора можно менять число оборотов двигателя. Таким образом, изменяя конструкцию двигателя, производитель может подобрать необходимые параметры двигателя по моменту и числу оборотов.

Управление БДПТ

Регулятор оборотов, внешний вид

Для управления бесколлекторным двигателем используется специальный контролер — регулятор скорости вращения вала двигателя постоянного тока. Его задачей является генерация и подача в нужный момент на нужную обмотку необходимого напряжения. В контроллере для приборов с питанием от сети 220 В чаще всего используется инверторная схема, в которой происходит преобразование тока с частотой 50 Гц сначала в постоянный ток, а затем в сигналы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Для подачи питающего напряжения на обмотки статора используются мощные электронные ключи на биполярных транзисторах или других силовых элементах.

Регулировка мощности и числа оборотов двигателя осуществляется изменением скважности импульсов, а, следовательно, и действующим значением напряжения, подаваемого на обмотки статора двигателя.

Принципиальная схема регулятора оборотов. К1-К6 — ключи D1-D3 — датчики положения ротора (датчики Холла)

Важным вопросом является своевременное подключение электронных ключей к каждой обмотке. Для обеспечения этого контроллер должен определять положение ротора и его скорость. Для получения такой информации могут быть использованы оптические или магнитные датчики (например, датчики Холла), а также обратные магнитные поля.

Более распространено использование датчиков Холла, которые реагируют на наличие магнитного поля. Датчики размещаются на статоре таким образом, чтобы на них действовало магнитное поле ротора. В некоторых случаях датчики устанавливают в устройствах, которые позволяют изменять положение датчиков и, соответственно, регулировать угол опережения (timing).

Регуляторы оборотов вращения ротора очень чувствительны к силе тока, проходящего через него. Если вы подберете аккумуляторную батарейку с большей выдаваемой силой тока, то регулятор сгорит! Правильно подбирайте сочетания характеристик!

Достоинства и недостатки

По сравнению с обычными двигателями БДПТ имеют следующие достоинства:

• большой кпд;
• высокое быстродействие;
• возможность изменения частоты вращения;
• отсутствие искрящих щеток;
• малые шумы, как в звуковом, так и высокочастотном диапазонах;
• надежность;
• способность противостоять перегрузкам по моменту;
• отличное соотношение габаритов и мощности.

Бесколлекторный двигатель отличается большим кпд. Он может достигать 93-95%.

Высокая надежность механической части БД объясняется тем, что в нем используются шарикоподшипники и отсутствуют щетки. Размагничивание постоянных магнитов происходит довольно медленно, особенно, если они выполнены с использованием редкоземельных элементов. При использовании в контроллере защиты по току срок службы этого узла довольно высок. Фактически срок службы БДПТ может определяться сроком службы шарикоподшипников.

Недостатками БДПТ является сложность системы управления и высокая стоимость.

Применение

Области применения БДТП следующие:

• создание моделей;
• медицина;
• автомобилестроение;
• нефтегазовая промышленность;
• бытовые приборы;
• военная техника.

Использование БД для авиамоделей дает значительное преимущество по мощности и габаритам. Сравнение обычного коллекторного двигателя типа Speed-400 и БДТП того же класса Astro Flight 020 показывает, что двигатель первого типа имеет кпд 40-60%. Кпд второго двигателя в тех же условиях может достигать 95%. Таким образом, использование БД позволяет увеличить почти в 2 раза мощность силовой части модели или время ее полета.

Благодаря малому шуму и отсутствию нагревания при работе БДПТ широко используются в медицине, особенно в стоматологии.

В автомобилях такие двигатели используются в подъемниках стекол, электростеклоочистителях, омывателях фар и электрорегуляторах подъема кресел.

Отсутствие коллектора и искрения щеток позволяет использовать БД в качестве элементов запорных устройств в нефтегазовой промышленности.

В качестве примера использования БД в бытовой технике можно отметить стиральную машину с прямым приводом барабана компании LG. Эта компания использует БДТП типа Outrunner. На роторе двигателя имеется 12 магнитов, а на статоре – 36 катушек индуктивности, которые намотаны проводом диаметром в 1 мм на сердечники из магнитопроводящей стали. Катушки соединены последовательно по 12 штук в фазе. Сопротивление каждой фазы равно 12 Ом. В качестве датчика положения ротора используется датчик Холла. Ротор двигателя крепится к баку стиральной машины.

Повсеместно данный двигатель используется в жестких дисках для компьютеров, что делает их компактными, в CD и DVD приводах и системах охлаждения для микро-электронотехнических устройств и не только.

Наряду с БД малой и средней мощности в промышленности с тяжелыми условиями работы, судовой и военной промышленностях все больше используются большие БДПТ.

БД большой мощности разработаны для американских ВМС. Например, компания Powertec разработала БДТП мощностью 220 кВт со скоростью в 2000 об/мин. Момент двигателя достигает 1080 Нм.

Кроме указанных областей, БД применяются в проектах станков, прессов, линий для обработки пластмасс, а также в ветроэнергетике и использовании энергии приливных волн.

Характеристики

Основные характеристики двигателя:

• номинальная мощность;
• максимальная мощность;
• максимальный ток;
• максимальное рабочее напряжение;
• максимальные обороты (или коэффициент Kv);
• сопротивление обмоток;
• угол опережения;
• режим работы;
• габаритно-массовые характеристики двигателя.

Основным показателем двигателя является его номинальная мощность, то есть мощность, вырабатываемая двигателем в течение длительного времени его работы.

Максимальная мощность – это мощность, которую может отдать двигатель в течение кратковременного отрезка времени, не разрушаясь. Например, для упомянутого выше бесколлекторного двигателя Astro Flight 020 она равна 250 Вт.

Максимальный ток. Для Astro Flight 020 он равен 25 А.

Максимальное рабочее напряжение – напряжение, которое могут выдержать обмотки двигателя. Для Astro Flight 020 задан диапазон рабочих напряжений от 6 до 12 В.

Максимальное число оборотов двигателя. Иногда в паспорте указывается коэффициент Kv – число оборотов двигателя на один вольт. Для Astro Flight 020 Kv= 2567 об/В. В этом случае максимальное число оборотов можно определить умножением этого коэффициента на максимальное рабочее напряжение.

Обычно сопротивление обмоток для двигателей составляет десятые или тысячные доли Ома. Для Astro Flight 020 R= 0,07 Ом. Это сопротивление влияет на кпд БДПТ.

Угол опережения представляет собой опережение переключения напряжений на обмотках. Оно связано с индуктивным характером сопротивления обмоток.

Режим работы может быть длительным или кратковременным. При долговременном режиме двигатель может работать длительное время. При этом выделяемое им тепло полностью рассеивается и он не перегревается. В таком режиме работают двигатели, например, в вентиляторах, конвейерах или эскалаторах. Кратковременный режим используется для таких устройств, как например, лифт, электробритва. В этих случаях двигатель работает короткое время, а затем долгое время остывает.

В паспорте на двигатель приводятся его размеры и масса. Кроме того, например, для двигателей, предназначенных для авиамоделей, приводятся посадочные размеры и диаметр вала. В частности, для двигателя Astro Flight 020 приведены следующие характеристики:

• длина равна 1,75”;
• диаметр равен 0,98”;
• диаметр вала равен 1/8”;
• вес равен 2,5 унции.

Управление бездатчиковыми бесколлекторными двигателями (Sensorless BLDC)

Существуют бесколлекторный двигатели без каких либо датчиков положения или энкодеров. В таких двигателях определение положения ротора выполняется путем измерения ЭДС на свободной фазе. Мы помним, что в каждый момент времени к одной из фаз подключен «+» к другой «-« питания, одна из фаз остается свободной. Вращаясь, двигатель наводит ЭДС в свободной обмотке. По мере вращения напряжение на свободной фазе изменяется. Измеряя напряжение на свободной фазе, можно определить момент переключения к следующему положению ротора. Обычно определяют момент перехода напряжения на свободной фазе через нулевую точку (половину питающего напряжения). Т.е. нужно отследить момент, когда напряжение на свободной фазе сравняется со средней точкой. Разумеется, для работы этого метода двигатель должен вращаться. Этот метод хорошо работает при сравнительно высоких оборотах двигателя. При низких оборотах наводимая ЭДС может оказаться недостаточной для четкого определения положения ротора. Тем не менее, этот метод применяется. Один из методов определения положения ротора при невращающемся двигателе будет рассмотрен в следующей статье. Способы запуска беcколлекторного бездатчикового двигателя также будут рассматриваться в следующей статье.

Схема со средней точкой

Рис. 1

Виртуальная средняя точка

Эта схема очень проста и применяется очень часто, но она имеет свои недостатки. Из за ШИМ напряжение средней точки не постоянно. Оно колеблется в широком диапазоне напряжений. Для того чтобы микроконтроллер смог измерить напряжение, применяются цепи согласования сигналов — делители напряжения и RC-фильтры для сглаживания колебаний.

Если Ваш двигатель питается напряжением 24 вольта, то в средней точке напряжение может находиться в пределах от 0 до 24 Вольт. Микроконтроллеры обычно имеют предел измерения 5 В. Без схем согласования уровней сигналов не обойтись. Учтите, что повысив напряжение питания двигателя, следует изменить и делители напряжения в цепях согласования. В противном случае напряжение может превысить допустимое и вывести со строя микроконтроллер. Для предотвращения таких ситуаций дополнительно применяют схемы защиты.

Присутствие делителя напряжения ведет к снижению чувствительности на малых оборотах двигателя, а наличие фильтров вносит задержку. Задержка является причиной погрешностей в определении положения ротора и может стать критичной для управления двигателями на высоких скоростях.

Поскольку схема с виртуальной средней точкой достаточно шумная, можно прибегнуть к другой схеме, где стабильное напряжение средней точки устанавливается отдельно и зависит от питающего напряжения.

Рис. 4

В литературе встречались упоминания о схемах, которые используют измерение третьей гармоники статора. Также есть упоминание о применение высокочастотного сигнала для определения положения ротора. Однако более подробной информации об этом методе сообщить не могу.

Мы будем рассматривать простую схему, в которой стабильное напряжение средней точки устанавливается отдельно.

Алгоритм коммутаций

Рис. 6

На первом этапе P1 на фазу V подается «+», минус — на фазу U. При этом напряжение на фазе W начинает расти и в середине периода P1 пересекает нулевую точку — половину напряжения между фазами V и U, т.е. половину питающего напряжения. Как видно из диаграммы, изменение состояния ключей нужно выполнить на половине периода между событием пересечения нулевой точки (ZC). После переключения состояния ключей (этап P2) измерения выполняем на свободной фазе V. Обратите внимание на то, что напряжение на свободной фазе может расти или падать. Это придется учитывать при работе компараторов. Таким образом, наш регулятор должен помнить на каком шаге от P1 до P6 находится, и переходить к следующему состоянию, исходя из расчетов времени, вычисленных между событиями ZC.

Ниже приведена таблица соответствия состояния ключей и свободных фаз для каждого из 6 положений ротора:

Итак, нам понадобится подсчитывать время между ZC. И отмерять время от события ZC до переключения ключей. Это время должно учитывать угол опережения фазы.

Выбор частоты ШИМ

Предположим ситуацию, когда, частота ШИМ 8 кГц, скважность 100% (полный газ), двигатель вращается со скоростью, при которой частота коммутаций тоже равняется 8 кГц. Т.е. от момента переключения ключей до следующего переключения проходит ровно один период ШИМ сигнала. Если скорость вращения возрастёт и частота коммутаций превысит частоту ШИМ, возникнет ситуация, при которой ШИМ сигнал будет удерживать ключи открытыми дольше необходимого и противодействовать вращению двигателя. Кроме того, измерение напряжения на свободной фазе синхронизированы частотой ШИМ сигнала, поэтому нет технической возможности вычислить скорость коммутации выше частоты ШИМ. Другими словами контролер теоретически не сможет управлять двигателем, если тот вращается со скоростью, при которой частота коммутаций превышает частоту ШИМ сигнала. Это только теоретические расчеты. На практике, желательно чтобы частота ШИМ в несколько раз превышала частоту коммутаций.

Например, имеем регулятор с частотой ШИМ 8 кГц, и двигатель с 14 магнитами. Максимальная теоретически возможная частота вращения вала двигателя будет:

V=(Q/6/(N/2)*60);

Q — частота ШИМ в герцах 6 — количество коммутаций за один электрический оборот N — количество магнитов 60 — количество секунд в минуте

V=((8000/6/(14/2))*60) = 11428 об/мин.

Двигатель с 28 магнитами: V=((8000/6/(28/2))*60) = 5714 об/мин.

Т.е. если вам нужно управлять многополюсным двигателем на высоких оборотах, придется использовать регулятор с более высокой частотой ШИМ.

Например, чтобы раскрутить двигатель с 24 магнитами до 10000 об/мин понадобится регулятор с частотой ШИМ не ниже 24кГц. Нужно так же помнить, что чем выше частота ШИМ, тем больше переходных процессов происходит на ключах за единицу времени. Это может привести к увеличению потерь и к увеличению тепловыделения на ключах.

Электродвигатель бесколлекторный + регулятор оборотов Hobbywing Xerun COMBO AXE 540 1200KV FOC XW-COMBO-AXE540-1200KV-FO

• Доставка по Москве в пределах МКАД (Химки, Куркино)
• Доставка за МКАД до 25 км по Москве и Московской области

• Описание
• Характеристики

Ругулятор

Особенности:

• Интеллектуальный выход крутящего момента и управление скоростью в замкнутом контуре для увеличения контроля
• Высокая эффективность при более длительном времени автономной работы
• Встроенный bluetooth для подключения к мобильному APP напрямую (IOS и Android)
• Инновационный сенсорный порт
• IP67 влагозащита
• Профессиональная регулировка и тюнинг торможения в нейтрали

Характеристики:

• Масштаб: 1/10th
• Бесколлекторный/Коллекторный: BL
• Сенсорный/Бессенсорный: SD FOC
• Влагозащита: Есть (IP67)
• Постоянный/Пиковый ток: 60A/360A
• Питание: 2-3S LiPo/6-9 Cell NiMH
• BEC: Switch Mode:6V/7.4V@3A
• Входные провода: Red-14AWG-200mm*1 / Black-14AWG-200mm*1
• Выходные провода: No
• Входной разъем: XT60
• Выходной разъем: No
• SET Button on ESC: Не поддерживается
• LED Program Box: Не поддерживается
• LCD Program Box: Не поддерживается
• WiFi модуль: Не поддерживается
• Bluetooth Connection: Поддерживается
• Размер: 47.4 x 36.2 x 24.6mm
• Вес: 82g (w/ Wires)

Новый сенсорный регулятор Hobbywing Xerun Axe для краулеров имеет функции, которых ранее не было на регуляторах ESC. Это новая технология FOC, инновационный сенсорный порт и подключение к Bluetooth, улучшенное торможение в нейтрали.

Новая сенсорная технология изменила ощущение, производительность и общую настраиваемость новых регуляторов Xerun Axe и моторов, чего ранее никогда не было. Полевое управление (FOC) — это название новой технологии, это новинка для трейла, гонок по горам и RC в целом. Новый тип датчика позволяет чрезвычайно точно контролировать и воспринимать двигатель, сохраняя при этом производительность и надежность. ESC способен сопоставлять число оборотов двигателя в положение дроссельной заслонки во всех режимах движения, обеспечивая улучшенное управление RPM и полный контроль.

Встроенная связь означает, что Xerun Axe ESC имеет встроенный Bluetooth, поэтому для настройки не потребуется ничего, кроме вашего смартфона и бесплатного приложения Hobbywing из App Store или Google Play.

Высокая эффективность Xerun Axe

Xerun Axe имеет чрезвычайно эффективный дизайн, который исходит из комбинации новых методов. Датчики FOC обеспечивают значительное улучшение общей производительности двигателя по сравнению со стандартными бесщеточными установками. Это дает значительно увеличенное время работы при сохранении исключительных уровней мощности и реакции.

Xerun Axe IP-67 для всех видов погоды

Xerun Axe поднимает защиту от атмосферных воздействий на новый уровень с водонепроницаемым рейтингом IP-67. Полностью запечатанный ESC в сочетании с надежной конструкцией корпуса радиатора гарантирует, что регулятор готов к любым условиям. Он сочетает в себе совершенно новую сенсорную подвеску. Больше не потребуется дополнительных действий, чтобы сделать вашу систему водонепроницаемой.

Профессиональное торможение в нейтрали

Особенностью Xerun Axe является настройка скорости торможения в нейтрали, а также её тюнинг. Это позволяет выбрать не только вариант холм/стоять/тормоз, но и скорость реакции тормоза. Поэтому при движении на более высоких скоростях вы не получаете внезапных рывков или остановок при отпускании дроссельной заслонки. Сам тормоз имеет усиленный заряд, и его можно запускать на чрезвычайно высоких уровнях. По сравнению со стандартными настройками краулера, система торможения Xerun Axe может быть оценена в 200% эффективности.

Инновационный сенсорный порт

Мотор

• FOC (Field-Oriented-Control) для сверхлинейности и высокого крутящего момента
• Запатентованная шахматная конструкция роторного полюса для пульсации с ультранизким крутящим моментом
• Встроенный высокоточный магнитный датчик
• Подходит для любых трасс и погодных условий

Характеристики:

• Масштаб: 1/10
• Щеточный/Бесщеточный: BL
• Сенсорный/Бессенсорный: SD FOC
• Влагозащита: Есть
• Обороты: 1200KV
• Питание: 2-3S LiPo/6-9 Cell NiMH
• Ток без нагрузки: 0.9A
• Диаметр: 36.0 мм
• Длина: 48.8 мм
• Диаметр оси ротора: 3.17 мм
• Длина оси ротора: 13.3 мм
• Вес: 175g

Новые двигатели Hobbywing Xerun AXE были специально адаптированы для работы с контроллером скорости Xerun AXE FOC и могут использоваться только с регулятором Xerun AXE.

Двигатель построен с запатентованной конструкцией ротора «Помещенный полюс». В результате мы имеем 4-полюсный двигатель с чрезвычайно низким эффектом скручивания и сверхмалой пульсацией крутящего момента. Из-за низкого эффекта скручивания двигатель имеет сверхмягкий пуск и лучший отклик на низких скоростях.

Двигатель и контроллер Xerun AXE подключены через специальную водонепроницаемую пробку датчика, которая защищена от воды и пыли благодаря уплотнительному кольцу и конструкции с винтами.

Магнитный датчик

Погруженный полюс

Xerun Axe имеет чрезвычайно эффективный дизайн с запатентованным ротором «Поворотный полюс» и новой конструкцией датчика. Это обеспечивает более плавную работу с уменьшенным зубчатым зацеплением, очень чистым и последовательным замедлением, более плавными тормозами и более плавной подачей питания.