Бесщеточные двигатели постоянного тока

Определение

Бесщеточный двигатель постоянного тока определяется как саморегулируемый преобразователь частоты, использующий синусоидальный двигатель с постоянными магнитами (PMAC). Этот тип привода предлагает несколько значительных преимуществ. Практически не требующий технического обслуживания, он обладает длительным сроком службы, что делает его надежным выбором для различных применений. Кроме того, он имеет низкий момент инерции, минимальное трение и работает с характеристиками низкой частоты. Также он создает минимальное радиочастотное излучение и шум, обеспечивая плавную и тихую работу. Однако у него есть и недостатки; основные ограничения заключаются в относительно высокой стоимости и низком стартовом моменте.

Применения

Бесщеточные двигатели постоянного тока широко используются во многих отраслях и устройствах. В области потребительской электроники они применяются в проигрывателях, ленточных приводах для магнитофонов и шпиндельных приводах жестких дисков компьютеров. Они также служат маломощными приводами в периферийных приборах и системах управления компьютеров. За пределами потребительской электроники их применения распространяются на авиационную промышленность, где важны надежность и бесшумная работа. В биомедицинской сфере их точность и чистота работы делают их подходящими для различных медицинских устройств. Кроме того, они часто используются для привода вентиляторов охлаждения, обеспечивая эффективную и тихую вентиляцию в различных системах.

Строение двигателя

На рисунке ниже показан поперечный разрез трехфазного двухполюсного трапециевидного двигателя PMAC, который является ключевым компонентом бесщеточного привода постоянного тока. Двигатель оснащен ротором с постоянными магнитами, имеющим широкую полюсную дугу, что способствует его эффективной работе. Статор оборудован трехфазными обмотками, каждая из которых смещена на 120 градусов относительно друг друга. Эта конкретная конфигурация обмоток обеспечивает сбалансированную электрическую работу и плавное создание момента. Каждая фазовая обмотка охватывает 60 градусов с каждой стороны, оптимизируя взаимодействие магнитного поля внутри двигателя и позволяя точно контролировать его скорость и производительность.

Напряжения, индуцированные в трех фазах двигателя, показаны на рисунке ниже. Генерация трапециевидной формы сигнала может быть объяснена специфическим взаимодействием между ротором и статором. Когда ротор вращается против часовой стрелки, в течение первых 120 градусов вращения от исходного положения, все верхние проводники фазы A взаимодействуют с южным полюсом магнитного поля, в то время как все нижние проводники фазы A взаимодействуют с северным полюсом.

Это постоянное магнитное взаимодействие в этом угловом диапазоне приводит к относительно стабильному индуцированному напряжению, способствуя формированию плоской верхней части трапециевидной формы сигнала. По мере продолжения вращения ротора изменение ориентации магнитного поля вызывает переход индуцированного напряжения, в конечном итоге формируя характерную трапециевидную форму, необходимую для правильной работы и управления бесщеточным приводом постоянного тока.

В течение 120-градусного вращения ротора, напряжение, индуцированное в фазе A, остается относительно постоянным. После того, как вращение превышает 120 градусов, некоторые верхние проводники фазы A начинают связываться с северным полюсом, в то время как другие продолжают взаимодействовать с южным полюсом. То же явление происходит и с нижними проводниками. В результате, в течение последующего 60-градусного вращения, напряжение, индуцированное в фазе A, линейно меняется. Этот паттерн изменения напряжения повторяется и в фазах B и C, создавая согласованное электрическое поведение, необходимое для работы двигателя.

Система бесщеточного привода постоянного тока, как показано на рисунке ниже, состоит из инвертора с источником напряжения, соединенного с трапециевидным двигателем PMAC. Обмотки статора двигателя подключены в звезду. На рисунке также показана характеристическая форма напряжения фазы трапециевидного двигателя PMAC, которая отражает уникальную динамику индукции напряжения, описанную выше. Эта форма сигнала является ключевой особенностью, обеспечивающей эффективное управление и работу бесщеточного привода постоянного тока, способствуя плавному созданию момента и точному регулированию скорости.

Обмотки статора бесщеточного двигателя постоянного тока питают импульсы тока. Каждый импульс длится 120 электрических градусов и точно расположен в области, где индуцированное напряжение остается постоянным и достигает своего максимального значения. Критически важно, что полярность этих импульсов тока совпадает с полярностью индуцированного напряжения, обеспечивая гармоничное взаимодействие между электрическими входами и магнитным полем, создаваемым двигателем.

Магнитный поток в воздушном зазоре двигателя поддерживается на постоянном уровне, а величина индуцированного напряжения прямо пропорциональна скорости вращения ротора. Это соотношение является фундаментальным для работы двигателя, так как оно позволяет точно контролировать производительность двигателя на основе скоростного индуцированного напряжения, обеспечивая эффективную передачу мощности и плавную работу в различных условиях эксплуатации.

В течение каждого 60-градусного интервала работы, ток поступает в одну фазу обмотки статора двигателя и выходит из другой. Этот чередующийся паттерн тока является ключевой характеристикой работы бесщеточного двигателя постоянного тока. В результате, мощность, подаваемая на двигатель в каждом из этих 60-градусных интервалов, может быть выражена следующей формулой, которая учитывает взаимодействие между напряжением и током в фазовых обмотках.

Момент, создаваемый двигателем

Форма сигнала момента бесщеточного привода постоянного тока показана на рисунке ниже. Величина момента, создаваемого двигателем, прямо пропорциональна току, протекающему через DC-связь. Это соотношение является фундаментальным для понимания динамического поведения и характеристик производительности двигателя.

Регенеративное торможение в этой системе привода достигается путем изменения направления фазного тока. Когда фазный ток изменяет свое направление, направление источника тока Id также изменяется соответствующим образом. Это изменение инициирует поток мощности, который начинается от двигателя, проходит через инвертор и возвращается к источнику постоянного тока. В процессе этого двигателя действует как генератор, преобразуя механическую энергию нагрузки в электрическую, которая затем возвращается в источник питания. Это не только помогает замедлить двигатель, но и позволяет восстановить и повторно использовать энергию, повышая общую эффективность системы.

Когда скорость вращения системы привода меняется, полярность индуцированных напряжений в двигателе также меняется. Это изменение полярности напряжения запускает операцию регенеративного торможения, позволяя приводу преобразовать механическую энергию движущейся нагрузки в электрическую энергию, которая может быть возвращена в источник питания.

Наоборот, изменение направления тока, протекающего через обмотки двигателя, инициирует режим движения, приводя двигатель в желаемом направлении. Формы тока, соответствующие этим различным режимам работы — регенеративное торможение и движение, — четко показаны на рисунке ниже, предоставляя визуальное представление о электрическом поведении системы привода в разных условиях.

Типы бесщеточных приводов постоянного тока

Бесщеточные приводы постоянного тока можно в основном разделить на два различных типа: недорогой бесщеточный привод постоянного тока и однофазный бесщеточный привод постоянного тока. У каждого типа есть свои уникальные характеристики и принципы работы, которые подробно описаны ниже.

Недорогой бесщеточный привод постоянного тока

Недорогой бесщеточный привод постоянного тока разработан с учетом простоты и доступности. Он имеет минималистическую конфигурацию, состоящую всего из трех транзисторов и трехдиодного преобразователя. Эта схема ограничивает привод только подачей положительного тока или напряжения на трехфазный двигатель.

Во время работы индуцированное напряжение и ток играют ключевую роль как в режиме движения, так и в режиме торможения двигателя. Когда 120-градусные положительные импульсы тока подаются на двигатель, это инициирует движение, заставляя двигатель вращаться против часовой стрелки. Напротив, когда эти импульсы тока сдвигаются на 60 градусов до общей суммы 180 градусов, двигатель переходит в режим торможения. Это изменение времени подачи импульсов тока эффективно изменяет взаимодействие между электрическим входом и магнитным полем двигателя, позволяя перейти от вращательного движения к тормозному механизму.

Недорогой бесщеточный привод постоянного тока: механизм управления током

В недорогом бесщеточном приводе постоянного тока ток фазы A точно регулируется тиристором Tr1 и диодом D1. Когда Tr1 активируется (включается), напряжение источника Vd подключается к обмотке A. Это соединение вызывает положительное изменение тока IA, что означает, что ток в фазе A начинает увеличиваться. Наоборот, когда Tr1 деактивируется (выключается), ток iA переходит в режим свободного хода через диод D1. В процессе свободного хода скорость изменения iA становится отрицательной, и ток постепенно затухает.

В течение периода 0-120º Tr1 можно включать и выключать поочередно. Эта стратегия включения и выключения используется для того, чтобы фактический ток IA точно следовал прямоугольному эталонному току iA, обеспечивая, чтобы разница между ними оставалась в пределах заранее определенной гистерезисной полосы. Это точное управление помогает поддерживать стабильную работу двигателя и эффективную передачу мощности.

Однофазный бесщеточный привод постоянного тока

Конфигурация однофазного бесщеточного привода постоянного тока показана на рисунке ниже. Для анализа предположим, что двигатель питается от однофазного полумостового преобразователя, который подает прямоугольную форму тока на двигатель, как показано на сопровождающем рисунке. Эта конкретная форма тока играет ключевую роль в определении характеристик производительности и поведения двигателя.

Момент, создаваемый двигателем, демонстрирует значительные колебания, известные как пульсация момента. Однако, когда двигатель работает на высоких скоростях, инерция системы двигатель-нагрузка действует как естественный фильтр. Эта встроенная инерция сглаживает колебания момента, позволяя двигателю поддерживать относительно равномерную скорость вращения, несмотря на наличие пульсаций момента.