Бесколлекторные двигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока, которые не имеют в своем составе коллекторного узла (коллектора и щеток), называются бесколлекторными. В отличие от коллекторных, такие двигатели содержат трёхфазную обмотку, установленную в статоре, и постоянный магнит расположенный на роторе. Крутящий момент в таких двигателях создается за счет взаимодействия вращающегося магнитного поля, создаваемого обмоткой статора, и магнита ротора. Создание вращающего магнитного поля требует подачи на каждую обмотку напряжения специальной формы. При этом напряжения, подаваемые на каждую из обмоток должны быть объединены в единую систему. Для создания такой системы напряжений используются специализированные модули электроники, которые называются контроллерами.

Самая примитивная схема подключения бесколлекторного двигателя предусматривает подключение пар обмоток к источнику питания постоянного напряжения. Когда ротор начинает вращаться в направлении вектора магнитного поля, происходит переключение питающего напряжения на другую пару обмоток. После переключения происходит изменение направления вектора магнитного поля обмоток, под действием которого ротор вращается дальше. Такая схема требует наличия датчика положения вала ротора, самым распространенными являются датчики на эффекте Холла.

В чем отличия бесколлекторных двигателей от синхронных двигателей с постоянными магнитами

Конструктивно двигатели этих типов очень схожи друг с другом.

Основные отличия в способах управления двигателями. Так, синхронные двигатели – это довольно большой класс двигателей, включающий в себя широкий спектр различных видов двигателей, в том числе и такие, которые работают напрямую от стандартной промышленной сети переменного тока, или, как например, синхронные сервоприводы, работают при подаче напряжения различной частоты, что требует применения специализированных блоков, преобразующих частоту.

Бесколлекторные двигатели работают только при подаче на свои обмотки синхронизированных напряжений специальной формы, что требует применения электронных модулей генерации и коммутации таких сигналов.

Еще одним различием является форма питающего напряжения. В отличии от синхронных двигателей, запитываемых синусоидальным напряжением, бесколлекторные двигатели способны работать от переменного напряжения сложной ступенчатой формы.

Особенности конструкции

В настоящее время доступны различные конструкции бесколлекторных двигателей, в зависимости от технологии изготовления обмоток существуют традиционные обмотки на сердечниках и полые обмотки цилиндрической формы.

Обмотки на сердечниках имеют большие, относительно полых цилиндрических обмоток, индуктивность, постоянную времени, момент инерции и момент магнитной фиксации, а также более низкий КПД.

Лишенные крупных металлических сердечников двигатели с полыми обмотками имеют лучшие динамические характеристики изменения тока, что позволяет более гибко управлять моментом. При этом следует учитывать, что такие двигатели требуют дополнительных мер по фильтрации пульсаций тока (применение крупногабаритных дросселей) в случае, если управление ими реализовано от контроллеров с широтно-импульсной модуляцией на низкой частоте.

Двигатель постоянного тока - это электрический двигатель, питание которого обеспечивает постоянный ток. Бесколлекторный вид ДПТ - это замкнутая система, состоящая из ротора с постоянными магнитами, выполненного медным проводом, и статора с трехфазной обмоткой, выполненного из нескольких сложенных вместе листов магнитопроводящей стали. Двигатель представляет собой синхронное устройство, принцип работы которого основан на вращении магнитного поля. Для создания такого поля на обмотку статора подается трехфазная система напряжения, которая может быть сформирована в различных формах и различными способами. Контроллер двигателя формирует питающие напряжения (коммутация обмоток).

Точное управление бесколлекторным двигателем предполагает правильную последовательность и частоту переключения отдельных секций обмоток. Обмотки поочередно подключаются к источнику постоянного напряжения и, после того, как ротор поворачивается по направлению вектора магнитного поля обмотки статора, происходит подключение напряжения к другой паре обмоток. После, вектор магнитного поля статора занимает другое положение, а вращение ротора продолжается. Для необходимой возможности непрерывного определения текущего положения ротора используется специальный датчик, наиболее распространенным вариантом является датчик Холла, а также используют энкодеры и резольверы. При правильном расположении датчиков на статоре, они реагируют на магнитное поле. На датчики должны воздействовать магниты ротора, а угол между датчиками должен быть равен 120° эл.

Виды бесколлекторных двигателей

На данный момент существует огромное множество вариантов бесколлекторных двигателей в виду возможности сборки разнообразных конструкций.

По исполнению статорной обмотки выделяют два типа конструкции:

  • Зубцовая (Slotted)
  • Сплошная (Slotless)


Изначально, бесколлекторные двигатели имели только зубцовую обмотку. Статор в таком двигателе изготовлен из сложенных вместе стальных пластин с прорезями, куда установлены медные обмотки. Такая конструкция характеризуется определенным моментом «фиксации» при старте, что делает движение резким, особенно на малых скоростях.  Момент появляется из-за усилия постоянных магнитов в роторе совпасть с пазами статора. Достоинством такой обмотки является низкая стоимость двигателей в виду простоты технологии, что делает их основным выбором для применений, где плавная работа не является решающим фактором. В сплошной обмотке зубья отсутствуют, слои статора изготовлены из стальных колец, а обмотка сжата в эпоксидной смоле. Таким образом, мы получаем жесткую обмотку в зазоре между статором и ротором. Сплошная обмотка обеспечивает двигателю точное позиционирование и плавность движения. Кроме того, низкая индуктивность делает двигатели идеальными для применения с необходимостью высокого ускорения и быстрым динамическим откликом.

По взаимному расположению ротора и статора различают внутрироторные и внешнероторные двигатели. У конструкции с внешним ротором магниты расположены снаружи неподвижного статора с обмотками, вокруг которого они вращаются. Такое исполнение используется при необходимости получения двигателя с относительно большим моментом и невысокими оборотами. Вариант внутреннего исполнения обеспечивает большим КПД и высокими оборотами, но меньшим моментом инерции при аналогичном наружном диаметре двигателя. По конструкции магниты ротора находятся внутри статора с обмотками.

Отличия бесколлекторного ДПТ от других типов двигателей:

1. От коллекторных ДПТ

В бесколлекторном двигателе роль механического коммутатора выполняет электронный преобразователь, что исключает необходимость использования коллектора и щеток. Отказ от движущегося электрического контакта позволяет увеличить надежность и скорость работы двигателя. Данное нововведение также улучшает удельную мощность бесколлекторного двигателя, однако высокие скорости крайне редко находят применение.

2. От синхронных двигателей с постоянными магнитами

По своей структуре бесколлекторные двигатели схожи с синхронными. Тем не менее, в двигателях синхронного типа предполагается напряжение синусоидальной формы, бесколлектроные же не допускают питание переменным напряжением ступенчатой формы (блочная коммутация) и даже используют в номинальных режимах работы.

Когда нужен бесколлекторный двигатель?

В случаях, когда его характеристики имеют преимущество перед остальными. Сферы применения, требующие большие скорости вращения (свыше 1000 об/мин) или высокий срок службы двигателя не обходятся без бесколлекторного двигателя. Применение низкоскоростных двигателей с большим числом полюсов целесообразно при необходимости использования сборки из двигателя с редуктором. Скорость высокоскоростных бесколлекторных двигателей будет превышать предельную редуктора, не позволяя использовать мощность в полном объеме. Для максимально простого управления естественным выбором будет коллекторный ДПТ.

С другой стороны, датчик Холла у бесколлекторных ДПТ в виду своих ограничений не может работать при условиях повышенной радиации и высокой температуры. Радиационная стойкость и диапазон рабочих температур ограничен у стандартных моделей таких датчиков. При необходимости использования бесколлекторных двигателей в экстремальных условиях, датчик Холла заменяют более стойким аналогом, что увеличивает стоимость двигателя и сроки поставки.