Бесщеточный электродвигатель постоянного тока

Бесщеточный электродвигатель постоянного тока избавился от щеток и коммутатора, которые раньше были недостатком электродвигателя постоянного тока. Особенности бесщеточных электродвигателей постоянного тока следующие:

<1> Тип с постоянным магнитом: Постоянный магнит поля (со стороны статора) и обмотка якоря (со стороны ротора) в электродвигателе постоянного тока с постоянным магнитом заменены друг на друга, так что постоянный магнит находится на стороне ротора, а обмотка якоря — на стороне статора.

<2> Вместо переключения питания с помощью щетки, которая работает при изменении положения коммутатора, используются элементы Холла для обнаружения сигнала о положении ротора и передачи данных обратно в инвертор для управления подачей питания.

Это бесщеточный электродвигатель постоянного тока. На Рис. 1.7 показана конфигурация системы бесщеточного электродвигателя постоянного тока.

Поскольку напряжение, подаваемое от преобразователя, является переменным током, существует мнение, что этот электродвигатель относится к электродвигателям переменного тока, как синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, приводимый в движение переменным током. Однако в этом тексте бесщеточный электродвигатель постоянного тока будет рассматриваться как бесщеточный электродвигатель постоянного тока с независимым полем.

Поскольку принцип вращения этого электродвигателя аналогичен принципу вращения электродвигателя постоянного тока, зависимость между силой вращения (крутящим моментом) и скоростью практически идентична зависимости для электродвигателя постоянного тока.

Унаследовав от электродвигателя постоянного тока превосходную управляемость, а также бесщеточность по сравнению с электродвигателем постоянного тока, этот электродвигатель обладает целым рядом характеристик, включая преимущества в области электромагнитного шума и срока службы, высокую эффективность и энергосберегающую способность, большое разнообразие дизайнов и простоту встраивания в оборудование и т.д. Благодаря полному использованию этих преимуществ бесщеточный электродвигатель постоянного тока широко применяется в жестких дисках (HDD), приводах CD-ROM и другом информационно-процессорном оборудовании, холодильниках, стиральных машинах и другой бытовой технике.

На раннем этапе развития бесщеточных двигателей постоянного тока для обмотки статора использовалась распределенная обмотка. Сегодня чаще всего используется сосреддоточенная обмотка. О распределенной и сосредоточенной обмотках читайте в разделе «Распределенная и сосредоточенная обмотка».

Этот электродвигатель также классифицируется на следующие типы в соответствии с различиями в методе установки постоянных магнитов на ротор:

(1) SPM (поверхностный постоянный магнит)

(2) IPM (внутренний постоянный магнит)

Поверхностный постоянный магнит: У типа SPM постоянные магниты прикреплены к окружности ротора (см. Рис. 1.8).

Внутренний постоянный магнит: На Рис. 1.8 (Справа) показана структура поперечного сечения двигателя типа IPM. Для типа IPM применяются различные методы встраивания постоянных магнитов. Цель конструкции IPM — снизить риск отрыва магнита под действием центробежной силы и использовать преимущества момента сопротивления (см. последующий раздел о электродвигателе с коммутируемым магнитным полем).

Другой метод классификации основан на том, использует ли двигатель датчик, такой как элемент Холла или вращающийся энкодер, для определения положения полюсов SPM или IPM, или же он обходится без такого определения (бездатчиковый привод).

Когда бесщеточный электродвигатель постоянного тока устанавливается в качестве исполнительного механизма, основной электродвигатель, приводной инвертор, схема управления и т. д. упаковываются очень компактно. Пример показан на Рис. 1.9.

Рис. 1.8 Пример поперечного сечения SPM (Слева) и IPM (Справа)

Тип IPM используется для того, чтобы предотвратить отрыв магнита под действием центробежной силы и использовать преимущества момента сопротивления.

Рис. 1.9 Бесщеточный электродвигатель (производство Nidec), встроенный в плату ноутбука

Толщина самого электродвигателя составляет 2 мм.

Преобразователь и инвертор

Устройство, преобразующее однофазный или трехфазный переменный ток в постоянный. Для его изготовления используется полупроводниковый прибор — диод, тиристор или транзистор.

Такое устройство называется коммутатором или преобразователем.

Большие двигатели постоянного тока мощностью, например, 30 кВт, обычно вращаются с помощью преобразователя, который также может использоваться для вращения небольшого двигателя постоянного тока.

На Рис. 1.10 показан случай, когда 24-щелевой статор имеет (а) четыре полюса и (б) восемь полюсов. Этот метод изменения числа полюсов путем переключения соединения катушек в настоящее время не используется из-за низкой производительности, обусловленной сложными методами работы.

Между тем, как показано на Рис. 1.11, в случае статора с шестью витками сосредоточенной обмотки он может быть преобразован в (а) двухполюсный, (б) четырехполюсный или (в) восьмиполюсный электродвигатель путем изменения соединения проводов, несмотря на меньшее число пазов.

Рис. 1.11 Шестивитковый статор с сосредоточенной обмоткой и количество полюсов

Несмотря на меньшее число пазов, его можно преобразовать в (a) двухполюсный, (b) четырехполюсный или (c) восьмиполюсный электродвигатель путем изменения соединения проводов.

На рисунке показан случай, когда ток подается только на две катушки в U-фазе. Хотя (b) и (c) имеют одинаковое соединение проводов, на рисунке показано, что это может быть четырех- или восьмиполюсный электродвигатель в зависимости от количества полюсов ротора. Однако переделать статор в шестиполюсный электродвигатель довольно сложно.

Электровигатель постоянного тока обладает рядом преимуществ, включая малые размеры и мощность, способность начинать вращение при простом подключении к источнику питания постоянного тока, простоту управления скоростью и позиционированием и т.д.

Однако использование щеток и коммутатора создает ряд недостатков, включая повышенный износ, электрический шум и т.д. В связи с этим необходим бесщеточный электродвигатель, обладающий преимуществами электродвигателя постоянного тока.

Что такое бесщеточный электродвигатель постоянного тока?

Бесщеточные электродвигатели постоянного тока отвечают этому требованию. Как показано на Рис. 2.22, ротор бесщеточного электродвигателя постоянного тока представляет собой ротор с постоянным магнитом, а статор – катушку.

Отличие от электродвигателя постоянного тока (где вращается катушка) заключается в части, которая вращается. Принцип вращения, выходные характеристики и другие основные характеристики у них практически одинаковы.

Поскольку катушка не вращается, щетки и коммутаторы не нужны. Однако необходимо разработать средство определения положения вращения ротора для переключения тока в катушке.

Для создания бесщеточного электродвигателя необходимо переключать ток методом, отличным от того, который используется в случае с механическими контактами. Следовательно, чтобы привести в действие бесщеточный электродвигатель постоянного тока, мы переключаем ток в катушке с помощью схемы привода, сконфигурированной с полупроводниковым устройством, вместо использования механических контактов.

Бесщеточный электродвигатель постоянного тока был разработан вместе с разработкой полупроводникового устройства, и он не может вращаться без специальной схемы привода.

Бесщеточный электродвигатель постоянного тока иногда называют бесщеточным электродвигателем.

Рис. 2.22 (a) Структура бесщеточных электродвигателей постоянного тока

Рис. 2.22(b) Пример бесщеточного электродвигателя постоянного тока

(1) Статор (слева) и ротор (справа) Метод сосредоточенной обмотки более популярен, чем метод распределенной обмотки. Постоянный магнит, используемый на поверхности ротора, изготовлен из неодима.

(2) Конструктивный пример бесщеточного электродвигателя постоянного тока.

В корпусе справа виден датчик определения положения.

Структура и применение бесщеточных электродвигателей постоянного тока

Электродвигатель с внутренним ротором

Существует бесщеточный электродвигатель постоянного тока, называемый электродвигателем с внутренним ротором, у которого магнит внутри выполняет роль ротора, а обмотка расположена снаружи в качестве статора.

Как показано на Рис. 2.23, эта структура обратна структуре обычных электродвигателей постоянного тока. По сравнению с электродвигателем постоянного тока этот тип электродвигателя имеет следующие особенности:

・Малый момент инерции вращающегося вала

・Возможность уменьшения размера основного блока

・Высокая эффективность рассеивания тепла.

Однако для получения высокой плотности магнитного потока с помощью небольших магнитов необходимо использовать высокоэффективные магниты.

Создание большого количества катушек внутри статора – более сложная задача, чем намотка катушек снаружи ротора. По этой причине в настоящее время для приложений, где требуется компактный и высокопроизводительный электродвигатель с превосходными динамическими характеристиками, используется электродвигатель с внутренним ротором.

Рис. 2.23 От электродвигателя постоянного тока к бесщеточному электродвигателю постоянного тока

Электродвигатель с внешним ротором

В отличие от электродвигателя с внутренним ротором, существует тип двигателя, у которого катушка расположена внутри, а магнит, который должен вращаться, — снаружи. Этот тип называется электродвигателем с внешним ротором (Рис. 2.24).

По сравнению с электродвигателем с внутренним ротором, вращающийся вал электродвигателя с внешним ротором имеет больший момент инерции. Однако благодаря тому, что магнит не нужно уменьшать в размерах, простота намотки катушки становится конструктивным преимуществом.

Электродвигатели с внешним ротором используются для электродвигателей жестких дисков и т. д.

Другие конструктивные разновидности включают тонкий электродвигатель с плоским ротором и катушкой, установленной непосредственно на печатной плате.

Этот тип используется для электродвигателей дисководов гибких дисков, бесщеточных вентиляторов и т. д.

Рис. 2.24 Электродвигатель с внешним ротором (концентрированная обмотка)

Структура катушки

Рис. 2.25 Электродвигатель с внешним ротором (концентрированная обмотка)

В основном, количество катушек в обычном бесщеточном электродвигателе постоянного тока кратно трем. Что касается метода намотки катушек, то существует два типа: метод распределенной намотки, показанный на предыдущем Рис. 2.22, и метод концентрированной намотки, показанный на Рис. 2.24 и Рис. 2.25.

На заре создания бесщеточных электродвигателей постоянного тока использовались электродвигатели с распределенной обмоткой, но в настоящее время, как правило, используются электродвигатели с концентрированной обмоткой.

Магнит ротора имеет N-полюс и S-полюс. Ротор, имеющий один N-полюс и один S-полюс, считается двухполюсным.

Если ротор имеет NSNS-полюсов, то он четырехполюсный. Чем больше катушек или магнитных полюсов ротора, тем проще процесс тонкого управления.

Типичный сервомотор имеет 9 или 12 катушек, а ротор – около 8 полюсов.

Некоторые большие электродвигатели с внешним ротором имеют больше магнитных полюсов и катушек.

Вращение бесщеточного электродвигателя постоянного тока

Использование полупроводника в качестве управляющего переключателя

Рис. 2.26 Смысл системы бесщеточного электродвигателя

Переключатели S1-S3 обозначают сигнал положения ротора, сконфигурированный транзисторами и/или МОП-транзисторами

Бесщеточный электродвигатель постоянного тока, который служит аналогом трехкатушечного электродвигателя постоянного тока, будет выглядеть так, как показано на предыдущем Рис. 2.23 (b).

Если принцип вращения бесщеточного электродвигателя постоянного тока идентичен принципу вращения электродвигателя постоянного тока, то бесщеточный электродвигатель постоянного тока должен вращаться так же, как и электродвигатель постоянного тока, при управлении подачей напряжения.

Давайте сравним ситуацию, взглянув на Рис. 2.26 и Рис. 2.27.

Назовем каждую катушку в трехкатушечном электродвигателе постоянного тока U, V и W, а выводы каждой катушки — u, u’, v, v’, w и w’, как показано на рисунке.

(A) показана взаимосвязь между катушкой, коммутатором и щеткой при соответствующих углах поворота электродвигателя постоянного тока.

Вращение ротора изменяется по часовой стрелке от <1> до <6>, как показано на рисунке.

В (В) показан ток, протекающий через три катушки в соответствующих положениях, показанных в (А). Например, в положении <1> катушки V и W соединены последовательно. Поэтому ток, протекающий через катушки V и W, равен половине тока, протекающего через катушку U. Прерывистые линии показывают, что ток мал.

В (C) показан метод изменения тока в катушке с помощью переключателя, аналогичный показанному в (B).

Бесщеточный электродвигатель постоянного тока вращается на основе логики, показанной в (C), с использованием транзисторов и FET в качестве переключателей.

Рис. 2.27 Сравнение тока в катушке между двигателем постоянного тока и бесщеточным двигателем постоянного тока

Проводное подключение бесщеточного электродвигателя постоянного тока

Далее объясняется метод подключения катушки, используемый в бесщеточных электродвигателях постоянного тока.

Для бесщеточных электродвигателей постоянного тока используются два метода подключения.

Один метод заключается в соединении катушек в контур, как мы сравнивали с обмоткой ротора электродвигателей постоянного тока на Рис. 2.27. Этот метод называется Δ-соединением (треугольником).

Другой метод заключается в соединении трех катушек, U, V и W, в блок.

Этот метод называется Y-образным соединением или соединением «звезда». Часть катушек, соединенная в звезду, называется нейтральной точкой или общей точкой.

Ток в каждой катушке в соединении «звезда» можно регулировать, но выключатель включается и выключается немного по-другому.

На Рис. 2.28 показано соединение звездой. На нем показан метод переключения для подачи того же тока, что и для соединения треугольником на Рис. 2.27 <1>.

Рис. 2.28 Достижение того же состояния под напряжением, что и при соединении треугольником, с помощью соединения звездой

Тип соединения зависит от рабочего напряжения и способа использования электродвигателя. Однако обычно используется соединение «звезда», если только не применяются специальные электродвигатели.

Характеристики бесщеточных электродвигателей постоянного тока

Преимущества

Главная особенность бесщеточных электродвигателей постоянного тока заключается в том, что они не требуют обслуживания. Существует ряд отличий от электродвигателей постоянного тока.

Одно из них – небольшие размеры. Как показано на Рис. 2.29, высокопроизводительный бесщеточный электродвигатель постоянного тока вмещает высокоэффективные магниты в пространство, меньшее, чем ротор обычных электродвигателей постоянного тока.

Благодаря такой эффективности использования пространства ротор не имеет магнитов, что позволяет уменьшить соответствующее пространство.

Более высокая плотность магнитного потока обеспечивает более высокий КПД двигателя и снижает тепловыделение.

Среди всех частей электродвигателя катушка выделяет наибольшее количество тепла. А поскольку катушка электродвигателя постоянного тока находится внутри электродвигателя, она обволакивается воздухом, что препятствует рассеиванию тепла в катушке. В отличие от этого, поскольку катушка бесщеточного электродвигателя расположена со стороны статора, эффективность теплового излучения электродвигателя повышается.

Решающим преимуществом бесщеточных электродвигателей является высокая степень свободы конструкции.

Например, вы можете создать плоский ротор, разместить ротор во внешней части электродвигателя или выбрать удлиненную форму в зависимости от того, как будет использоваться электродвигатель.

Рис. 2.29 Сравнение поперечного сечения между электродвигателем постоянного тока и бесщеточным электродвигателем постоянного тока

Недостатки

Катушки двигателей постоянного тока соединены по кругу, чтобы последовательно переключать ток в катушках при вращении электрдвигателя, подавляя неравномерность крутящего момента.

Бесщеточный электродвигатель постоянного тока можно заставить вращаться плавно, если увеличить число катушек так, чтобы оно было равно числу, используемому в электродвигателе постоянного тока. В этом случае ток, протекающий через отдельные катушки, необходимо переключать с помощью полупроводниковых приборов.

Однако, поскольку такой подход нежизнеспособен с точки зрения стоимости, катушки большинства бесщеточных электродвигателей постоянного тока разделены на три группы, чтобы уменьшить количество полупроводниковых приборов.

Однако, чтобы уменьшить колебания крутящего момента, вызванные вращением электродвигателя, имеющего только три катушки, мы должны придумать девиз, отличный от того, который используется в электродвигателях постоянного тока.

Если вращать вал электродвигателя пальцами, то можно почувствовать неравномерность крутящего момента (коггинг) из-за притягательной силы, возникающей между магнитом ротора и зубцами статора.

Уменьшение зубчатости двигателя требует тщательного анализа магнитной цепи.

Обнаружение ротора

При переключении тока, протекающего через катушки бесщеточного электродвигателя постоянного тока, необходимо сначала определить положение ротора. Для этого обычно используется «полупроводниковый датчик», состоящий из элемента Холла. Напряжение на выходе элемента Холла изменяется в зависимости от приложенной к нему магнитной силы.

Поскольку размер элемента Холла составляет несколько миллиметров, как показано на Рис. 2.30, его можно установить внутри двигателя.

Как показано на Рис. 2.31, если магнитный поток B проходит под прямым углом к току I, протекающему через полупроводник, то этот элемент генерирует напряжение e под прямым углом к току I и магнитному потоку B. Это явление, характерное для элемента Холла, используется при проектировании.

Описанное выше явление возникает, когда, согласно правилу левой руки Флеминга, электроны движутся вдоль боковой грани полупроводника под действием силы, приложенной к электронам. Это явление было открыто американским ученым по имени Э. Х. Холл и поэтому названо эффектом Холла.

Выходы элемента Холла взаимно переключаются при приближении N- или S-полюса электродвига

Рис. 2.30 Пример элемента Холла на микросхеме

Рис. 2.31 Принцип работы элемента Холла.

При наличии магнитного поля электроны смещаются в одну сторону благодаря эффекту, объясняемому правилом левой руки Флеминга.

Рис. 2.32 Простейший бесщеточный электродвигатель постоянного тока с одним элементом Холла

На Рис. 2.32 показан простейший принцип коммутации тока, проходящего через бесщеточный электродвигатель, с помощью элемента Холла.

ИС Холла

условиях он усиливается с помощью электронной схемы или преобразуется в коммутируемый выход с помощью электронной схемы, называемой компаратором.

ИС Холла – это ИС, в которой элемент Холла и электронная схема интегрированы в одну микросхему.

ИС Холла делятся на линейные и переключаемые. Оба типа используются выборочно в зависимости от метода управления.