КПД бесколлекторного электродвигателя
Принцип работы бесколлекторного электродвигателя постоянного тока (альтернативные названия – вентильный, бесщеточный, BLDCM или PMSM мотор) был известен еще на этапе открытия электричества. Но серийное производство таких электромоторов началось с 1962 года – благодаря развитию технологий, возникновению силовых транзисторных ключей бюджетной категории и сильных неодимовых магнитов. Все электродвигатели постоянного тока – синхронные с самостоятельной синхронизацией. Схема их работы отличается от особенностей действия синхронных моторов переменного тока, поскольку у них нет самосинхронизации. В таблице приведены основные преимущества и недостатки бесколлекторных электромоторов.
| Плюсы | Минусы |
| Надежность, долговечность. | Более высокая стоимость – из-за необходимости использования дорогостоящего регулятора. |
| Высокий КПД. | Невозможность применения без регулятора, даже для кратковременного включения. |
| Возможность применения в пожароопасных условиях – благодаря отсутствию искр. | Сложность ремонта, особенно при необходимости перемотки. |
| Простота эксплуатации. | |
| Незначительный нагрев при работе. | |
| Быстрое достижение предельных оборотов. |
Как устроен бесколлекторный электродвигатель
Основные компоненты такого узла – статор с несколькими обмотками и ротор с постоянными магнитами. Для сравнения, конструкция коллекторного мотора диаметрально противоположна – обмотки размещаются на роторе. В БК моторе нет коллектора – увесистого узла, нуждающегося в обслуживании. Его задачи возложены на электронику. Управление обеспечивает регулятор. Благодаря этому конструкция упрощается, электромотор становится более легким и компактным. Уменьшению размеров способствует и использование сильных неодимовых магнитов. Благодаря замене электронными ключами контактов коллектора и щеток, снижаются коммутационные потери. В итоге, КПД бесколлекторного электродвигателя и значения его удельной мощности – выше, чем у коллекторных моделей. Значения возможной скорости вращения у бесколлекторных устройств шире, а их нагрев в процессе работы – ниже. Такие электромоторы допустимо использовать во влажной и агрессивной среде. К тому же, они почти не вызывают радиопомех.
Как работает бесколлекторный электродвигатель постоянного тока
Работу БК мотора обеспечивает электронный блок управления. Он отвечает за подачу напряжения и обеспечивает правильное вращение. Магнитное поле воздействует на обмотку. Она вращается в нем, поворачиваясь до нужного положения. Для постоянного вращения электронные элементы в необходимые моменты времени подают постоянное напряжение на те или иные обмотки статора. Большинство бесколлекторных электродвигателей – трехфазные. Но это не значит, что электронный блок управления питает мотор переменным 3-фазным током. Количество фаз соответствует числу обмоток мотора и бывает разным – 1, 2, 3 (чаще всего) и более. С возрастанием числа фаз повышается плавность вращения магнитного поля, но и усложняется система управления. Трехфазная система наиболее распространена благодаря удачному сочетанию плавной работы и умеренной конструкционной сложности. В 3-фазном электродвигателе 3 обмотки соединяются по схеме «треугольник» или «звезда». Такой мотор имеет 3 провода. Это выводы обмоток. У электромоторов с датчиками есть еще по 5 проводов: 2 – для питания датчиков положения, 3 – для передачи сигналов от датчиков. В любой момент времени напряжение поступает на 2 из 3-х обмоток. В результате, есть 6 способов подачи на обмотки постоянного напряжения. Так создается вращающееся магнитное поле, поворачиваемое при каждом очередном переключении на 60°.
Использование датчиков положения
Поскольку подача напряжения на обмотки должна осуществляться с учетом позиции ротора, от электронных компонентов требуется способность определять это положение. Данную работу выполняют датчики положения. Они бывают магнитные, оптические и других типов, но самые популярные из них – датчики Холла. В 3-фазном бесколлекторном электромоторе их 3. В схеме бесколлекторного электродвигателя такие датчики могут отсутствовать. Тогда для выяснения позиции ротора измеряется напряжение на временно свободной обмотке. Этот способ может использоваться исключительно при вращении электромотора. В техническом аспекте желательно применять электромоторы с датчиками положения, поскольку они проще в управлении. Но в таком случае придется позаботиться о питании датчиков и проложить провода от них к электронике, отвечающей за управление. Если же один из датчиков выйдет из строя, мотор не сможет работать. Придется разбирать его и менять неисправные элементы. При проблематичном размещении датчиков в корпусе электромотора применяется конструкция без них. В таком случае используется электронный блок, соответствующий параметрам конкретной модели электродвигателя и способный управлять им без использования датчиков. Но такие двигатели допустимо применять, только если они стартуют без значительной нагрузки на валу, причем при старте могут наблюдаться колебания оси. В остальных случаях (электротранспорт, подъемные устройства) обязательно использование электромоторов с датчиками. Предлагаем вашему вниманию обзор электрофэтбайков с описанием их достоинств и характерных особенностей. Перейти в раздел электромоторы для велосипедов
- 28 апреля 2019 г.
- 11995 просмотров
Коллекторный и бесколлекторный двигатели
Как устроен щеточный и бесщеточный мотор, в чем их разница, плюсы и минусы каждого из них. Почему везде делается акцент только на бесколлекторном двигателе.
В ассортименте продукции Greenworks есть инструменты с коллекторным (щёточным) и бесколлекторным (бесщёточным) двигателями. Но везде делается акцент только на бесколлекторном электродвигателе. Почему только на нём, и для чего тогда устройства с щёточным? Расскажем в данной статье преимущества и недостатки каждого электродвигателя и ответим на эти два вопроса.
Коллекторный двигатель
Начнём с того, что двигатель — это устройство, которое преобразует какой-либо вид энергии в механический и наоборот. Эффективность данного процесса зависит от внутренней конструкции двигателя, которая в свою очередь зависит от источника тока (постоянного или переменного).
Устройство коллекторного двигателя
Якорь. Стержнем всей конструкции является якорь, он же металлический вал. Вал является движущимся элементом, от которого зависит крутящий момент. На нём также располагается ротор.
Ротор. Связан с ведущим валом. Его внешняя конструкция напоминает барабан, который вращается внутри статора. Задача ротора получать или отдавать напряжение рабочему телу.
Подшипники. Они расположены на противоположных концах якоря для его сбалансированного вращения.
Щётки. Выполнены обычно из графита. Их задача предавать напряжение через коллектор в обмотки.
Коллектор (коммутатор). Он выполнен в виде соединенных между собой медных контактов. Во время процесса вращения он принимает на себя энергию с щёток и направляет её в обмотки.
Обмотки. Расположены на роторе и статоре разных полярностей. Их функция в генерировании собственного магнитного поля под воздействием разных полярностей, за счёт чего якорь приходит в действие.
Сердечник статора. Выполнен из металлических пластин. Может иметь катушку возбуждения с полярным напряжением обмотки ротора. Или — постоянные магниты. Данная конструкция зависит от источника напряжения. Является статичным элементом всего механизма.
- Стоимость меньше, чем у бесколлекторных двигателей (БД).
- Конструкция относительно проще конструкции БД.
- В виду этого, техническое обслуживание проще.
На высоких оборотах увеличивается трение щёток. Отсюда вытекает:
- Быстрый износ щёток.
- Снижение мощности инструмента.
- Появление искр.
- Задымление инструмента.
- Выход из строя инструмента раньше его «жизненного цикла».
Если рассматривать бытовую сферу применения, то коллекторный двигатель является традиционным и бюджетным вариантом эксплуатации (и самым часто используемым).
Инструменты на данном типе двигателя преданно и верно справятся с любой повседневной задачей в пределах своих возможностей. Так как такие инструменты по стоимости значительно дешевле инструментов на бесколлекторном двигателе, их рассматривает категория потребителей, которая придерживается мнения: «ничто не вечно». Зачем переплачивать, если любой агрегат может выйти из строя? Мы же считаем, что при надлежащих условиях эксплуатации любой инструмент может прослужить верой и правдой довольно долгий срок. Но выбор за Вами.
Бесколлекторный двигатель
Если в коллекторном двигателе всё приходит в действие за счёт механики, то в бесщёточном — чистая электроника. Также позиции некоторых элементов в конструкции меняются местами. В коллекторном двигателе обмотки находились на роторе, а постоянные магниты — на статоре. У бесколлеторного — постоянные магниты переносятся на ротор, а катушки с обмоткой располагаются на статоре. Также ротор и статор могут менять свои позиции: есть модели двигателей с внешним ротором. Здесь отсутствуют щётки и коллектор, вместо них добавлен микропроцессор (контроллер) и кулер для охлаждения системы. Микропроцессор контролирует положение ротора, скорость вращения, равномерное распределение напряжения по катушкам обмотки.
Основные типы бесщёточного двигателя :
- Асинхронный — это двигатель, который преобразовывает электроэнергию переменного тока в механическую. Название происходит от разной скорости вращения магнитного поля и ротора. Частота вращения ротора меньше, чем у магнитного поля, создаваемого обмотками статора (Например, двигатель DigiPro, который используется в продукции Greenworks).
- Синхронный — это двигатель переменного тока, у которого частота вращений ротора равна частоте вращений магнитного поля.
Тип двигателя с внешним ротором
Расположение ротора и статора в бесщёточном двигателе DigiPro
- Из-за отсутствия щёток меньше трения.
- Меньше подвержены износу.
- Отсутствие искр и возможного возгорания.
- Упрощенная регулировка крутящего момента в больших пределах.
- Экономия расходуемой энергии.
- У инструментов с реверсом одинаковая мощность в обоих направлениях вращения.
- Быстрый запуск с больших скоростей.
- Могут разгоняться до предельных показателей.
- Некоторые модели при сильной нагрузке оснащены системой защиты двигателя.
- Значительно дороже в цене, чем коллекторные двигатели.
- Техническое обслуживание более узкоспециализированное.
Несомненно бесколлекторные двигатели ориентированы на профессиональные работы с приличной нагрузкой. Несмотря на высокие показатели усовершенствованного типа двигателя, его единственный недостаток бьёт по кошельку. И перед тем, как приобретать инструмент на том или ином двигателе, прежде всего надо поставить перед собой вопрос: для каких целей он нужен. Уже исходя из ответа делать свой выбор.
Сколько людей — столько и мнений. Компания Greenworks старается делать качественную продукцию на разных типах двигателя, чтобы каждый мог подобрать себе инструмент по предпочтениям, функционалу и необходимой мощности под конкретные задачи, которые у каждого клиента свои. Именно поэтому, например, в разделе «Ручной инструмент» Вы можете наблюдать один тип агрегата на коллекторном и бесколлекторном двигателях. Какой лучше? Выбор за Вами!
Другие записи
Рассказываем о том, как выбрать аккумуляторную дрель-шуруповерт Greenworks. Какие параметры первичны, а какие – вторичны?
Рассказываем об аккумуляторных фонарях из линейки Greenworks 24V, их особенностях и областях применения.
Рассказываем о том, в каких условиях нужно хранить аккумуляторы и аккумуляторный инструмент, какова оптимальная температура и чем опасны низкие температуры.
Бесколлекторный двигатель постоянного тока
Бесколлекторные двигатели постоянного тока (бдпт) являются разновидностью синхронных двигателей с постоянными магнитами, которые питаются от цепи постоянного тока через инвертор, управляемый контроллером с обратной связью. Контроллер подаёт на фазы двигателя напряжения и токи, необходимые для создания требуемого момента и работы с нужной скоростью. Такой контроллер заменяет щёточно-коллекторный узел, используемый в коллекторных двигателях постоянного тока. Бесколлекторные двигатели могут работать как с напряжениями на обмотках в форме чистой синусоиды, так и кусочно-ступенчатой формы (например, при блочной коммутации).
Появились бесколлекторные двигатели постоянного тока как попытка избавить коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами от их слабого места – щёточно-коллекторного узла. Этот узел, представляющий собой вращающийся электрический контакт, является слабым местом у коллекторных двигателей с точки зрения надёжности и в ряде случаев ограничивает их параметры.
Принцип работы и устройство бесколлекторного двигателя
Как и остальные двигатели, бесколлекторный двигатель состоит из двух основных частей – ротора (подвижная часть) и статора (неподвижная часть). Большинство бесколлекторных двигателей постоянно тока — трехфазные , поэтому на статоре располагается трёхфазная обмотка. Ротор несёт на себе постоянный магнит, который может иметь одну или несколько пар полюсов. Когда к обмотке статора приложена трёхфазная система напряжений, то обмотка создаёт вращающееся магнитное поле. Оно взаимодействует с постоянным магнитом на роторе и приводит его в движение. По мере того как ротор поворачивается, вектор его магнитного поля проворачивается по направлению к магнитному полю статора. Управляющая электроника отслеживает направление, которое имеет магнитное поле ротора и изменяет напряжения, приложенные к обмотке статора, таким образом чтобы магнитное поле, создаваемое обмотками статора, повернулось, опережая магнитное поле ротора. Для определения направления магнитного поля ротора используется датчик положения ротора, поскольку магнит, создающий это поле жёстко закреплён на роторе. Напряжения на обмотках бесколлекторного двигателя можно формировать различными способами: простое переключение обмоток через каждые 60° поворота ротора или формирование напряжений синусоидальной формы при помощи широтно-импульсной модуляции.
Варианты конструкции двигателя
 |
 |
 |
 |
 |
 |
Обмотка двигателя может иметь различную конструкцию. Обмотка классической конструкции наматывается на стальной сердечник. Другой вариант конструкции обмотки – это обмотка без стального сердечника. Проводники этой обмотки равномерно распределяются вдоль окружности статора. Характеристики обмотки получаются различными, что отражается и на характеристиках двигателя. Кроме того, обмотки могут быть выполнены на различное число фаз и с различным количеством пар полюсов.
Бесколлекторные двигатели также могут иметь конструкции, различающиеся по взаимному расположению ротора и статора. Наиболее распространена конструкция, когда ротор охватывается статором снаружи – двигатели с внутренним ротором. Но также возможна, и встречается на практике конструкция в которой ротор расположен снаружи статора – двигатели с внешним ротором. Третий вариант – статор расположен параллельно ротору и оба располагаются перпендикулярно оси вращения двигателя. Такие двигатели называют двигателями аксиальной конструкции.
Датчик положения, который измеряет угловое положение ротора двигателя — это важная часть приводной системы, построенной на бесколлекторном двигателе. Этот датчик может быть самым разным как по типу, так и по принципу действия. Традиционно используемый для этой цели тип датчиков – датчики Холла с логическим выходом, устанавливаемые на каждую фазу двигателя. Выходные сигналы этих датчиков позволяют определить положение ротора с точностью до 60° — достаточной реализации самых простых способов управления обмотками. Для реализации способов управления двигателем, предполагающих формирование на обмотках двигателя системы синусоидальных напряжений при помощи ШИМ необходим более точный датчик, например, энкодер. Инкрементные энкодеры, очень широко используемые в современном электроприводе, могут обеспечить достаточно информации о положении ротора только при использовании их вместе с датчиками Холла. Если бесколлекторный двигатель оснащён абсолютным датчиком положения – абсолютным энкодером или резольвером (СКВТ), то датчики Холла становятся не нужны, так как любой из этих датчиков обеспечивает полную информацию о положении ротора.
Можно управлять бесколлекторным двигателем, и не используя датчика положения ротора – бездатчиковая коммутация. В этом случае информация о положении ротора восстанавливается на основании показаний других датчиков, например, датчиков фазных токов двигателя или датчиков напряжения. Такой способ управления часто влечёт за собой ряд недостатков (ограниченный диапазон скоростей, высокая чувствительность к параметрам двигателя, специальная процедура старта), что ограничивает его распространение.
Преимущества и недостатки
Высокая надёжность вследствие отсутствия коллектора. Это основное отличие бесколлекторных двигателей от коллекторных. Щёточно-коллекторный узел, является подвижным электрическим контактом и сам по себе имеет невысокую надёжность и устойчивость к влиянию различных воздействий со стороны окружающей среды.
Отсутствие необходимости обслуживания коллекторного узла . Является особенно актуальным для двигателей среднего и крупного габарита. Для микроэлектродвигателей, проведение ремонта экономически оправдано далеко не во всех случаях, поэтому для них этот пункт не является актуальным.
Сложная схема управления. Прямое следствие переноса функции переключения токов обмотки во внешний коммутатор. Если в простейшем случае для управления коллекторным двигателем необходимо иметь только источник питания, то для бесколлекторного двигателя такой подход не работает – контроллер нужен даже для решения самых простых задач управления движением. Однако, когда речь идёт о решении для сложных случаев (например, задачи позиционирования), то контроллер становится необходим для всех типов двигателей.
Высокая скорость вращения. В коллекторных двигателях скорость перемещения щётки по коллектору ограничена, хотя и различна для различных конструкций этих двух деталей и различных используемых материалов. Предельная скорость перемещения щёток по коллектору сильно ограничивает скорость вращения коллекторных двигателей. Бесколлекторные двигатели не имеют такого ограничения, что позволяет выполнять их для работы на скоростях до нескольких сотен тысяч оборотов в минуту – цифра недостижимая для коллекторных двигателей.
Большая удельная мощность. Возможность достичь большой удельной мощности является следствием высокой скорости вращения, доступной для бесколлекторного двигателя.
Хороший отвод тепла от обмотки. Обмотка бесколлекторных двигателей неподвижно закреплена на статоре и есть возможность обеспечить хороший тепловой контакт её с корпусом, который передаёт тепло, выделяемое в двигателе, в окружающую среду. У коллекторного двигателя обмотка установлена на роторе, и её тепловой контакт с корпусом гораздо хуже, чем у бесколлекторного двигателя.
Больше проводов для подключения. Когда двигатель расположен близко от контроллера, то это конечно не повод для огорчения. Однако если условия окружающей среды, в которых работает двигатель очень сложны, то вынесение управляющей электроники на значительное расстояние (десятки и сотни метров) от двигателя является подчас единственным доступным вариантом для разработчиков системы. В таких условиях каждая дополнительная цепь для подключения двигателя, будет требовать дополнительных жил в кабеле, увеличивая его размеры и массу.
Уменьшение электромагнитных помех, исходящих от двигателя . Щёточно-коллекторный контакт создаёт при работе достаточно сильные помехи. Частота этих помех зависит от частоты вращения двигателя, что осложняет борьбу с ними. У бесколлекторного двигателя единственным источником помех является ШИМ силовых ключей, частота которого обычно постоянна.
Присутствие сложных электронных компонентов. Электронные компоненты (датчики Холла, например) более остальных составных частей двигателя уязвимы для действия жёстких условий со стороны внешней среды, будь то высокая температура, низкая температура или ионизирующие излучения. Коллекторные двигатели не содержат электроники и у них подобная уязвимость отсутствует.
Где применяются бесколлекторные двигатели
К настоящему времени бесколлекторные двигатели получили широкое распространение, как благодаря своей высокой надёжности, высокой удельной мощности и возможности работать на высокой скорости, так и из-за быстрого развития полупроводниковой техники, сделавшей доступными мощные и компактные контроллеры для управления этими двигателями.
Бесколлекторные двигатели широко применяются в тех системах где их характеристики дают им преимущество перед двигателями других типов. Например, там, где требуется скорость вращения несколько десятков тысяч оборотов в минуту. Если от изделия требуется большой срок службы, а ремонт невозможен или ограничен из-за особенностей эксплуатации изделия, то и тогда бесколлекторный двигатель будет хорошим выбором.
Шаг вперед… Поворот
Шаговый и бесколлекторный двигатели во многом похожи друг на друга. Рассмотрим их основные особенности, различия и попробуем определить, какой двигатель лучше.
В предыдущем материале – «Двигатели бывают разные», мы предельно кратко рассмотрели основные виды существующих низковольтных синхронных двигателей постоянного тока и сказали несколько слов о принципах их работы. При этом, мы намерено не углублялись в детальное рассмотрение особенностей устройства и принципов работы этих двигателей и, тем более, в сравнение различных типов двигателей с точки зрения их рабочих характеристик и особенностей эксплуатации. Это большая, отдельная и неоднозначная тема для разговора и часть этого вопроса мы попробуем рассмотреть далее.
Вопрос выбора того или иного типа двигателя для решения своей задачи становится причиной непроходящей головной боли для любого разработчика, столкнувшегося с приводными системами. Что выбрать? Дешевый и простой вариант? Мощный и гибкий, но сложный в управлении? Однозначного ответа на этот вопрос нет и, безусловно, не может быть – выбор конкретного типа двигателя и принципа организации системы управления движением теснейшим образом завязан на конкретную решаемую задачу – характер потребного движения, требования к управлению приводом и нагрузкой, допустимость прокладки кабельных соединений и пр. Список вопросов обширен.
Не претендуя ни на полноту, ни на всесторонность сравнения, мы сейчас попробуем разобраться в главном вопросе, терзающем разработчиков устройств разнообразных типов и назначений – так что же лучше – шаговый или бесколлекторный двигатель?
Как мы уже говорили ранее, шаговый и бесколлекторный двигатели во многом похожи друг на друга. Обе конструкции имеют статор, сформированный электрическими обмотками, генерирующими магнитное поле, и ротор, состоящий из постоянных магнитов, катушек с переменным магнитным сопротивлением или смеси первого и второго. В обоих случаях, для работы двигателя, необходимо решать проблему последовательного переключения питания обмоток статора для организации вращения ротора. В обоих случаях эта проблема решается схемотехническими и логическими ухищрениями, а не механическим устройством (щеточно-коллекторным блоком), как в коллекторных двигателях. Однако, на этом сходства двух типов двигателей заканчиваются и начинаются существенные различия.
Итак, давайте разбираться:
Шаговые двигатели
Начнем с того, какие бывают шаговые двигатели. Уже упоминалось, что по принципу организации ротора шаговые двигатели подразделяются на двигатели с ротором на постоянных магнитах (самый похожий на бесколлекторный двигатель тип), двигатели с ротором на катушках с переменным магнитным сопротивлением и гибридные двигатели – т.е. с ротором, объединяющим первый и второй тип.
Гибридные шаговые двигатели являются наиболее используемым типом этого вида приводов – считается, что гибридная конструкция ротора позволяет объединить наилучшие черты, как двигателей м переменным магнитным сопротивлением, так и двигателей с постоянными магнитами. В частности, гибридные шаговые двигатели позволяют развивать большие скорости работы и крутящие моменты (в сравнении с шаговыми двигателями других типов) и обеспечивать меньший размер единичного шага.
Принцип работы шагового двигателя
Принцип работы шагового двигателя предельно прост. Ротор шагового двигателя конструктивно устроен таким образом, что в нем присутствуют ярко выраженные зубцы магнитного поля. В сочетании с конструкцией статора, состоящего из отдельных пар электромагнитных катушек, как правило намотанных на профилированные сердечники, это, при переключении питания между парами обмоток, обеспечивает четкое перемещение ротора на строго определенный угловой шаг в направление переключения обмоток статора. Одно переключение – один четкий угловой шаг. Все просто.
Таким образом для управления шаговым двигателем нам, в норме, требуются только две командные цепи – «шаг» — цепь по которой передается последовательность импульсов включения обмоток и «направление» — определяющая в каком направлении (по часовой стрелке или против) переключаются пары обмоток и, соответственно, вращается ротор.
Количество шагов на оборот ротора зависит от конструкции двигателя. По сути, чем больше полюсов обмотки статора и магнитных зубцов ротора, тем больше шагов может сделать двигатель за полный оборот и, соответственно, тем меньше шаг. Однако, на практике, существуют фундаментальные ограничения, не позволяющие уменьшать шаг до бесконечности. На данный момент на рынке присутствуют, преимущественно, шаговые двигатели с единичным шагом в пределах от 1.8° до 7.5° — именно в этом диапазоне удается получать наиболее стабильные по качеству и повторяемости технических характеристик изделия.
Преимущества шаговых двигателей
Уже из этого небольшого обзора становятся понятны некоторые преимущества шаговых двигателей – в первую очередь это предсказуемость поведения и простота управления. Да, для шагового двигателя требуется модуль управления, традиционно называемый –драйвер, однако для управления самим драйвером достаточно всего двух командных сигналов – «шаг» и «направление». Кроме того, для определения текущего положения нагрузки, подключенной к ротору, требуется только элементарный счетчик шагов – при постоянстве длины шага (заданном конструкционно), угол поворота определяется тривиальной математической процедурой.
Более того, в общем случае, шаговые двигатели существенно дешевле других типов приводов.
Казалось бы, этот набор преимуществ определяет доминирование шаговых двигателей во всех отраслях промышленности. Тем не менее это не так. Более того, бесколлекторные и моментные двигатели успешно вытесняют шаговые двигатели даже в тех областях производства, где, традиционно, стоимость является одной из ключевых характеристик. Почему?
Недостатки шаговых двигателей
Начнем с того, что в бочке меда простоты и дешевизны шагового двигателя есть существенная ложка дегтя. И связана она, как ни странно, также с ключевой конструктивной особенностью шагового двигателя.
Несложно догадаться, что ярко выраженный зубцовый эффект шагового двигателя – основа его функционирования, приводит к абсолютной невозможности обеспечить плавное вращение ротора шагового двигателя и, соответственно, его нагрузки. Все вращение шагового двигателя – это последовательность единичных шагов, совершаемая с некоторой скоростью. Каждый шаг, это так или иначе, четко различимый рывок ротора, связанный с переключением магнитного зубца ротора из одного квазистабильного состояния, созданного обмотками статора, в другое.
Да, существует режимы микрошагов и разнообразные ухищрения, позволяющие сгладить ход ротора шагового двигателя. Однако, во-первых, исправить ситуацию полностью невозможно (из-за самих конструктивных особенностей), а во-вторых, подобные ухищрения требуют применения уже гораздо более сложной и дорогой электроники управления…
Кроме того, принцип работы шагового двигателя приводит к ряду не вполне очевидных, но, в некоторых случаях, крайне существенных эффектов.
Первое и самое явное ограничение – шаговый двигатель сложно заставить повернуться на угол, меньше единичного шага. Существуют драйверы и конструкции двигателей, позволяющие, при необходимости, выполнять поворот на пол шага, однако ротор, замороженный в таком состоянии нестабилен и испытывает непрерывную флуктуацию вокруг своего положения. Для шагового двигателя, положение в пол шага является даже не квазистабильным (как при повороте на шаг), а просто неустойчивым.
Из-за, описанных выше, особенностей работы шаговый двигатель производит ощутимую вибрацию, что в ряде случаев может приводить к попаданию в резонансные частоты монтажной конструкции. Также вибрация может передаваться на элементы нагрузки, что пагубно сказывается на точности и конструктивной жесткости, особенно в случае приводов линейного перемещения. Эта особенность существенно ограничивает, например, предельные размеры рабочей зоны промышленного оборудования (обрабатывающих комплексов и других станков, требующих позиционирования).
Более того, из-за специфики переключений и зубцового эффекта, шаговый двигатель генерирует при работе значительные электромагнитные помехи, что делает его применение в ряде областей, крайне нежелательным. Простой пример – шаговый двигатель в регулируемой опоре медицинской кровати… Пищат, приборы, бегут врачи, аврал и паника… А ничего страшного – просто пациент устал лежать и решил приподнять спинку кровати. Двигатель в опоре создал помеху на монитор кардиоритма… Ну и понеслось…
Думаете – утрирую? Ну, возможно… немного.
Есть у шаговых двигателей и другие недостатки, связанные с техническими характеристиками. В общем случае, соотношение габарит/производительность или вес/производительность, при сравнении разных типов двигателей, оказываются не в пользу шаговых.
Итак, шаговые двигатели не идеальны. А для ряда отраслей и вовсе не желательны. Есть ли альтернатива?
Бесколлекторные двигатели
Как несложно догадаться из преамбулы этой статьи, наиболее употребимой альтернативой шаговым двигателям являются различные модификации бесколлекторных двигателей на постоянных магнитах.
В чем же разница между принципами работы и конструкцией шагового двигателя, и конструкцией и принципом работы бесколлекторного двигателя?
Принцип работы бесколлекторного двигателя
На первый взгляд, и мы это уже упоминали, все очень похоже. Бесколлекторный двигатель состоит из статора, сформированного электромагнитной обмоткой сложной конструкции – полой (наиболее прогрессивное решение) или намотанной на сердечник (сердечники) и ротора, собранного из блока мощных постоянных магнитов. Для управления приводом так же требуется электронное устройство, в случае бесколлекторного двигателя, обычно называемое – контроллер. Контроллер переключает фазы обмотки статора, формируя непрерывную гладкую волну электромагнитного поля, магнитные полюса ротора следуют за фронтом волны в сторону ее движения. Все просто, но, как говориться – есть нюанс.
В бесколлекторном двигателе, особенно с полой обмоткой, отсутствует конструктивный зубцовый эффект. Более того, зубцовый эффект для бесколлекторного двигателя, считается паразитным явлением и всячески, конструктивно, минимизируется. Но в этом случае возникает вопрос – каким образом контроллер должен переключать фазы обмотки так, чтобы момент переключения происходил в оптимальный момент, при переходе полюсов магнитов ротора из области действия одной фазы обмотки в другую? Как предоставить контроллеру информацию о текущем положении полюсов магнита ротора и фронта электромагнитной волны в обмотке?
Для этого, в конструкцию бесколлекторного двигателя включена печатная плата, с размещенными на ней датчиками Холла. Как правило, датчиков три и размещены они, соответственно, под углом в 120° друг к другу.
Сигнал, поступающий на контроллер с этих трех датчиков, в сочетании с предварительно указанным контроллеру количеством пар полюсов магнитов ротора двигателя, позволяет однозначно определить положение ротора двигателя в любой момент времени и предельно своевременно обеспечивать переключение фаз обмотки. Таким образом обеспечивается плавное непрерывное вращение двигателя на любых скоростях (от минимальных до максимальных рабочих).
Также, естественно при условии качественного изготовления двигателя, балансировка обмотки и надежные опорные подшипники ротора исключают возникновение вибрации двигателя и ее распространение по нагрузке и элементам конструкции. Отсутствие квазистабильных состояний и плавное движение фронта электромагнитной волны по обмотке обеспечивают предельно низкий уровень, производимой двигателем, электромагнитной помехи. Как правило весь «объем» помехи эффективно гасится конструктивными элементами двигателя и не выходит за пределы его корпуса – такие двигатели могут безопасно использоваться в непосредственной близости от чувствительного оборудования – медицинского, лабораторного, промышленного. Аналогичное утверждение относится и к контроллерам бесколлекторных двигателей – как правило, эти устройства соответствуют самым строгим требованиям современных стандартов по электробезопасности, в том числе и по электромагнитной совместимости.
Особенности бесколлекторных двигателей
Из уже описанного видно – управлять бесколлекторным двигателем существенно сложнее чем шаговым. Такие двигатели требуют значительно более совершенной и, следовательно, дорогой электронной оснастки. Однако, как это часто бывает – эта палка тоже о двух концах. Контроллеры бесколлекторных двигателей – это гибкие многофункциональные устройства, оснащенные поддержкой разнообразных датчиков (сверх датчиков Холла), оснащенные ассортиментом цифровых и аналоговых входов/выходов, позволяющих организовать различные схемы управления, обеспечить простой, удобный и интуитивно понятный интерфейс взаимодействия, интегрировать привод в более сложную глобальную систему контроля.
Контроллеры бесколлекторных двигателей, в зависимости от своего назначения и сложности, реализуют два или три вложенных контура управления. Контур тока – обеспечивает точное управление и контроль уровней тока в обмотках двигателя для обеспечения оптимальной величины крутящего момента и предельного снижения токовых потерь в обмотке. Контур скорости – с помощью сигналов датчиков Холла и энкодера (если он присутствует в системе) обеспечивает тонкое управление напряжением на фазах обмотки для поддержания плавности вращения, сглаживания флуктуаций скорости, возникающих из-за эффектов нагрузки, и реализацию различных профилей разгона, торможения и поддержания скорости на траектории движения. Контур положения – при наличии одного или более энкодеров обеспечивает расчёт и исполнение траектории движения, контроль выхода нагрузки в заданное положение, отслеживание положения нагрузки вне фаз движения (перемещение нагрузки под действием внешней силы).
Итак, бесколлекторные двигатели сложнее и дороже шаговых сами по себе и, кроме того, требуют использования более сложной электроники управления. В чем же преимущества их использования?
Преимущества бесколлекторного двигателя
О чем-то мы уже сказали – плавность вращения, возможность работы на малых скоростях, отсутствие ограничений по величине угла поворота, удобство контроля и интеграции в сети управления верхнего уровня. Кроме того, бесколлекторные двигатели, как правило, компактнее и легче (при сравнимой или лучшей производительности), они обладают значительно лучшей динамикой движения и соотношением момент/скорость. При сравнимой производительности потребляют меньшие рабочие токи, имеют существенно лучший КПД и меньшие уровни токовых потерь, в большей степени соответствуют требованиям электромагнитной совместимости.
Какой двигатель выбрать — бесколлекторный или шаговый
Главный вопрос – что же лучше – бесколлекторный или шаговый двигатель? Даже основываясь на всем сказанном – однозначного ответа нет. Ключевым встречным вопросом будет – а что Вы хотели бы получить от двигателя?
Вам нужно предельно простом способом открывать и закрывать створку ворот, размер и вес двигателя особого значения не имеет – в таком раскладе дешевый шаговый двигатель вполне осмысленное решение. Хотя даже тут стоит заметить – крупный производитель лифтового оборудования, компания «Отис», некоторое время назад полностью отказалась от использования шаговых двигателей в приводах открывания дверей и заменила их на бесколлекторные. Комментарий менеджмента был примерно следующий – «повышенная стоимость новых приводов полностью компенсируется кратным снижением расходов на текущее обслуживание, ремонт и замену» (не является цитатой).
Открываем вентиляционный люк или люк дымоудалительной системы. Ну, тут просто – если нашелся подходящий по габаритам шаговый двигатель – решение нормальное. Главное следить за исправностью, чтобы в час «Ч» все работало.
Двигаем части медицинской кровати или операционного/процедурного стола – при всем уважении, от шагового двигателя лучше отказаться. Во избежание.
Проектируем промышленную систему с несколькими подвижными осями и точным позиционированием. На вкус и цвет… Но сложность системы управления для любого из типов двигателей будет существенной, а гибкость самих бесколлекторных приводов и их контроллеров обеспечит значительный прирост производительности и эргономичности.
В общем и целом, шаговые двигатели постепенно проигрывают соперничество со старшими бесколлекторными собратьями. Нет, мы не ждем, что шаговый двигатель сойдет со сцены в ближайшее время и канет в пучину истории – ниша для этого неплохого, хоть и специфического типа приводов, найдется. Однако, потребность рынка в большей гибкости, эффективности и адаптивности решений однозначно склоняет чашу весов в сторону более современных бесколлекторных двигателей. А последние тенденции развития рынка выводят на первый план их отдельный подтип – моментные двигатели, о специфике и отличиях которых мы поговорим в каком-нибудь отдельном материале.