Безщеткovi двигатели с постоянен ток

Определение

Безщетков привод на постоянното тягово напрежение се дефинира като самоуправляем привод с променлива честота, използващ синусоидален двигател с постоянни магнити (PMAC). Този тип привод предлага няколко значителни предимства. Практически без поддръжка, разполага с удължен живот, което го прави надежден избор за различни приложения. Освен това разполага с ниско ротационно инерционно съпротивление, минимално триене и работи с нискочестотни характеристики. Освен това генерира минимално радиочестотно възмущение и шум, осигурявайки плавно и тихо функциониране. Въпреки това не е лишен от недостатъци; основните ограничения са относително високата цена и ниската стартова момента.

Приложения

Безщетковите приводи на постоянното тягово напрежение намират широко приложение в различни индустрии и устройства. В областта на потребителската електроника те се използват в грамофони, лентописачи и шпиндели на хард дисковете на компютрите. Те служат също като нисковтрещие приводи в периферни инструменти и системи за управление на компютри. Освен потребителската електроника, техните приложения се разпростиращ до аерокосмическата индустрия, където надеждността и тихото функциониране са ключови. В биомедицинската област, техните прецизност и чисто функциониране ги правят подходящи за различни медицински устройства. Освен това те често се използват за изпълнението на охладителни вентилатори, осигурявайки ефективна и тиха вентилация в много системи.

Структура на двигателя

Фигурата по-долу илюстрира разрез на трифазен, двуполюсен трапецоиден PMAC двигател, който е ключов компонент на безщетковия привод на постоянното тягово напрежение. Двигателят разполага с ротор с постоянни магнити с широка полюсна дъга, което допринася за ефективното му функциониране. Статорът е оборудван с трите полюсни обмотки, всяка от които е разположена на 120 градуса една спрямо друга. Тази конкретна конфигурация на обмотките осигурява балансирано електрическо функциониране и плавно производство на момента. Всяка фазова обмотка покрива 60 градуса от всяка страна, оптимизирайки взаимодействието на магнитното поле в двигателя и позволявайки прецизно контролиране на скоростта и производствените показатели.

Наведените напрежения в трите фази на двигателя са показани в фигурата по-долу. Генерирането на трапецоиден сигнал може да се припише на специфичното взаимодействие между ротора и статора. Когато роторът се завърта в обратна посока, през първите 120 градуса от референтната позиция, всички горни проводници на фаза A взаимодействат с южния полюс на магнитното поле, докато всички долни проводници на фаза A взаимодействат с северния полюс.

Това последователно магнитно свързване в този ъглов диапазон води до относително стабилно наведено напрежение, което допринася за плоската верхна част на трапецоидния сигнал. Когато роторът продължи да се върти, променящите се ориентации на магнитното поле причиняват преминаване на наведеното напрежение, формирайки характерния трапецоиден формат, който е съществен за правилното функциониране и контрол на безщетковия привод на постоянното тягово напрежение.

През 120-градусов завърт на ротора, напрежението, наведено в фаза A, остава относително постоянно. Когато завъртането надхвърли 120 градуса, някои от горните проводници на фаза A започват да се свързват с северния полюс, докато други продължават да взаимодействат с южния полюс. Същото явление се случва и с долните проводници. В резултат, през следващите 60 градуса, напрежението, наведено в фаза A, се обръща линейно. Този модел на промяна на напрежението се отразява и в фазите B и C, създавайки координирано електрическо поведение, необходимо за функционирането на двигателя.

Системата за безщетков привод на постоянното тягово напрежение, както е показано в фигурата по-долу, се състои от инвертор с напрежение и трапецоиден PMAC двигател. Обмотките на статора на двигателя са конфигурирани в звезда. Фигурата също показва характерния фазов напрежителен сигнал на трапецоидния PMAC двигател, който отразява уникалните динамични характеристики на наведеното напрежение, описани по-горе. Този сигнал е ключов елемент, който позволява ефективно контролиране и функциониране на безщетковия привод на постоянното тягово напрежение, осигурявайки плавно производство на момента и прецизно регулиране на скоростта.

Обмотките на статора на безщетковия DC двигател се снабдяват с импулси на тока. Всяк един импулс има продължителност от 120 електрически градуса и е точно позициониран в региона, където наведеното напрежение остава постоянно и достига максималната си стойност. Ключово е, че полярността на тези импулси на тока съответства на тази на наведеното напрежение, осигурявайки хармонично взаимодействие между електрическите входове и магнитното поле, генерирано от двигателя.

Магнитната индукция в зазорната пространство на двигателя се поддържа на постоянен равнище, а големината на наведеното напрежение е директно пропорционална на скоростта на ротора. Това отношение е фундаментално за функционирането на двигателя, тъй като позволява точен контрол на производствените показатели на двигателя в зависимост от скоростта, зависеща от наведеното напрежение, което осигурява ефективна передача на мощност и плавно функциониране при различни условия на работа.

През всеки 60-градусов интервал от функциониране, токът протича в една фаза на обмотката на статора на двигателя и излиза от друга. Този алтернативен модел на поток на тока е ключова характеристика на функционирането на безщетковия DC двигател. В резултат, мощността, доставена към двигателя във всеки от тези 60-градусови интервали, може да бъде изразена чрез следния формула, която взема предвид взаимодействието между напрежението и тока в фазите на обмотките.

Моментът, развиван от двигателя

Вълновата форма на момента, генериран от безщетковия привод на постояното тягово напрежение, е показана в фигурата по-долу. Големината на момента, генериран от двигателя, е директно пропорционална на тока, протичащ през DC силовите връзки. Това отношение е фундаментално за разбирането на динамичното поведение и производствените характеристики на двигателя.

Регенеративното спиране в тази система за привод се постига чрез обръщане на фазовия ток. Когато фазовият ток се обърне, посоката на източника на тока Id също се променя съответно. Това обръщане инициира поток на мощност, който започва от двигателя, минава през инвертора и в крайна сметка се връща към DC източника. През този процес, двигателят действа като генератор, преобразуващ механичната енергия от товара в електрическа енергия, която после се подава обратно в източника на мощността. Това не само помага за забавянето на двигателя, но и позволява възстановяване и повторно използване на енергията, увеличавайки общата ефективност на системата.

Когато скоростта на завъртане на системата за привод се обърне, полярността на наведените напрежения в двигателя също се обърта. Тази промяна в полярността на напрежението активира операцията на регенеративно спиране, позволявайки на привода да преобразува механичната енергия на движещия се товар в електрическа енергия, която може да бъде подадена обратно в източника на мощността.

От друга страна, обръщането на посоката на тока, протичащ през обмотките на двигателя, инициира операцията на движение, насочвайки двигателя в желаната посока. Вълновите форми на тока, отговарящи на тези различни режими на работа - регенеративно спиране и движение, са ясно показани в фигурата по-долу, предоставяйки визуално представяне на електрическото поведение на системата за привод при различни условия.

Типове безщеткови приводи на постояното тягово напрежение

Безщетковите приводи на постояното тягово напрежение могат основно да бъдат класифицирани в два различни типа: нискостоимостен безщетков привод на постояното тягово напрежение и еднофазен безщетков привод на постояното тягово напрежение. Всяк