Наверняка задавался вопросом, чем же отличается такой двигатель от других двигателей, например от тех, что стоят в сверлильных станках. Двигатели, установленные в не очень мощных станках, обычно не искрят, и работают они не так шумно, как та же дрель, обладающая меньшей чем станок мощностью.

В чем же дело? Дело в том, что двигатель с щетками — это коллекторный двигатель, а двигатель без щеток — бесколлекторный . Для решения разных задач подойдет свой тип двигателя — где-то лучше подойдет коллекторный, а где-то можно установить только бесколлекторный.

Коллекторный двигатель

Двигатель коллекторный имеет, как правило, всего два провода питания, он прост в управлении, достаточно регулировать постоянное или переменное напряжение питания и обороты станут соответственно меняться. Управлять коллекторным двигателем можно даже при помощи нехитрого диммера. Главное достоинство коллекторного двигателя — высокие обороты (десятки тысяч в минуту) при высоком крутящем моменте.

Принцип работы коллекторного двигателя очень прост. По сути, ротор его представляет собой набор медных рамок в магнитопроводе, которые поочередно коммутируются к источнику питания на коллекторно-щеточном узле. Статор может быть как из постоянных магнитов, так и с обмоткой, питаемой от того же источника, что и ротор, или от отдельного источника, а иногда статор и ротор включены в единую последовательную цепь (как например двигатели стиральных машинок-автоматов).

На каждую из секций обмотки ротора, через коллекторно-щеточный узел, поочередно, в процессе вращения ротора, подается электрический ток, в результате ротор перемагничивается, приобретая четко выраженные северный и южный магнитные полюсы, благодаря которым и происходит вращение ротора внутри статора (полюсы ротора выталкиваются полюсами статора, затем ротор дальше перемагничивается и вновь выталкивается). Поскольку ротор каждый раз коммутируется к источнику питания очередной секцией, вращение не останавливается, пока на коллектор подается питание.

Основной недостаток коллекторного двигателя

Обороты коллекторного двигателя очень удобно регулировать, но когда они достаточно высоки, щетки дают о себе знать. Поскольку щетки все время плотно прилегают к коллектору, на высоких оборотах они быстро изнашиваются, со временем так или иначе засоряются, и в конце концов начинают искрить.

Износ щеток, и вообще коллекторно-щеточного узла, ведет к снижению эффективности коллекторного двигателя. Таким образом, сам коллекторно-щеточный узел — это и есть главный недостаток коллекторных двигателей . Сегодня от коллекторных двигателей стараются отказываться в пользу бесщеточных шаговых.

У бесколлекторного двигателя нет ни коллектора, ни щеток. Простейший пример бесколлекторного двигателя — асинхронный трехфазный двигатель с ротором типа «беличья клетка». Еще один пример бесколлекторного двигателя — более современный - шаговый двигатель с магнитным ротором . Обмотки статора бесколлекторного двигателя сами перемагничиваются так, чтобы ротор все время разворачивался и непрерывно таким образом вращался.

Чаще всего современные бесколлекторные двигатели оснащаются датчиком положения ротора, по сигналам с которого работает регулятор скорости вращения двигателя. Сигнал с датчика положения ротора передается на процессор более 100 раз в секунду, в результате получается точное позиционирование ротора и высокий крутящий момент. Бывают, конечно, бесколлекторные двигатели и без датчика положения ротора, яркий пример — тот же асинхронный трехфазный мотор. Моторы без датчика положения стоят дешевле чем с датчиком.

Достоинства бесколлекторных двигателей

Поскольку ресурс подшипников ротора крайне велик, можно сказать, что в бесколлекторном двигателе практически отсутствуют изнашиваемые со временем детали, и он вообще не требует обслуживания в процессе эксплуатации. Здесь сведено к минимуму трение, отсутствует проблема перегрева коллектора, в целом надежность и эффективность бесколлекторных двигателей очень высоки.

Нет искрящих щеток, датчик положения ротора поможет сделать управление точным, - недостатков практически нет, одни достоинства. Разве что цена качественных шаговых двигателей выше чем у коллекторных (плюс драйвер), но это ничто по сравнению с регулярной заменой пружин, щеток и коллекторов у коллекторных двигателей.

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:

Принцип работы бесколлекторного двигателя постоянного тока (БКДП) был известен очень давно, и бесщёточные моторы всегда были интересной альтернативой традиционным решениям. Несмотря на это, подобные электрические машины лишь в XXI веке нашли широкое применение в технике. Решающим фактором повсеместного внедрения стало многократное снижение стоимости электроники управления приводом БДКП.

Проблемы коллекторных двигателей

На фундаментальном уровне работа любого электродвигателя заключается в преобразовании электрической энергии в механическую. Существуют два основных физических явления, лежащих в основе устройства электрических машин:

Двигатель сконструирован таким образом, что магнитные поля, создаваемые на каждом из магнитов, всегда взаимодействуют между собой, придавая ротору вращение. Традиционный электродвигатель постоянного тока состоит из четырёх основных частей:

• статор (неподвижный элемент с кольцом из магнитов);
• якорь (вращающийся элемент с обмотками);
• угольные щётки;
• коллектор.

Такая конструкция предусматривает вращение якоря и коллектора на одном валу относительно неподвижных щёток. Ток проходит от источника через подпружиненные для хорошего контакта щётки на коммутатор, который распределяет электричество между обмотками якоря. Магнитное поле, индуцированное в последних, взаимодействует с магнитами статора, что заставляет статор вращаться.

Главный недостаток традиционного двигателя в том, что механический контакт на щётках невозможно обеспечить без трения. При увеличении скорости проблема проявляет себя сильнее. Коллекторный узел изнашивается со временем и, кроме того, склонен к искрению и способен ионизировать окружающий воздух. Таким образом, несмотря на простоту и дешевизну в изготовлении, подобные электродвигатели обладают некоторыми непреодолимыми недостатками:

• износ щёток;
• электрические помехи в результате искрения;
• ограничения в максимальной скорости;
• сложности с охлаждением вращающегося электромагнита.

Появление процессорной техники и силовых транзисторов позволило конструкторам отказаться от узла механической коммутации и изменить роль ротора и статора в электромоторе постоянного тока.

Принцип работы БДКП

В бесколлекторном электродвигателе, в отличие от предшественника, роль механического коммутатора выполняет электронный преобразователь. Это позволяет осуществить «вывернутая наизнанку» схема БДКП - его обмотки расположены на статоре, что исключает необходимость в коллекторе.

Иными словами, основное принципиальное различие между классическим двигателем и БДКП в том, что вместо стационарных магнитов и вращающихся катушек последний состоит из неподвижных обмоток и вращающихся магнитов. Несмотря на то что сама коммутация в нём происходит похожим образом, её физическая реализация в бесщёточных приводах гораздо более сложна.

Главный вопрос - точное управление бесколлекторным двигателем, предполагающее правильную последовательность и частоту переключения отдельных секций обмоток. Эта задача конструктивно разрешима лишь при возможности непрерывного определения текущего положения ротора.

Необходимые данные для обработки электроникой получают двумя способами :

• детектированием абсолютного положения вала;
• измерением напряжения, индуцируемого в обмотках статора.

Для реализации контроля первым способом чаще всего используют либо оптические пары, либо закреплённые неподвижно на статоре датчики Холла, реагирующие на магнитный поток ротора. Главным достоинством подобных систем сбора информации о положении вала является их работоспособность даже при очень низких скоростях и в состоянии покоя.

Бессенсорный контроль для оценки напряжения в катушках требуется хотя бы минимального вращения ротора. Поэтому в таких конструкциях предусмотрен режим запуска двигателя до оборотов, при которых напряжение на обмотках может быть оценено, а состояние покоя тестируется с помощью анализа влияния магнитного поля на тестовые импульсы тока, проходящие через катушки.

Несмотря на все перечисленные конструктивные сложности, бесщёточные двигатели завоёвывают всё большую популярность благодаря своей производительности и недоступному для коллекторных набору характеристик. Краткий перечень основных преимуществ БДКП перед классическими выглядит так:

• отсутствие механических потерь энергии на трении щёток;
• сравнительная бесшумность работы;
• лёгкость ускорения и замедление вращения благодаря малой инерции ротора;
• точность управления вращением;
• возможность организации охлаждения за счёт теплопроводности;
• способность к работе на высоких скоростях;
• долговечность и надёжность.

Современное применение и перспективы

Существует немало устройств, для которых увеличение времени безотказной работы имеет важнейшее значение. В подобном оборудовании применение БДКП всегда оправданно, несмотря на их сравнительно высокую стоимость. Это могут быть водяные и топливные насосы, турбины охлаждения кондиционеров и двигателей и т. д. Бесщёточные моторы используются во многих моделях электрических транспортных средств. В настоящее время на бесколлекторные двигатели всерьёз обратила внимание автомобильная промышленность.

БДКП идеально подходят для малых приводов, работающих в сложных условиях или с высокой точностью: питатели и ленточные конвейеры, промышленных роботы, системы позиционирования. Существуют сферы, в которых бесколлекторные двигатели доминируют безальтернативно: жёсткие диски, насосы, бесшумные вентиляторы, мелкая бытовая техника, CD/DVD приводы. Малый вес и высокая выходная мощность сделали БДКП также и основой для производства современных беспроводных ручных инструментов.

Можно сказать, что в области электроприводов сейчас наблюдается значительный прогресс. Продолжающееся падение цен на цифровую электронику породило тенденцию на повсеместное применение бесколлекторных двигателей взамен традиционных.

Двигатели в мультироторных аппаратах бывают двух типов: коллекторные и бесколлекторные. Их главное отличие в том, что у коллекторного двигателя обмотки находятся на роторе (вращающейся части), а у бесколлекторного — на статоре. Не вдаваясь в подробности скажем, что бесколлекторный двигатель предпочтительнее коллекторного поскольку наиболее удовлетворяет требованиям, ставящимся перед ним. Поэтому в этой статье речь пойдёт именно о таком типе моторов. Подробно о разнице между бесколлекторными и коллекторными двигателями можно прочесть в .

Несмотря на то, что применяться БК-моторы начали сравнительно недавно, сама идея их устройства появилась достаточно давно. Однако появление транзисторных ключей и мощных неодимовых магнитов сделало возможным их коммерческое использование.

Устройство БК — моторов

Конструкция бесколлекторного двигателя состоит из ротора на котором закреплены магниты и статора на котором располагаются обмотки. Как раз по взаиморасположению этих компонентов БК-двигатели делятся на inrunner и outrunner.

В мультироторных системах чаще применяется схема Outrunner, поскольку она позволяет получать наибольший вращательный момент.

Плюсы и минусы БК — двигателей

Плюсы:

• Упрощённая конструкция мотора за счёт исключения из неё коллектора.
• Более высокий КПД.
• Хорошее охлаждение
• БК-двигатели могут работать в воде! Однако не стоит забывать, что из-за воды на механических частях двигателя может образоваться ржавчина и он сломается через какое-то время. Для избежания подобных ситуаций рекомендуется обрабатывать двигатели при помощи водоотталкивающей смазки.
• Наименьшие радиопомехи

Минусы:

Из минусов можно отметить только невозможность применения данных двигателей без ESC (регуляторы скорости вращения). Это несколько усложняет конструкцию и делает БК-двигатели дороже коллекторных. Однако если сложность конструкции является приоритетным параметром, то существуют БК-двигатели с встроенными регуляторами скорости.

Как выбрать двигатели для коптера?

При выборе бесколлекторных двигателей в первую очередь следует обратить внимание на следующие характеристики:

• Максимальный ток — эта характеристика показывает какой максимальный ток может выдержать обмотка двигателя за небольшой промежуток времени. Если превысить это время, то неизбежен выход двигателя из строя. Так же этот параметр влияет на выбор ESC.
• Максимальное напряжение — так же как и максимальный ток, показывает какое напряжение можно подать на обмотку в течение короткого промежутка времени.
• KV - количество оборотов двигателя на один вольт. Поскольку этот показатель напрямую зависит от нагрузки на вал мотора, то его указывают для случая, когда нагрузки нет.
• Сопротивление — от сопротивления зависит КПД двигателя. Поэтому чем сопротивление меньше - тем лучше.

Характеристикам электродвигателя постоянного тока. Как и электродвигатели постоянного тока, вентильные двигатели работают от сети постоянного тока. ВД можно рассматривать как двигатель постоянного тока, в котором щёточно-коллекторный узел заменён электроникой , что подчёркивается словом «вентильный», то есть «управляемый силовыми ключами » (вентилями). Фазные токи вентильного двигателя имеют синусоидальную форму. Как правило, в качестве усилителя мощности применяется автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Вентильный двигатель следует отличать от бесколлекторного двигателя постоянного тока (БДПТ), который имеет трапецеидальное распределение магнитного поля в зазоре и характеризуется прямоугольной формой фазных напряжений. Структура БДПТ проще чем структура ВД (отсутствует преобразователь координат, вместо ШИМ используется 120- или 180-градусная коммутация, реализация которой проще ШИМ).

В русскоязычной литературе двигатель называют вентильным, если противо-ЭДС управляемой синхронной машины синусоидальная, а бесконтактным двигателем постоянного тока, если противо-ЭДС трапецеидальная.

В англоязычной литературе такие двигатели обычно не рассматриваются отдельно от электропривода и упоминаются под аббревиатурами PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) или BLDC (Brushless Direct Current Motor). Стоит отметить, что аббревиатура PMSM в англоязычной литературе чаще используется для обозначения самих синхронных машин с постоянными магнитами и с синусоидальной формой фазных противо-ЭДС, в то время как аббревиатура BLDC аналогична русской аббревиатуре БДПТ и относится к двигателям с трапецеидальной формой противо-ЭДС (если иная форма не оговорена специально).

Вообще говоря, вентильный двигатель не является электрической машиной в традиционном понимании, поскольку его проблематика затрагивает ряд вопросов, связанных с теорией электропривода и систем автоматического управления : структурная организация, использование датчиков и электронных компонентов, а также программное обеспечение.

Вентильные двигатели, сочетающие в себе надёжность машин переменного тока с хорошей управляемостью машин постоянного тока, являются альтернативой двигателям постоянного тока, которые характеризуются рядом изъянов, связанных со ЩКУ , таких как искрение, помехи, износ щёток, плохой теплоотвод якоря и пр. Отсутствие ЩКУ позволяет применять ВД в тех приложениях, где использование ДПТ затруднено или невозможно.

Описание и принцип работы [ | ]

Рис. 2. Структура двухфазного вентильного двигателя с синхронной машиной с постоянными магнитами на роторе. ПК - преобразователь координат, УМ - усилитель мощности,
СЭМП - синхронный электромеханический преобразователь (синхронная машина), ДПР - датчик положения ротора.

U α = − u q ⋅ sin ⁡ θ , {\displaystyle u_{\alpha }=-u_{q}\cdot \sin {\theta },}

U β = {\displaystyle u_{\beta }=} u q ⋅ cos ⁡ θ , {\displaystyle u_{q}\cdot \cos {\theta },}

где - угол поворота ротора (и системы вращающихся координат) относительно оси α {\displaystyle \alpha } неподвижной системы координат. Для измерения мгновенного значения угла θ {\displaystyle \theta } на валу ВД устанавливается датчик положения ротора (ДПР).

По сути, является в этом случае заданием значения амплитуды фазных напряжений. А ПК, осуществляя позиционную модуляцию сигнала u q {\displaystyle u_{q}} , формирует гармонические сигналы u α , u β {\displaystyle u_{\alpha },u_{\beta }} , которые усилитель мощности (УМ) преобразует в фазные напряжения u A , u B {\displaystyle u_{A},u_{B}} . Синхронный двигатель в составе вентильного двигателя часто называют синхронным электромеханическим преобразователем (СЭМП).

Как правило, электронная часть ВД коммутирует фазы статора синхронной машины так, чтобы вектор магнитного потока статора был ортогонален вектору магнитного потока ротора (т. н. векторное управление). При соблюдении ортогональности потоков статора и ротора обеспечивается поддержание максимального вращающего момента ВД в условиях изменения частоты вращения, что предотвращает выпадение ротора из синхронизма и обеспечивает работу синхронной машины с максимально возможным для неё КПД . Для определения текущего положения потока ротора вместо датчика положения ротора могут использоваться токовые датчики (косвенное измерение положения).

Электронная часть современного ВД содержит микроконтроллер и транзисторный мост , а для формирования фазных токов используется принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Микроконтроллер отслеживает соблюдение заданных законов управления, а также производит диагностику системы и её программную защиту от аварийных ситуаций.

Иногда датчик положения ротора отсутствует, а положение оценивается системой управления по измерениям токовых датчиков с помощью наблюдателей (т. н. «бездатчиковое» управление ВД). В таких случаях за счёт удаления дорогостоящего и зачастую громоздкого датчика положения уменьшается цена и массо-габаритные показатели электропривода с ВД, однако усложняется управление, снижается точность определения положения и скорости.

В приложениях средней и большой мощности в систему могут дополнительно включаться электрические фильтры для смягчения негативных эффектов ШИМ: перенапряжений на обмотках, подшипниковых токов и снижения КПД. Впрочем, это характерно для всех типов двигателей.

Достоинства и недостатки [ | ]

Вентильные двигатели призваны объединить в себе лучшие качества двигателей переменного тока и двигателей постоянного тока. Это обусловливает их достоинства.

Достоинства:

Вентильные двигатели характеризуются и некоторыми недостатками, главный из которых - высокая стоимость. Однако, говоря о высокой стоимости, следует учитывать и тот факт, что вентильные двигатели обычно используются в дорогостоящих системах с повышенными требованиями по точности и надёжности.

Недостатки:

Конструкция [ | ]

Конструктивно современные вентильные привода состоят из электромеханической части (синхронной машины и датчика положения ротора) и из управляющей части (микроконтроллер и силовой мост).

Упоминая о конструкции ВД, полезно иметь в виду и неконструктивный элемент системы - программу (логику) управления.

Синхронная машина, используемая в ВД, состоит из шихтованного (собранного из отдельных электрически изолированных листов электротехнической стали - для снижения вихревых токов) статора, в котором расположена многофазная (обычно двух- или трёхфазная) обмотка, и ротора (обычно на постоянных магнитах).

В качестве датчиков положения ротора в БДПТ применяются датчики Холла , а в ВД - вращающиеся трансформаторы и накапливающие датчики . В т. н. «бездатчиковых» системах информация о положении определяется системой управления по мгновенным значениям фазных токов.

Информация о положении ротора обрабатывается микропроцессором, который, согласно программе управления, вырабатывает управляющие ШИМ-сигналы. Низковольтные ШИМ-сигналы микроконтроллера затем преобразуются усилителем мощности (обычно транзисторным мостом) в силовые напряжения, подаваемые на двигатель.

Совокупность датчика положения ротора и электронного узла в ВД и БДПТ можно с определённой долей достоверности сравнить с щёточно-коллекторным узлом ДПТ. Однако следует помнить, что двигатели редко применяются вне электропривода. Таким образом, электронная аппаратура характерна для ВД почти в той же степени, что и для ДПТ.

Статор [ | ]

Статор имеет традиционную конструкцию. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки, уложенной в пазы по периметру сердечника. Обмотка разбита на фазы, которые уложены в пазы таким образом, что пространственно сдвинуты друг относительно друга на угол, определяемый числом фаз. Известно, что для равномерного вращения вала двигателя машины переменного тока достаточно двух фаз. Обычно синхронные машины, применяемые в ВД, трёхфазные, однако встречаются также и ВД с четырёх- и шестифазными обмотками.

Ротор [ | ]

По расположению ротора вентильные двигатели делятся на внутрироторные (англ. inrunner) и внешнероторные (англ. outrunner).

Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до шестнадцати пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов.