Бесконтактный двигатель что это
Что такое бесколлекторный двигатель постоянного тока и его принцип работы
Бытовая и медицинская техника, авиамоделирование, трубозапорные приводы газо- и нефтепроводов – это далеко не полный перечень областей применения бесколлекторных двигателей (БД) постоянного тока. Давайте рассмотрим устройство и принцип действия этих электромеханических приводов, чтобы лучше понять их достоинства и недостатки.
Общие сведения, устройство, сфера применения
Одна из причин проявления интереса к БД — это возросшая потребность в высокооборотных микродвигателях, обладающих точным позиционированием. Внутренне устройство таких приводов продемонстрировано на рисунке 2.
Рис. 2. Устройство бесколлекторного двигателя
Как видите, конструкция представляет собой ротор (якорь) и статор, на первом имеется постоянный магнит (или несколько магнитов, расположенных в определенном порядке), а второй оборудован катушками (В) для создания магнитного поля.
Примечательно, что эти электромагнитные механизмы могут быть как с внутренним якорем (именно такой тип конструкции можно увидеть на рисунке 2), так и внешним (см. рис. 3).
Рис. 3. Конструкция с внешним якорем (outrunner)
Соответственно, каждая из конструкций имеет определенную сферу применения. Устройства с внутренним якорем обладают высокой скоростью вращения, поэтому используются в системах охлаждения, в качестве силовых установок дронов и т.д. Приводы с внешним ротором используются там, где требуется точное позиционирование и устойчивость к перегрузкам по моменту (робототехника, медицинское оборудование, станки ЧПУ и т.д.).
Бесколлекторный двигатель в компьютерном дисководе
Принцип работы
В отличие от других приводов, например, асинхронной машины переменного тока, для работы БД необходим специальный контроллер, который включает обмотки таким образом, чтобы векторы магнитных полей якоря и статора были ортогональны друг к другу. То есть, по сути, устройство-драйвер регулирует вращающий момент, действующий на якорь БД. Наглядно этот процесс продемонстрирован на рисунке 4.
Как видим, для каждого перемещения якоря необходимо выполнять определенную коммутацию в обмотке статора двигателя бесколлекторного типа. Такой принцип работы не позволяет плавно управлять вращением, но дает возможность быстро набрать обороты.
Отличия коллекторного и бесколлекторного двигателя
Привод коллекторного типа отличается от БД как конструктивными особенностями (см. рис 5.), так и принципом работы.
Рис. 5. А – коллекторный двигатель, В – бесколлекторный
Рассмотрим конструктивные отличия. Из рисунка 5 видно, что ротор (1 на рис. 5) двигателя коллекторного типа, в отличие от бесколлекторного, имеет катушки, у которых простая схема намотки, а постоянные магниты (как правило, два) установлены на статоре (2 на рис. 5). Помимо этого на валу установлен коллектор, к которому подключаются щетки, подающие напряжение на обмотки якоря.
Кратко расскажем о принципе работы коллекторных машин. Когда на одну из катушек подается напряжение, происходит ее возбуждение, и образуется магнитное поле. Оно вступает во взаимодействие с постоянными магнитами, это заставляет проворачиваться якорь и размещенный на нем коллектор. В результате питание подается на другую обмотку и цикл повторяется.
Частота вращения якоря такой конструкции напрямую зависит от интенсивности магнитного поля, которое, в свою очередь, прямо пропорционально напряжению. То есть, чтобы увеличить или уменьшить обороты, достаточно повысить или снизить уровень питания. А для реверса необходимо переключить полярность. Такой способ управления не требует специального контролера, поскольку регулятор хода можно сделать на базе переменного резистора, а обычный переключатель будет работать как инвертор.
Конструктивные особенности двигателей бесколлекторного типа мы рассматривали в предыдущем разделе. Как вы помните, их подключение требует наличия специального контролера, без которого они просто не будут работать. По этой же причине эти двигатели не могут использоваться как генератор.
Стоит также отметить, что в некоторых приводах данного типа для более эффективного управления отслеживаются положения ротора при помощи датчиков Холла. Это существенно улучшает характеристики бесколлекторных двигателей, но приводит к удорожанию и так недешевой конструкции.
Как запустить бесколлекторный двигатель?
Чтобы заставить работать приводы данного типа, потребуется специальный контроллер (см. рис. 6). Без него запуск невозможен.
Рис. 6. Контроллеры бесколлекторных двигателей для моделизма
Собирать самому такое устройство нет смысла, дешевле и надежней будет приобрести готовый. Подобрать его можно по следующим характеристикам, свойственным драйверам шим каналов:
Обратим внимание, что первые три характеристики определяют мощность БД.
Управление бесколлекторным двигателем
Как уже указывалось выше, управление коммутацией обмоток привода осуществляется электроникой. Чтобы определить, когда производить переключения, драйвер отслеживает положение якоря при помощи датчиков Холла. Если привод не снабжен такими детекторами, то в расчет берется обратная ЭДС, которая возникает в неподключенных катушках статора. Контроллер, который, по сути, является аппаратно-программным комплексом, отслеживает эти изменения и задает порядок коммутации.
Трёхфазный бесколлекторный электродвигатель постоянного тока
Большинство БД выполняются в трехфазном исполнении. Для управления таким приводом в контролере имеется преобразователь постоянного напряжения в трехфазное импульсное (см. рис.7).
Чтобы объяснить, как работает такой вентильный двигатель, следует вместе с рисунком 7 рассматривать рисунок 4, где поочередно изображены все этапы работы привода. Распишем их:
В кажущейся простоте управления есть масса сложностей. Нужно не только отслеживать положение якоря, чтобы произвести следующую серию импульсов, а и управлять частотой вращения, регулируя ток в катушках. Помимо этого следует выбрать наиболее оптимальные параметры для разгона и торможения. Стоит также не забывать, что контроллер должен быть оснащен блоком, позволяющим управлять его работой. Внешний вид такого многофункционального устройства можно увидеть на рисунке 8.
Рис. 8. Многофункциональный контроллер управления бесколлекторным двигателем
Преимущества и недостатки
Электрический бесколлекторный двигатель имеет много достоинств, а именно:
Теперь рассмотрим минусы. Существенный недостаток, который ограничивает использование БД – их относительно высокая стоимость (с учетом цены драйвера). К числу неудобств следует отнести невозможность использования БД без драйвера, даже для краткосрочного включения, например, чтобы проверить работоспособность. Проблемный ремонт, особенно если требуется перемотка.
Бесконтактные двигатели постоянного тока.
Бесконтактные двигатели постоянного тока, обладая всеми положительными свойствами обычных двигателей постоянного тока, лишены их основного недостатка – щеточно-коллекторного узла, существенно снижающего их надежность.
В бесконтактном двигателе применяют машину обращенной конструкции, в которой якорь с обмотками неподвижен, а полюсы вращаются. В этом случае щеточно-коллекторный узел можно заменить статическим полупроводниковым коммутатором, который управляется датчиком положения. В коллекторном двигателе датчиком положения (определяющим момент коммутации секции якоря) является сама коллекторная пластина, 
подходящая под соответствующую щетку в момент прохождения секцией нейтральной зоны (зоны коммутации).
Статический коммутатор, получая сигналы управления с датчика положения ротора обеспечивает при вращении ротора такое же изменение токов в обмотке якоря, как и щетки с коллектором.
Бесконтактные двигатели постоянного тока состоят из трех элементов: бесконтактного двигателя с m-фазной обмоткой статора
и ротором в виде постоянного магнита; датчика положения ротора для выработки сигналов управления полупроводниковыми ключами;
бесконтактного коммутатора, осуществляющего по сигналам датчика положения коммутацию токов в обмотках статора двигателя.
На рис. 10.4 представлена модель двигателя. В качестве датчика 1 положения ротора 2 двигателя 3 использованы оптические датчики (фототранзисторы). Три фототранзистора РТ1, РТ2 и РТ3, расположенные с интервалом 120 0 на периферии платы, последовательно освещаются с помощью вращающегося затвора, установленного на валу двигателя. При расположении южного полюса магнита напротив неподвижного полюса Р2 статора освещен фототранзистор РT 1, который открывает транзистор VT1 коммутатора 4. На неподвижном полюсе Р1 статора создается южный полюс за счет протекания тока по обмотке W1, который притягивает северный полюс ротора, заставляя ротор поворачиваться против часовой стрелки. При повороте ротора его северный полюс оказывается напротив неподвижного полюса Р1. Затвор, установленный на валу ротора, затемняет фототранзистор РТ1и освещает фототранзистор РТ2, последний включает транзистор VT2. Протекающий по обмотке W2 ток создает южный полюс на неподвижном полюсе Р2, тогда северный полюс ротора повернется по стрелке и расположится напротив неподвижного полюса Р2. В этот момент затвор затемняет фототранзистор РТ2 и освещает РТ3, что обесточивает обмотку W2 и включает обмотку W3. При этом неподвижный полюс Р2 размагничивается, а неподвижный полюс Р3 намагничивается и становится южным полюсом. Следовательно, северный полюс ротора продолжит свое вращение от Р2 к Р3. Ротор будет непрерывно вращаться, если переключения транзисторов повторяются в той же последовательности.
Для реверсирования бесконтактного двигателя необходимы схемотехнические решения заключающиеся в изменении последовательности переключения транзисторов.
Более совершенной схемой управления бесконтактным двигателем является мостовая схема, в которой на каждую фазу обмотки статора приходится по два транзистора и благодаря этому одновременно работают две фазы статора. Эта схема требует большего числа транзисторов и датчиков положения.
Регулирование частоты вращения двигателя в широких пределах возможно изменением питающего напряжения, что при транзисторном коммутаторе реализуется также просто.
При увеличении числа ключей в коммутаторе до количества
коллекторных пластин двигателя постоянного тока свойства бесконтактного двигателя такие же, как и коллекторного двигателя. При этом исключается из схемы ненадежный щеточно-коллекторный узел.
В бесконтактных двигателях большой мощности вместо постоянного магнита на роторе применяют обмотку возбуждения.
В качестве датчиков положения кроме рассмотренных фототранзисторов применяют электромагнитные датчики и элементы Холла.
При увеличении числа ключей в коммутаторе до количества
коллекторных пластин двигателя постоянного тока свойства бесконтактного двигателя такие же, как и коллекторного двигателя. При этом исключается из схемы ненадежный щеточно-коллекторный узел.
В бесконтактных двигателях большой мощности вместо постоянного магнита на роторе применяют обмотку возбуждения.
В качестве датчиков положения кроме рассмотренных фототранзисторов применяют электромагнитные датчики и элементы Холла.
Появление отечественных бесконтактных моментных двигателей
Александр Микеров,
д. т. н., проф. каф.
систем автоматического управления
СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
Бесконтактные моментные двигатели, занимающие сейчас существенный сектор рынка электродвигателей малой мощности, появились после Второй мировой войны, главным образом в связи с развитием ракетно-космической техники. Видимые отличия таких электродвигателей — это отсутствие корпуса, вала и подшипников, поскольку они предназначены для встраивания в объект управления без редуктора. Электропривод с моментным двигателем сейчас называется прямым приводом (direct drive). Типичный привод такого типа, использующийся для стабилизации платформы (1) на борту летательного аппарата (рис. 1), содержит: моментный двигатель (2), датчики положения ротора (3) и платформы (4). Кроме того, привод имеет большое центральное отверстие (5) для волноводов и кабелей и снабжен теплоотводом (6) с датчиком перегрева (7) [1].
Рис. 1. Прямой привод
Название «прямой привод» пошло от построенной в 1842 г. англичанином Робертом Дэвидсоном (Robert Davidson) железнодорожной повозки, колеса которой насаживались прямо на валы двигателей без редуктора, что породило также популярный в отечественной литературе термин «безредукторный привод» [2].
Однако редуктор — это не только дорогостоящий и шумный узел, но еще и коварный враг точности управляемого электропривода из-за наличия зазоров (люфтов) и упругих деформаций. Неудивительно, что моментные двигатели прежде всего нашли применение в гироскопах, оптических приборах и антеннах. Однако они проектировались вместе с самим прибором, что определяло их уникальность. В 1948 г. американская компания Inland Motors вышла на рынок с первыми серийными встраиваемыми (бескорпусными) двигателями с моментом до 4000 Нм (рис. 2).
Рис. 2. Встраиваемый моментный двигатель
Данные двигатели включали три узла: статор с постоянными магнитами (1), ротор с обмоткой (2) и щеточно-коллекторный узел (3) [3]. Таким образом, это были коллекторные двигатели, что, конечно, практически аннулировало достоинства прямого привода.
В СССР исследования моментных двигателей проводились в Казанском авиационном институте под руководством профессора Льва Израилевича Столова. Создавались эти двигатели также в основном в составе навигационной аппаратуры ряда предприятий, таких как ЦНИИ «Электроприбор» и НИИКП (Ленинград), НИИП (Москва) и др. [1, 4]. При этом щеточно-коллекторный узел часто не требовался, поскольку двигатели имели ограниченный угол поворота. Вопрос о необходимости создания серийных бесконтактных моментных двигателей был поднят в ЦНИИАГ (Москва), разрабатывавшем рулевые приводы первых советских ракет главного конструктора Сергея Павловича Королева Р1–Р7 [5]. В этих приводах первоначально использовались обычные коллекторные двигатели постоянного тока с редуктором. В ракетах, срок службы которых не превышал десятков часов, такие двигатели удовлетворительно работали даже в условиях космоса. Однако в 1960-х гг., в связи с созданием спутников и космических летательных аппаратов, требования к долговечности приводов возросли сначала до сотен, а затем тысяч часов и даже нескольких лет. Исследования в институтах Академии наук показали, что в условиях космоса механическая смазка всех трущихся пар испарялась, что вызывало быстрый износ и отказ щеточно-коллекторных узлов, подшипников и даже шестеренок. На первых порах пытались использовать герметичную конструкцию электродвигателей, однако и это не позволило поднять срок службы до более чем сотен часов. Назревал вопрос о создании бесконтактных двигателей постоянного тока (БДПТ). Один из первых таких двигателей, разработанный Ильей Абрамовичем Вевюрко во ВНИИЭМ (Москва), имел постоянные магниты на роторе и обмотку на статоре, переключение тока в которой производилось элементами Холла [5]. Однако эти двигатели имели обычную корпусную конструкцию и скорость в тысячи об/мин.
Создание бесконтактных моментных двигателей для ракетно-космических аппаратов началось в середине 1960-х годов в ЦНИИАГ. Сотрудники этого предприятия — Владимир Николаевич Бродовский, Цецилия Львовна Садовская и др. — разработали синхронные моментные двигатели типа ДМВ (двигатель моментный встраиваемый) на основе обычных магнитов Альнико (алюминий-никель-кобальт) [4, 6]. В качестве серийного производства был задействован московский завод «Машиноаппарат» под руководством главного конструктора бортового электрооборудования Георгия Федоровича Каткова, а с 1984 г. Валерия Константиновича Корунова [7].
Рис. 3. Марк Моисеевич Минкин
Завод «Машиноаппарат» был создан в 1942 г. для производства мин замедленного действия и другой военной электротехники. Однако после войны его основной продукцией стало электрооборудование ракетно-космических систем, среди которого наиболее известны: двигатель Д-126 для колес «Лунохода-1», электроприводы бурильных установок на Венере и Марсе, электромагнитные тормоза стыковочных узлов международных космических станций и др. Работы по созданию моментных двигателей начались с конца 1970-х гг. в СКБ этого предприятия под руководством Марка Моисеевича Минкина (рис. 3).
Минкин родился 11 июня 1919 г. в Могилеве, откуда вместе с семьей в следующем году переехал в Москву. В 1937 г. окончил среднюю школу и поступил в МЭИ, вместе с которым в начале войны был эвакуирован в Свердловск и вернулся в Москву только в 1942 г. В 1943 г. окончил МЭИ и работал инженером и научным сотрудником сначала в НИИМЭП, где обучался также в аспирантуре, затем на заводе «Деталь». В 1953 г. Минкин был переведен на завод «Машиноаппарат», где в 1964 г. назначен начальником СКБ, проводившего все значимые разработки предприятия. За создание шаговых двигателей был удостоен звания лауреата Государственной премии СССР (бывшей Сталинской).
Первая проблема, с которой столкнулся завод при запуске производства моментных двигателей, — это отсутствие опыта в данной сфере, поскольку все его электродвигатели были быстроходными, коллекторными, срок службы которых, например, для ракет мог составлять (с учетом приемо-сдаточных испытаний) 48 ч. Одним из таких двигателей был Д-126 «Лунохода-1» (1970 г.), соединенный с колесом многоступенчатым редуктором (рис. 4) [7].
Рис. 4. Электродвигатель «Лунохода-1»
Вторая проблема — чересчур широкие и порой противоречивые требования к моментному двигателю. Первоначально работа проводилась по одному ТЗ ЦНИИАГ, но затем этими двигателями заинтересовались в НИИ «Геофизика» для навигационных приборов ракетно-космических комплексов и на предприятиях Министерства радиотехнической промышленности: «Ленинец» (Ленинград), «Фазотрон» (Москва) для авиационных радиолокаторов и «Полет» (Челябинск) для посадочных комплексов, которые подготовили отдельные ТЗ. Предстояла большая работа по увязыванию всех требований этих заданий между собой для создания единого ряда электродвигателей, получивших название ДБМ (двигатель бесконтактный моментный).
Минкин и его коллеги Юрий Миронович Беленький, Валентина Михайловна Матвеева и др. провели в рамках эскизного проекта анализ и оптимизацию конструкций с целью выбора основных параметров машины, таких как: гладкий или пазовый статор, марка магнита, число пар полюсов, магнитная система ротора и т. д. Статор (1) такого электродвигателя (рис. 5) выполняется обычно из электротехнической стали с пазами (2), в которые укладывается распределенная обмотка, обеспечивающая наиболее совершенную гармоническую форму индукции в зазоре машины.
Рис. 5. Статор моментного двигателя
Однако при этом использование зубцов (3) приводит к залипанию и пульсациям момента по углу поворота ротора, что негативно сказывается на точности моментного электропривода. Радикальным методом борьбы с этой проблемой является беззубцовый (гладкий) статор, в котором обмотка закрепляется с помощью специальной смолы. Однако это существенно увеличивает воздушный зазор, а значит, снижает индукцию в нем и ухудшает массогабаритные характеристики машины. Поэтому моментные двигатели с самого начала пришлось проектировать в двух различных модификациях — с пазовым и гладким статором. Вопрос с выбором типа магнита был решен в пользу самых мощных по тем временам самарий-кобальтовых магнитов владимирского завода «Магнетон». Ранее применявшиеся более дешевые магниты Альнико, хотя и могли обеспечить заданные моменты, имели низкую коэрцитивную силу. Это создавало опасность их размагничивания при частом реверсе двигателя и требовало намагничивания в составе двигателя, что вызывало трудности его производства и хранения.
Основные параметры двигателей были установлены в результате решения многофакторной оптимизационной задачи. В частности, магнитная система ротора стала содержать тангенциально намагниченные магниты (1) (рис. 6а), что обеспечивало по сравнению с радиально намагниченными (2) (рис. 6б) более хорошую магнитную проводимость зазора (а следовательно, и бо́льшую индукцию в нем), поскольку проводимость самого магнита аналогична воздушному.
Рис. 6. Ротор моментного двигателя с магнитами, намагниченными:
а) тангенциально;
б) радиально
Трудным вопросом был выбор критерия оптимизации. При оптимизации исполнительных электродвигателей (серводвигателей) в качестве такого критерия чаще всего применяют динамическую добротность, равную максимальному развиваемому ускорению KД = MП / Jр, где MП — пусковой момент, Jр — момент инерции ротора. При этом двигатель получается «длинным», т. е. с большим отношением длины к диаметру, подобно Д-126 на рис. 4. Для прямого привода (рис. 1) этот критерий не имеет смысла, потому что присоединенный момент инерции объекта управления гораздо больше момента инерции самого ротора. Поэтому, ДБМ оптимизированы по максимуму статической добротности по моменту
где PП — мощность, потребляемая при пуске, m — масса двигателя (статор и ротор) [8].
В результате все двигатели получились «плоскими» (рис. 7).
Рис. 7. Пазовые двигатели серии ДБМ
Всего было создано семь видов пазовых двигателей (с диаметром 50–185 мм и моментом до 16 Нм) и шесть гладких с диаметром 40–170 мм и моментом до 6 Нм [1, 4, 7].
Необычное новшество, называемое интенсивным использованием, родилось на Госкомиссии по приемке ДБМ, проходившей в 1984 г. под председательством представителя ЦНИИ22 МО Виталия Михайловича Суслова — большого энтузиаста в сфере моментных двигателей. При этом, в отличие от традиционного номинального использования в технических условиях, предлагалось нормировать не предельные значения параметров (моментов, скоростей, форм тока и т. д.) в заданных режимах работы, а только допустимые значения разрушающих факторов — в данном случае температуры (+150 °С) и тока обмотки [3, 6]. В результате ДБМ на напряжение 27 В могут долгое время работать с любой формой фазных токов при напряжении до 80 В в режимах вентильного, синхронного и шагового вращения и всех вариантах включения секций обмотки. Для двухфазных двигателей таких вариантов может быть пять, а для трехфазных — восемнадцать [7]. Правда, при этом проектирование теплоотвода возлагается на потребителя, но это не является очень сложной задачей, поскольку в ДБМ все тепло выделяется в статоре.
Рис. 8. ДБМ40 с ПИМ
Одновременно с двигателями создавались датчики положения ротора. Первым среди них был индуктивный датчик ПИМ (преобразователь индуктивный магнитный), разработанный на заводе «Машиноаппарат» Николаем Николаевичем Мрочковским и Геннадием Иосифовичевым Алексеевым [9]. Такой датчик (1) вставляется в статор двигателя (2) и использует торцевые потоки рассеяния магнитов ротора (3), которые периодически насыщают катушки индуктивности, обеспечивая дискретную коммутацию трехфазного двигателя (рис. 8). Работа этого датчика аналогична датчикам Холла в БДПТ Вевюрко, но применение датчиков Холла в космических условиях и при действии электромагнитного импульса нежелательно.
Из всего ряда ДБМ двигатель ДБМ40 в начале 1980-х гг. был принят первым — Госкомиссией, в которой довелось участвовать автору данной статьи. Всех тогда поразили чистота и порядок в испытательных помещениях завода «Машиноаппарат», где не разрешалась пайка, а запыленность участка ежедневно проверялась военпредами подсчетом пылинок в специальных «мыльницах».
Параллельно по заданию «Ленинца» в ленинградском ВНИИМЭМ Виктор Николаевич Куликов и Людмила Михайловна Епифанова разработали ряд встраиваемых вращающихся трансформаторов (ВТ, редуктосинов) с диаметром 40–120 мм [4, 9]. Первые Госкомиссии по приемке двигателей ДБМ120–ДБМ185 и датчика ВТ120 прошли в 1984 г., после чего сразу началось их серийное производство на заводах «Машиноаппарат» и «Заря» (Ленинград).
Рис. 9. Узлы БМП
Один из первых бесконтактных моментных приводов (БМП) для точных бортовых систем управления с непрерывным вращающимся магнитным полем в двигателе был разработан на «Ленинце» Георгием Сергеевичем Зеленковым, Юрием Павловичем Лукиным и автором данной статьи. Узлы данного БМП показаны на рис. 9, где 1 — статор, 2 — ротор ДБМ120, 3 — редуктосин ВТ40, 4 — транзисторный преобразователь.
Марк Моисеевич Минкин скончался на своем посту 18 марта 1985 г. Через 25 лет Людмила Михайловна Епифанова — основатель и главный конструктор компании «ЭЛМА-Ко» в Санкт-Петербурге — пересмотрела основные концепции ДБМ и предложила перейти от распределенной обмотки статора к сосредоточенной катушечной, а также заменить магниты ротора с тангенциально на радиально намагниченные [6].
В результате был создан новый ряд ДБМВ (двигатель бесконтактный высокомоментный), отличающийся повышенным коэффициентом статической добротности по моменту, меньшей электромеханической постоянной времени и бо́льшим внутренним диаметром ротора. Серийное производство двигателей освоено на заводе «ЛЕПСЕ» в г. Киров.
Автор выражает благодарность генеральному директору Валерию Константиновичу Корунову и секретарю завода «Машиноаппарат» Елене Николаевне Тороповой за ценные материалы биографии Марка Моисеевича Минкина.