Электроника:Переменный ток/Двигатели переменного тока/Бесщёточный двигатель постоянного тока

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Бесщёточный двигатель постоянного тока[1]

Бесщёточные двигатели постоянного тока были разработаны на основе обычных щёточных двигателей постоянного тока с использованием твердотельных силовых полупроводников. Однако, почему мы обсуждаем бесщёточные двигатели постоянного тока в главе, посвященной двигателям переменного тока?

Бесщёточные двигатели постоянного тока аналогичны синхронным двигателям переменного тока. Главное отличие – синхронные двигатели развивают синусоидальную обратную ЭДС, в то время как бесщёточные двигатели постоянного тока развивают прямоугольную (или трапециевидную) обратную ЭДС.

В обоих видах двигателей статор создаёт вращающиеся магнитные поля, которые обеспечивают крутящий момент в магнитном роторе.

Синхронные двигатели обычно имеют большую мощность в несколько киловатт, роторы в них чаще электромагнитные. Чисто синхронные двигатели считаются односкоростными, их частота равна частоте сети. Бесщёточные двигатели постоянного тока обычно малоразмерные – от нескольких ватт до десятков ватт, роторы обычно являются постоянными магнитами. Скорость бесщёточного двигателя постоянного тока не является фиксированной, если только он не управляется фазированной автоподстройкой частоты, подчинённой опорной частоте. Стиль конструкции либо цилиндрический, либо «блинный».

Рис. 1. Цилиндрическая конструкция бывает двух видов: (а) с внешним ротором (ротор вращается вокруг статора), (б) с внутренним ротором (ротор вращается внутри статора).

Самая обычная конструкция, цилиндрическая, может иметь две формы (рисунок выше). Более распространённый цилиндрический тип – с ротором внутри статора, на рисунке вверху справа. Этот тип двигателя используется в компьютерных жёстких дисках. Также ротор можно разместить и вовне – вокруг статора.

В случае внешнего ротора у бесщёточного двигателя постоянного тока нет вала. Это позволяет создавать двигатели короткой и толстой формы. Однако направление магнитного потока всегда радиально по отношению к оси вращения.

Рис. 2. Конструкция «блинного» двигателя: (а) с одиночным статором, (б) с двойным статором.

«Блинные» двигатели с высоким крутящим моментом могут иметь обмотки статора с обеих сторон ротора (рис. 2.б).

Если нужен низкий крутящий момент (например, в двигателях дисководов для гибких дисков), достаточно катушки статора по одну сторону от ротора (рис. 2.а). В этом случае направление магнитного потока осевое, то есть параллельно оси вращения.

Функцию коммутации могут выполнять различные датчики положения вала: оптический энкодер, магнитный энкодер (резольвер, синхронизатор и т. д.) или магнитные датчики, работающие на эффекте Холла (они обычно используются в небольших недорогих двигателях).

Датчик Холла – это полупроводниковое устройство, в котором на поток электронов воздействует магнитное поле, перпендикулярное направлению тока. Это похоже на четырехконтактную сеть переменного резистора. Напряжения на двух выходах дополняют друг друга. Про эффект Холла мы упоминали в предыдущей 12-й главе в разделе 3 «Измерение мощности».

Приложение магнитного поля к датчику вызывает небольшое изменение напряжения на выходе. Выходное напряжение Холла может управлять компаратором, что обеспечивает более стабильную работу силового устройства. Или он может управлять составным транзисторным каскадом при правильном смещении.

Более современные датчики Холла могут содержать интегрированный усилитель и цифровую схему. Это трёхпроводное устройство напрямую управляет силовым транзистором, питающим фазную обмотку. Датчик должен быть установлен рядом с ротором (являющийся постоянным магнитом), чтобы определять его положение.

Рис. 3. Датчики Холла переключают подачу напряжения на 3-фазный бесщёточный двигатель постоянного тока.

Простой цилиндрический 3-фазный двигатель (рисунок 3) коммутируется устройством, работающим на эффекте Холла для каждой из трёх фаз статора. Изменение положения ротора, являющегося постоянным магнитом, воспринимается устройством Холла при изменении полярности проходящего мимо полюса ротора.

Этот сигнал Холла усиливается, в результате чего катушки статора приводят в действие соответствующий ток. Здесь на рисунке не показано, однако сигналы Холла могут обрабатываться комбинаторной логикой для более эффективной обработки сигналов возбуждения.

Вышеупомянутый цилиндрический двигатель мог бы управлять жёстким диском, если бы был оборудован фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) для поддержания постоянной скорости. Подобная схема может управлять двигателем дисковода для гибких дисков (рис. 4). Опять же, для поддержания постоянной скорости потребуется система ФАПЧ.

Рис. 4. Бесщёточный «блинный» двигатель.

«Блинный» двигатель с 3-мя фазами имеет 6 полюсов статора и 8 полюсов ротора. Ротор представляет собой плоское ферритовое кольцо, намагниченное 8-ю намагниченными в осевом направлении чередующимися полюсами. На рисунке не показано, что ротор закрыт пластиной из мягкой стали с целью закрепления на подшипнике внутри статора. Стальная пластина и полюса на ней помогают замкнуть магнитную цепь.

Катушки плоского статора имеют трапециевидную форму, благодаря чему они лучше прилегают и приблизительно равны по ширине полюсам ротора. Катушки с 6-ю статорами содержат три фазы обмотки.

Если три фазы статора последовательно запитать, возникнет вращающееся магнитное поле.

Ротор с постоянным магнитом работает так же, как в синхронном двигателе. Двухполюсный ротор следует за вращающимся магнитным полем с той же скоростью, что скорость самого вращающегося поля. А если взять 8-полюсный ротор, то он будет вращаться с кратной скоростью из-за дополнительных полюсов.

Бесщёточный двигатель постоянного тока для вентилятора имеет следующие особенности:

Рис. 5. 2-фазный бесщёточный двигатель вентилятора.
  • Статор имеет 2 фазы, распределённые между 4 полюсами.
  • Имеются 4-выступающие полюса без обмоток для исключения точек с нулевым крутящим моментом.
  • Ротор имеет четыре главных полюса привода.
  • Ротор имеет 8 полюсов, наложенных друг на друга, что помогает устранить точки нулевого крутящего момента.
  • Датчики Холла расположены под углом 45°.
  • Корпус вентилятора расположен на роторе, который расположен над статором.

Целью бесщёточного двигателя вентилятора является минимизация стоимости производства. Это способствует переходу продукции с более низкими характеристиками из 3-φазной конфигурации в 2-φазную. В зависимости от того, как именно он приводится в движение, его даже можно назвать 4-фазным двигателем.

Вы можете припомнить, что обычные двигатели постоянного тока не могут иметь чётное количество полюсов якоря (2, 4 и т.д.), если они должны быть самозапускающимися. Количество полюсов в таких случаях обычно нечётное – 3, 5, 7 и т.п. Таким образом, гипотетический 4-полюсный двигатель может остановиться при минимальном крутящем моменте, в этом случае он не может самостоятельно преодолеть состояние покоя.

Добавление четырёх небольших выступающих полюсов без обмоток накладывает пульсацию крутящего момента на кривую зависимости крутящего момента от положения. Когда этот пульсирующий крутящий момент добавляется к нормальной кривой крутящего момента под напряжением, то частично удаётся избавиться от минимумов крутящего момента.

Это позволяет запускать двигатель из любого положения остановки. Добавление восьми полюсов постоянного магнита к обычному 4-полюсному ротору с постоянными магнитами накладывает небольшой пульсирующий момент второй гармоники на нормальный 4-полюсный пульсирующий момент.

Это ещё дополнительно устраняет минимумы крутящего момента. Пока минимальный крутящий момент не упадёт до нуля, мы сможем запустить двигатель. Чем успешнее удаляем минимумы крутящего момента, тем легче запускается двигатель.

Для 2-φазного статора требуется, чтобы датчики Холла были разнесены на 90°. Если бы ротор был двухполюсным, датчики Холла были бы физически размещены под углом 90°. Поскольку у нас есть 4-полюсный ротор, датчики должны быть размещены под углом 45°, чтобы достичь электрического расстояния в 90° (обратите внимание, на каком расстоянии друг от друга размещены датчики Холла на рисунках выше).

Большая часть крутящего момента возникает из-за взаимодействия внутренних катушек 2-φазного статора с 4-полюсной секцией ротора. Кроме того, 4-полюсная секция ротора должна быть внизу, чтобы датчики Холла правильно воспринимали сигналы коммутации.

8-полюсная роторная секция только способствует лёгкости запуска двигателя.

Рис. 6. Бесщёточный двигатель постоянного тока с 2-фазным двухтактным приводом.

На рисунке выше 2-φазный двухтактный привод (также известный как 4-φазный привод) использует два датчика Холла для управления четырьмя обмотками. Датчики расположены на расстоянии 90° друг от друга, что составляет 90° для однополюсного ротора.

Поскольку датчик Холла имеет два дополнительных выхода, один датчик обеспечивает коммутацию двух противоположных обмоток.

См.также

Внешние ссылки