В этой статье мы хотели бы рассказать о том, как мы с нуля создали электрический мотор: от появления идеи и первого прототипа до полноценного мотора, прошедшего все испытания. Если данная статья покажется вам интересной, мы отдельно, более подробно, расскажем о наиболее заинтересовавших вас этапах нашей работы.

На картинке слева направо: ротор, статор, частичная сборка мотора, мотор в сборе

Вступление

Электрические моторы появились более 150 лет назад, однако за это время их конструкция не претерпела особых изменений: вращающийся ротор, медные обмотки статора, подшипники. С годами происходило лишь снижение веса электромоторов, увеличение КПД, а также точности управления скоростью.

Сегодня, благодаря развитию современной электроники и появлению мощных магнитов на основе редкоземельных металлов, удаётся создавать как никогда мощные и в то же время компактные и легкие “Бесколлекторные ” электромоторы. При этом, благодаря простоте своей конструкции они являются наиболее надежными среди когда-либо созданных электродвигателей. Про создание такого мотора и пойдет речь в данной статье.

Описание мотора

В “Бесколлекторных моторах” отсутствует знакомый всем по разборке электроинструмента элемент “Щетки”, роль которых заключается в передаче тока на обмотку вращающегося ротора. В бесколлекторных двигателях ток подается на обмотки не-двигающегося статора, который, создавая магнитное поле поочередно на отдельных своих полюсах, раскручивает ротор, на котором закреплены магниты.

Первый такой мотор был напечатан нами 3D принтере как эксперимент. Вместо специальных пластин из электротехнической стали, для корпуса ротора и сердечника статора, на который наматывалась медная катушка, мы использовали обычный пластик. На роторе были закреплены неодимовые магниты прямоугольного сечения. Естественно такой мотор был не способен выдать максимальную мощность. Однако этого хватило, что бы мотор раскрутился до 20к rpm, после чего пластик не выдержал и ротор мотора разорвало, а магниты раскидало вокруг. Данный эксперимент сподвиг нас на создание полноценного мотора.

Несколько первых прототипов

Узнав мнение любителей радиоуправляемых моделей, в качестве задачи, мы выбрали мотор для гоночных машинок типоразмера “540”, как наиболее востребованного. Данный мотор имеет габариты 54мм в длину и 36мм в диаметре.

Ротор нового мотора мы сделали из единого неодимового магнита в форме цилиндра. Магнит эпоксидкой приклеили на вал выточенный из инструментальной стали на опытном производстве.

Статор мы вырезали лазером из набора пластин трансформаторной стали толщиной 0.5мм. Каждая пластина затем была тщательно покрыта лаком и затем из примерно 50 пластин склеивался готовый статор. Лаком пластины покрывались чтобы избежать замыкания между ними и исключить потери энергии на токах Фуко, которые могли бы возникнуть в статоре.

Корпус мотора был выполнен из двух алюминиевых частей в форме контейнера. Статор плотно входит в алюминиевый корпус и хорошо прилегает к стенкам. Такая конструкция обеспечивает хорошее охлаждение мотора.

Измерение характеристик

Для достижения максимальных характеристик своих разработок, необходимо проводить адекватную оценку и точное измерение характеристик. Для этого нами был спроектирован и собран специальный диностенд.

Основным элементом стенда является тяжёлый груз в виде шайбы. Во время измерений, мотор раскручивает данный груз и по угловой скорости и ускорению рассчитываются выходная мощность и момент мотора.

Для измерения скорости вращения груза используется пара магнитов на валу и магнитный цифровой датчик A3144 на основе эффекта холла. Конечно, можно было бы измерять обороты по импульсам непосредственно с обмоток мотора, поскольку данный мотор является синхронным. Однако вариант с датчиком является более надёжным и он будет работать даже на очень малых оборотах, на которых импульсы будут нечитаемы.

Кроме оборотов наш стенд способен измерять ещё несколько важных параметров:

• ток питания (до 30А) с помощью датчика тока на основе эффекта холла ACS712;
• напряжение питания. Измеряется непосредственно через АЦП микроконтроллера, через делитель напряжения;
• температуру внутри/снаружи мотора. Температура измеряется посредством полупроводникового термосопротивления;

Для сбора всех параметров с датчиков и передачи их на компьютер используется микроконтроллер серии AVR mega на плате Arduino nano. Общение микроконтроллера с компьютером осуществляется посредством COM порта. Для обработки показаний была написана специальная программа записывающая, усредняющая и демонстрирующая результаты измерений.

В результате наш стенд способен измерять в произвольный момент времени следующие характеристики мотора:

• потребляемый ток;
• потребляемое напряжение;
• потребляемая мощность;
• выходная мощность;
• обороты вала;
• момент на валу;
• мощность уходящая в тепло;
• температура внутри мотора.

Видео демонстрирующее работу стенда:

Бесколлекторный двигатель постоянного тока имеет на статоре трёхфазную обмотку, и постоянный магнит на роторе. Вращающееся магнитное поле создаётся обмоткой статора, при взаимодействии с которым магнитный ротор приходит в движение. Для создания вращающегося магнитного поля на обмотку статора подаётся система трёхфазных напряжений, которая может иметь различную форму и формируется различными способами. Формирование питающих напряжений (коммутация обмоток) для бесколлекторного двигателя постоянного тока производиться специализированными блоками электроники – контроллером двигателя.

Заказать бесколлекторный двигатель в нашем каталоге

В простейшем случае обмотки попарно подключаются к источнику постоянного напряжения и по мере того как ротор поворачивается в направлении вектора магнитного поля обмотки статора производится подключение напряжения к другой паре обмоток. Вектор магнитного поля статора при этом занимает другое положение и вращение ротора продолжается. Для определения нужного момента подключения следующих обмоток используется датчик положения ротора, чаще других используются датчики Холла.

Возможные варианты и специальные случаи

Выпускаемые сейчас бесколлекторные двигатели могут иметь самую разную конструкцию.

По исполнению статорной обмотки можно выделить двигатели с классической обмоткой, намотанной на стальной сердечник, и двигатели с полой цилиндрической обмоткой без стального сердечника. Классическая обмотка обладает значительно большей индуктивностью, чем полая цилиндрическая обмотка, и соответственно большей постоянной времени. Из-за этого с одной стороны, полая цилиндрическая обмотка допускает более динамичное изменение тока (а, следовательно, и момента), с другой стороны при работе от контроллера двигателя, использующего ШИМ-модуляцию невысокой частоты для сглаживания пульсаций тока, требуются фильтрующие дроссели большего номинала (а соответственно и большего размера). Кроме того, классическая обмотка, как правило, имеет заметно больший момент магнитной фиксации, а также меньший КПД, чем полая цилиндрическая обмотка.

Ещё одно отличие, по которому разделяются различные модели двигателей – это взаимное расположение ротора и статора – существуют двигатели с внутренним ротором и двигатели с внешним ротором. Двигатели с внутренним ротором, как правило, имеют более высокие скорости и меньший момент инерции ротора, чем модели с внешним ротором. Благодаря этому двигатели с внутренним ротором имеют более высокую динамику. Двигатели с внешним ротором часто имеют несколько больший номинальный момент при том же наружном диаметре двигателя.

Отличия от других типов двигателей

Отличия от коллекторных ДПТ. Размещение обмотки на роторе позволило отказаться от щёток и коллектора и избавиться тем самым от подвижного электрического контакта, который значительно снижает надёжность ДПТ с постоянными магнитами. По этой же причине скорость у бесколлекторных двигателей, как правило, значительно выше, чем у ДПТ с постоянными магнитами. С одной стороны это позволяет увеличить удельную мощность бесколлекторного двигателя, с другой стороны не для всех применений такая высокая скорость является действительно необходимой

Отличия от синхронных двигателей с постоянными магнитами. Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе очень похожи на бесколлекторные ДПТ по конструкции, однако есть и ряд различий. Во-первых термин синхронный двигатель объединяет в себе много различных видов двигателей, часть из которых предназначены для непосредственной работы от стандартной сети переменного тока, другая часть (например синхронные серводвигатели) может работать только от преобразователей частоты (контроллеров двигателей). Бесколлекторные двигатели, хотя и имеют на статоре трёхфазную обмотку, не допускают непосредственную работу от сетевого напряжения, и обязательно требуют наличия соответствующего контроллера. Кроме того синхронные двигатели предполагают питание напряжением синусоидальной формы в то время как бесколлекторные двигатели допускают питание переменным напряжением ступенчатой формы (блочная коммутация) и даже предполагают его использование в номинальных режимах работы.

Когда нужен бесколлекторный двигатель?

Ответ на этот вопрос достаточно прост – в тех случаях, когда он имеет преимущество перед остальными типами двигателей. Так, например, практически невозможно обойтись без бесколлекторного двигателя в применениях, где требуются большие скорости вращения: свыше 10000 об/мин. Оправдано применение бесколлекторных двигателей также и в тех случаях, когда требуется высокий срок службы двигателя. В тех случаях, когда требуется применять сборку из двигателя с редуктором, однозначно оправдано применение низкоскоростных бесколлекторных двигателей (с большим числом полюсов). Высокоскоростные бесколлекторные двигатели в этом случае будут иметь скорость выше, чем предельно допустимая скорость редуктора, и по этой причине не будет возможности использовать их мощность полностью. Для применений, где требуется максимально простое управление двигателем (без использования контроллера двигателя) естественным выбором будет коллекторный ДПТ.

С другой стороны, в условиях повышенной температуры или повышенной радиации проявляется слабое место бесколлекторных двигателей – датчики Холла. Стандартные модели датчиков Холла имеют ограниченную стойкость к радиации и диапазон рабочих температур. Если в подобном применении всё же имеется необходимость использовать бесколлекторный двигатель, то неизбежными становятся заказные исполнения с заменой датчиков Холла на более стойкие к указанным факторам, что увеличивает цену двигателя и сроки поставки.

Бесколлекторные двигатели на сегодняшний день являются довольно распространенными. Применяются данные устройства чаще всего с электроприводами. Также их можно встретить на различном холодильном оборудовании. В промышленной сфере они задействованы в системах нагрева.

Дополнительно бесколлекторные модификации устанавливаются в обычные вентиляторы для кондиционирования воздуха. В наше время на рынке представлено множество моделей с датчиками и без них. При этом по типу регуляторов модификации довольно сильно отличаются. Однако чтобы разобраться в данном вопросе более подробно, необходимо изучить устройство простого двигателя.

Устройство бесколлекторной модели

Если рассматривать обычный трехфазный бесколлекторный двигатель, то катушка индуктивности у него устанавливается медного типа. Статоры используются как широтные, так и импульсные. Зубцы у них применяются разного размера. Как говорилось ранее, существуют модели с датчиками, а также без них.

Для фиксации статора используются колодки. Непосредственно процесс индукции происходит за счет обмотки статора. Роторы чаше всего применяются двухполюсного типа. Сердечники у них устанавливаются стальные. Для закрепления магнитов на моделях имеются специальные пазы. Непосредственно управление бесколлекторным двигателем происходит при помощи регуляторов, которые располагаются у статора. Для подачи напряжения на внешнюю обмотку в устройствах устанавливаются изолирующие затворы.

Двухразрядные модели

Безколлекторные эл. двигатели данного типа часто используются в морозильном оборудовании. При этом компрессоры для них подходят самые разнообразные. В среднем мощность модели способна достигать 3 кВт. Схема бесколлекторного двигателя катушки чаще всего включает двойного типа с медной обмоткой. Статоры устанавливаются только импульсные. В зависимости от производителя длина зубцов может меняться. Датчики используются как электрического, так и индуктивного типа. Для систем нагрева указанные модификации походят плохо.

Также следует учитывать, что сердечники в бесколлекторных двигателях встречаются в основном стальные. При этом пазы для магнитов используются довольно широкие, а расположены они очень близко друг к другу. За счет этого частотность у устройств может быть высокой. Регуляторы для таких модификаций подбираются чаще всего одноканального типа.

Трехразрядные модификации

Трехразрядный бесколлекторный двигатель отлично подходит для систем вентилирования. Датчики у него используются, как правило, электрического типа. При этом катушки устанавливаются довольно широкие. За счет этого процесс индукции осуществляется быстро. В данном случае частотность устройства зависит от статора. Обмотка у него чаще всего встречается медного типа.

Предельное напряжение трехразрядные бесколлекторные двигатели способны выдерживать на уровне 20 В. Тиристорные модификации в наше время встречаются довольно редко. Также следует отметить, что магниты в таких конфигурациях могут устанавливаться как на внешней, так и на внутренней стороне роторной пластины.

Четырехразрядные модификации своими руками

Сделать четырехразрядный бесколлекторный двигатель своими руками можно абсолютно просто. Для этого необходимо в первую очередь заготовить пластину с пазами. Толщина металла в данном случае должна составлять примерно 2.3 мм. Пазы в этой ситуации обязаны находиться на расстоянии в 1.2 см. Если рассматривать простую модель, то катушку следует подбирать диаметром в 3.3 см. При этом пороговое напряжение она обязана выдерживать на уровне 20 В.

Колодки для устройства чаще всего подбираются стальные. В данном случае многое зависит от размеров роторной пластины. Непосредственно статор надо использовать с двойной обмоткой. При этом сердечник важно заготавливать стального типа. Если рассматривать модификации без регуляторов, то закончить сборку бесколлекторного двигателя можно установкой изолирующего затвора. При этом контакты устройства необходимо вывести на внешнюю сторону пластины. Для обычного вентилятора такие бесколлекторные модели подойдут идеально.

Устройства с регулятором АВР2

Бесколлекторный двигатель с регуляторами данного типа на сегодняшний день является весьма востребованным. Подходят указанные системы больше всего для приборов кондиционирования. Также они в промышленной сфере широко используются для холодильного оборудования. Они способны работать с электроприводами различной частотности. Катушки у них чаще всего устанавливаются двойного типа. При этом статоры можно встретить только импульсные. В свою очередь, широтные модификации являются не сильно распространенными.

Датчики в бесколлекторных двигателях с регуляторами данной серии используются только индуктивные. При этом частотность устройства можно отслеживать по системе индикации. Колодки, как правило, устанавливаются контактного типа, и крепиться они могут непосредственно на статорной пластине. Регулятор бесколлекторного двигателя в данном случае позволяет менять частотность довольно плавно. Происходит данный процесс за счет изменения параметра выходного напряжения. В целом эти модификации являются очень компактными.

Двигатели с регуляторами АВР5

Бесколлекторный двигатель с регулятором данной серии часто применяется в промышленной сфере для управления различными электроприборами. В бытовых устройствах он устанавливается довольно редко. Особенностью таких бесколлекторных модификаций можно назвать повышенную частотность. При этом параметр мощности у них менять просто. Катушки в данных модификациях встречаются самые разнообразные. Также следует отметить, что магниты чаще всего устанавливаются на внешней стороне роторной коробки.

Затворы в основном используются изолированного типа. Монтироваться они могут как у статорной коробки, так и сердечника. В целом регулировка устройства происходит довольно быстро. Однако следует учитывать также и недостатки таких систем. В первую очередь они связаны с перебоями питания при низких частотах. Также важно упомянуть, что у моделей данного типа потребление электроэнергии довольно большое. При этом для управления интегральными электроприводами устройства не подходят.

Использование регуляторов АВТ6

Данного типа регулятор скорости бесколлекторного двигателя на сегодняшний день пользуется большим спросом. Отличительной его особенностью можно смело назвать универсальность. Устанавливаются регуляторы, как правило, на бесколлекторные двигатели, мощность которых не превышает 2 кВт. При этом для управления системами вентилирования указанные устройства подходят идеально. Контроллеры в данном случае могут устанавливаться самые разнообразные.

Скорость передачи сигнала в данном случае зависит от типа системы управления. Если рассматривать тиристорные модификации, то они обладают довольно высокой проводимостью. При этом проблемы с магнитными помехами у них возникают редко. Самостоятельно собрать модель данного типа довольно сложно. В этой ситуации затворы чаще всего подбираются неизолированные.

Модели с датчиками Холла

Бесколлекторные двигатели с датчиками Холла широко используются в приборах нагрева. При этом подходят они для электроприводов различного класса. Непосредственно регуляторы используются только одноканальные. Катушки в устройстве устанавливаются медного типа. При этом величина зубцов модели зависит исключительно от производителя. Непосредственно колодки для устройств подбираются контактного типа. На сегодняшний день датчики чаще всего устанавливаются со стороны статора. Однако на рынке представлены также модели с нижним их расположением. В таком случае габариты бесколлекторного двигателя будут немного большими.

Низкочастотные модификации

Низкочастотный бесколлекторный двигатель на сегодняшний день активно используется в промышленной сфере. При этом для морозильных камер он подходит идеально. В среднем параметр полезного действия у него находится на уровне 70%. Затворы у моделей чаще всего используются с изоляторами. При этом тиристорные модификации в наше время встречаются довольно часто.

Системы управления используются серии АВР. При этом частотность модели зависит от типа сердечника и не только. Также следует учитывать, что существуют модели с двойными роторами. В данном случае магниты располагаются вдоль пластины. Статоры чаще всего используются с медной обмоткой. При этом низкочастотные бесколлекторные двигатели с датчиками встречаются очень редко.

Высокочастотные двигатели

Указанные модификации наиболее востребованными считаются для резонансных электроприводов. В промышленности такие модели встречаются довольно часто. Датчики у них устанавливаются как электронного, так индуктивного типа. При этом катушки чаще всего имеются на внешней стороне пластины. Роторы монтируют как в горизонтальном, так и вертикальном положении.

Непосредственно изменение частотности у таких устройств осуществляется через контроллеры. Устанавливаются они, как правило, со сложной контактной системой. Непосредственно стартеры используются только двойного типа. В свою очередь, системы управления зависят от мощности бесколлекторного устройства.

Когда я начал разрабатывать блок управления бесколлекторным двигателем (мотор-колесом), было много вопросов о том, как сопоставить реальный двигатель с абстрактной схемой из трех обмоток и магнитов, на которой, как правило, все объясняют принцип управления бесколлекторными двигателями.

Когда я реализовал управление по датчикам Холла я еще не очень понимал, что происходит в двигателе дальше абстрактных трех обмоток и двух полюсов: почему 120 градусов и почему алгоритм управления именно такой.

Все встало на место, когда я начал разбираться в идее бездатчикового управления бесколлекторным двигателем - понимание процесса, происходящего в реальной железке, помогло разработать аппаратную часть и понять алгоритм управления.

Ниже я постараюсь расписать свой путь к пониманию принципа управления бесколлекторным двигателем постоянного тока.

Для работы бесколлекторного двигателя необходимо чтобы постоянное магнитное поле ротора увлекалось за вращающемся электромагнитным полем статора, как и в обычном ДПТ.

Вращение магнитного поля статора осуществляется коммутацией обмоток с помощью электронного блока управления.
Конструкция бесколлекторного двигателя схожа с конструкцией синхронного двигателя, если подключить бесколлекторный двигатель в трехфазную сеть переменного тока, удовлетворяющую электрическим параметрам двигателя, он будет работать.

Определенная коммутация обмоток бесколлекторного двигателя позволяет управлять им от источника постоянного тока. Чтобы понять, как составить таблицу коммутаций бесколлекторного двигателя необходимо рассмотреть управление синхронной машиной переменного тока.

Синхронная машина
Синхронная машина управляется от трехфазной сети переменного тока. Двигатель имеет 3 электрические обмотки, смещенные между собой на 120 электрических градусов.

Запустив трехфазный двигатель в генераторном режиме, постоянным магнитным полем будет наводиться ЭДС на каждую из обмоток двигателя, обмотки двигателя распределены равномерно, на каждую из фаз будет наводиться синусоидальное напряжение и данные сигналы будут смещены между собой на 1/3 периода (рисунок 1). Форма ЭДС меняется по синусоидальному закону, период синусоиды равен 2П(360), поскольку мы имеем дело с электрическими величинами (ЭДС, напряжение, ток) назовем это электрическими градусами и будем измерять период в них.

При подаче на двигатель трехфазного напряжения в каждый момент времени на каждой обмотке будет некое значение силы тока.

Рисунок 1. Вид сигнала трехфазного источника переменного тока.

Каждая обмотка формирует вектор магнитного поля пропорциональный току на обмотке. Сложив 3 вектора можно получить результирующий вектор магнитного поля. Так как с течением времени ток на обмотках двигателя меняется по синусоидальному закону, меняется величина вектора магнитного поля каждой обмотки, а результирующий суммарный вектор меняет угол поворота, при этом величина данного вектора остается постоянной.

Рисунок 2. Один электрический период трехфазного двигателя.

На рисунке 2 изображен один электрический период трехфазного двигателя, на данном периоде обозначено 3 произвольных момента, чтобы построить в каждом из этих моментов вектора магнитного поля отложим данный период, 360 электрических градусов, на окружности. Разместим 3 обмотки двигателя сдвинутые на 120 электрических градусов относительно друг друга (рисунок 3).

Рисунок 3. Момент 1. Вектора магнитного поля каждой обмотки (слева) и результирующий вектор магнитного поля (справа).

Вдоль каждой из фаз построен вектор магнитного поля, создаваемый обмоткой двигателя. Направление вектора определяется направлением постоянного тока в обмотке, если напряжение, прикладываемое к обмотке положительно, то вектор направлен в противоположную сторону от обмотки, если отрицательное, то вдоль обмотки. Величина вектора пропорциональна величине напряжения на фазе в данный момент.
Чтобы получить результирующий вектор магнитного поля необходимо сложить данные вектора по закону сложения векторов.
Аналогично построение для второго и третьего моментов времени.

Рисунок 4. Момент 2. Вектора магнитного поля каждой обмотки (слева) и результирующий вектор магнитного поля (справа).

Так, с течение времени, результирующий вектор плавно меняет свое направление, на рисунке 5 изображены получившиеся вектора и изображен полный поворот магнитного поля статора за один электрический период.

Рисунок 5. Вид вращающегося магнитного поля формируемого обмотками на статоре двигателя.

За этим вектором электрического магнитного поля увлекается магнитное поле постоянных магнитов ротора в каждый момент времени (рисунок 6).

Рисунок 6. Постоянный магнит (ротор) следует направлению магнитного поля формируемого статором.

Так работает синхронная машина переменного тока.

Имея источник постоянного тока необходимо самостоятельно формировать один электрический период со сменой направлений тока на трех обмотках двигателя. Поскольку бесколлекторный двигатель по конструкции такой же, как синхронный, в генераторном режиме имеет идентичные параметры, необходимо отталкиваться от рисунка 5, где изображено сформированное вращающееся магнитное поле.

Постоянное напряжение
Источник постоянного тока имеет только 2 провода «плюс питания» и «минус питания» это значит, что есть возможность подавать напряжение только на две из трех обмоток. Необходимо аппроксимировать рисунок 5 и выделить все моменты, при которых возможно скоммутировать 2 фазы из трех.

Число перестановок из множества 3 равняется 6, следовательно, имеется 6 вариантов подключения обмоток.
Изобразим возможные варианты коммутаций и выделим последовательность, при которой вектор будет шаг за шагом проворачиваться далее пока не дойдет до конца периода и не начнет сначала.

Электрический период будем отсчитывать от первого вектора.

Рисунок 7. Вид шести векторов магнитного поля которые можно создать от источника постоянного тока коммутацией двух из трех обмоток.

На рисунке 5 видно, что при управлении трехфазным синусоидальным напряжением имеется множество векторов плавно проворачивающихся с течением времени, а при коммутации постоянным током возможно получить вращающееся поле только из 6 векторов, то есть переключение на следующий шаг должно происходить каждые 60 электрических градусов.
Результаты из рисунка 7 сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Полученная последовательность коммутаций обмоток двигателя.

Вид получившегося управляющего сигнала в соответствии с таблицей 1 изображен на рисунке 8. Где -V коммутация на минус источника питания (GND), а +V коммутация на плюс источника питания.

Рисунок 8. Вид управляющих сигналов от источника постоянного тока для бесколлекторного двигателя. Желтый – фаза W, синий – U, красный – V.

Однако реальная картина с фаз двигателя будет похожа на синусоидальный сигнал из рисунка 1. У сигнала образуется трапециевидная форма, так как в моменты, когда обмотка двигателя не подключена, постоянные магниты ротора наводят на нее ЭДС (рисунок 9).

Рисунок 9. Вид сигнала с обмоток бесколлекторного двигателя в рабочем режиме.

На осциллографе это выглядит так:

Рисунок 10. Вид окна осциллографа при измерении одной фазы двигателя.

Конструктивные особенности
Как было сказано ранее за 6 переключений обмоток формируется один электрический период 360 электрических градусов.
Необходимо связать данный период с реальным углом вращения ротора. Двигатели с одной парой полюсов и трехзубым статором применяются крайне редко, двигатели имеют N пар полюсов.
На рисунке 11 изображены модели двигателя с одной парой полюсов и с двумя парами полюсов.

а. б.
Рисунок 11. Модель двигателя с одной (a) и с двумя (б) парами полюсов.

Двигатель с двумя парами полюсов имеет 6 обмоток, каждая из обмоток парная, каждая группа из 3 обмоток смещена между собой на 120 электрических градусов. На рисунке 12б. отложен один период для 6 обмоток. Обмотки U1-U2, V1-V2, W1-W2 соединены между собой и в конструкции представляют 3 провода вывода фаз. Для простоты рисунка не отображены соединения, но следует запомнить, что U1-U2, V1-V2, W1-W2 одно и то же.

На рисунке 12, исходя из данных таблицы 1, изображены вектора для одной и двух пар полюсов.

а. б.
Рисунок 12. Схема векторов магнитного поля для двигателя с одной (a) и с двумя (б) парами полюсов.

На рисунке 13 изображены вектора, созданные 6 коммутациями обмоток двигателя с одной парой полюсов. Ротор состоит из постоянных магнитов, за 6 шагов ротор провернется на 360 механических градусов.
На рисунке обозначены конечные положения ротора, в промежутках между двумя соседними положениями ротор проворачивается от предыдущего к следующему скоммутированному состоянию. Когда ротор достигает данного конечного положения, должно происходить следующее переключение и ротор будет стремиться к новому заданному положению, так чтобы его вектор магнитного поля стал сонаправлен с вектором электромагнитного поля статора.

Рисунок 13. Конечные положения ротора при шестиступенчатой коммутации бесколлекторного двигателя с одной парой полюсов.

В двигателях с N парами полюсов необходимо пройти N электрических периодов для полного механического оборота.
Двигатель с двумя парами полюсов будет иметь два магнита с полюсами S и N, и 6 обмоток (рисунок 14). Каждая группа из 3 обмотки смещены друг относительно друга на 120 электрических градусов.

Рисунок 14. Конечные положения ротора при шестиступенчатой коммутации бесколлекторного двигателя с двумя парами полюсов.

Определение положения ротора бесколлекторного двигателя
Как было сказано ранее для работы двигателя необходимо в нужные моменты времени подключать напряжение на нужные обмотки статора. Подавать напряжение на обмотки двигателя нужно в зависимости от положения ротора, так чтобы магнитное поле статора всегда опережало магнитное поле ротора. Для определения положения ротора двигателя и коммутаций обмоток используют электронный блок управления.
Отслеживание положения ротора возможно несколькими способами:
1. По датчикам Холла
2. По обратной ЭДС
Как правило, датчиками Холла производители оснащают двигатель при выпуске, поэтому это самый распространённый метод управления.
Коммутирование обмоток в соответствии с сигналами обратной ЭДС позволяет отказаться от датчиков встроенных в двигатель и использовать в качестве датчика анализ свободной фазы двигателя, на которую будет наводиться магнитным полем противо-ЭДС.

Управление бесколлекторным двигателем с датчиками Холла
Чтобы коммутировать обмотки в нужные моменты времени необходимо отслеживать положение ротора в электрических градусах. Для этого применяются датчики Холла.
Поскольку имеется 6 состояний вектора магнитного поля необходимо 3 датчика Холла, которые будут представлять один абсолютный датчик положения с трехбитным выходом. Датчики Холла устанавливаются также как обмотки, смещенные между собой на 120 электрических градусов. Это позволяет использовать магниты ротора в качестве воздействующего элемента датчика.

Рисунок 15. Сигналы с датчиков Холла за один электрический оборот двигателя.

Для вращения двигателя необходимо чтобы магнитное поле статора опережало магнитное поле ротора, положение, когда вектор магнитного поля ротора сонаправлен с вектором магнитного поля статора является конечным для данной коммутации, именно в этот момент должно происходить переключение на следующую комбинацию, чтобы не давать ротору зависать в стационарном положении.
Cопоставим сигналы с датчиков Холла с комбинацией фаз которые необходимо скоммутировать (таблица 2)

Таблица 2. Сопоставление сигналов датчиков Холла с коммутацией фаз двигателя.

Положение двигателя	HU(1)	HV(2)	HW(3)	U	V	W
0	0	0	1	0	-	+
	1	0	1	+	-	0
	1	0	0	+	0	-
	1	1	0	0	+	-
	0	1	0	-	+	0
360/N	0	1	1	-	0	+

При равномерном вращении двигателя с датчиков поступает сигнал смещенный на 1/6 периода, 60 электрических градусов (рисунок 16).

Рисунок 16. Вид сигнала с датчиков Холла.

Управление с помощью сигнала обратной ЭДС
Существуют бесколлекторный двигатели без датчиков положения. Определение положения ротора осуществляется с помощью анализа сигнала ЭДС на свободной фазе двигателя. В каждый момент времени к одной из фаз подключен «+» к другой «-» питания, одна из фаз остается свободной. Вращаясь, магнитное поле ротора наводит ЭДС в свободной обмотке. По мере вращения напряжение на свободной фазе изменяется (рисунок 17).

Рисунок 17. Изменение напряжения на фазе двигателя.

Сигнал с обмотки двигателя разбит на 4 момента:
1. Обмотка подключена к 0
2. Обмотка не подключена (свободная фаза)
3. Обмотка подключена к питающему напряжению
4. Обмотка не подключена (свободная фаза)
Сопоставив сигнал с фаз с управляющим сигналом, видно, что момент перехода на следующее состояние можно детектировать пересечением средней точки (половины питающего напряжения) с фазой, которая в данный момент не подключена (рисунок 18).

Рисунок 18. Сопоставление управляющего сигнала с сигналом на фазах двигателя.

После детектирования пересечения необходимо выдержать паузу и включать следующее состояние. По данному рисунку составлен алгоритм переключений состояний обмоток (таблица 3).

Таблица 3. Алгоритм переключения обмоток двигателя

Текущее состояние	U	V	W	Следующее состояние
1	-		+	2
2		-	+	3
3	+	-	Ожидание пересечения средней точки из + в -	4
4	+	Ожидание пересечения средней точки из - в +	-	5
5	Ожидание пересечения средней точки из + в -	+	-	6
6	-	+	Ожидание пересечения средней точки из - в +	1

Пересечение средней точки проще всего детектировать компаратором, на один вход компаратора подается напряжение средней точки, а на второй текущее напряжение фазы.

Рисунок 19. Детектирование средней точки компаратором.

Компаратор срабатывает в момент перехода напряжения через среднюю точку и генерирует сигнал для микроконтроллера.

Обработка сигнала с фаз двигателя
Однако сигнал с фаз при регулировании скорости ШИМ отличается видом, и имеет импульсный характер (рисунок 21), в таком сигнале невозможно детектировать пересечение со средней точкой.

Рисунок 20. Вид сигнала фазы при регулировании скорости ШИМ.

Поэтому данный сигнал следует отфильтровать RC фильтром чтобы получить огибающую, а так же разделить под требования компаратора. По мере увеличения скважности шим сигнал будет возрастать по амплитуде (рисунок 22).

Рисунок 21. Схема делителя и фильтра сигнала с фазы двигателя.

Рисунок 22. Огибающая сигнала при изменении скважности ШИМ.

Схема со средней точкой

Рисунок 23. Вид виртуальная средней точки. Картинка взята с avislab.com/

С фаз снимаются сигналы через токограничительные резисторы и объединяются, получается вот такая картина:

Рисунок 24. Вид осциллограммы напряжения виртуальной средней точки.

Из-за ШИМ, напряжение средней точки не постоянно, сигнал так же необходимо фильтровать. Напряжение средней точки после сглаживания будет достаточно большим (в районе питающего напряжения двигателя), его необходимо разделить делителем напряжения до значения половины питающего напряжения.
бесколлекторный двигатель

ЭДС

BLDC

Добавить метки

Опубліковано 11.04.2013

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.

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.

Магниты и полюса

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

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

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.

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.

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.).

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.

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

Варианты распределения обмоток фаз по зубьям статора

Вариант обмотки на 9 зубов

Вариант обмотки на 12 зубов

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:

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:

Рассмотрим реальную схему обмотки.

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.

Обмотки зубьев могут соединяться и параллельно.

Так же могут быть комбинированные включения

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.

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

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.

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.