Вентильные двигатели принцип работы

Вентильный двигатель: принцип работы и схема

Вентильные двигатели принцип работы

Для того чтобы решать задачи по контролю современных прецизионных систем, все чаще используется вентильный двигатель.

Это характеризуется большим преимуществом таких приборов, а также активным формированием вычислительных возможностей микроэлектроники.

Как известно, они могут обеспечить высокую плотность длительного момента и энергоэффективности по сравнению с другими видами двигателей.

Схема вентильного двигателя

Двигатель состоит из следующих деталей:

1. Задняя часть корпуса.2. Статор.3. Подшипник.4. Магнитный диск (ротор).5. Подшипник.6. Статор с обмоткой.

7. Передняя часть корпуса.

У вентильного двигателя имеется взаимосвязь между многофазной обмоткой статора и ротора. У них присутствуют постоянные магниты и встроенный датчик положения. Коммутация прибора реализовывается при помощи вентильного преобразователя, вследствие чего он и получил такое название.

Схема вентильного двигателя состоит из задней крышки и печатной платы датчиков, втулки подшипника, вала и самого подшипника, магнитов ротора, изолирующего кольца, обмотки, трельчатой пружины, промежуточной втулки, датчика Холла, изоляции, корпуса и проводов.

В случае соединения обмоток «звездой» устройство имеет большие постоянные моменты, поэтому такую сборку применяют для управления осями. В случае скрепления обмоток «треугольником» их можно использовать для работы с большими скоростями. Чаще всего количество пар полюсов вычисляется численностью магнитов ротора, которые помогают определить соотношение электрических и механических оборотов.

Статор может быть изготовлен с безжелезным или железным сердечником. Используя такие конструкции с первым вариантом, можно обеспечить отсутствие притяжения магнитов ротора, но и в это же мгновение снижается на 20% эффективность двигателя из-за уменьшения значения постоянного момента.

Со схемы видно, что в статоре ток образуется в обмотках, а в роторе создается при помощи высокоэнергетических постоянных магнитов.

Условные обозначения:- VT1-VT7 – транзисторные коммуникаторы;- A, B, C – фазы обмоток;- M – момент двигателя;- DR – датчик положения ротора;- U – регулятор напряжения питания двигателя;- S (south), N (north) – направление магнита;- UZ – частотный преобразователь;- BR – датчик частоты вращения;- VD – стабилитрон;

– L – катушка индуктивности.

Схема двигателя показывает, что одним из основных преимуществ ротора, в котором установлены постоянные магниты, является уменьшение его диаметра и, как следствие, сокращение момента инерции.

Такие приспособления могут быть встроенными в сам прибор или расположенными на его поверхности. Понижение этого показателя очень часто приводит к небольшим значениям баланса момента инерции самого двигателя и приведенного к его валу нагрузки, который и усложняет работу привода.

По этой причине производители могут предложить стандартный и повышенный в 2-4 раза момент инерции.

На сегодняшний день становится очень популярным вентильный двигатель, принцип работы которого основан на том, что контролер устройства начинает коммутировать обмотки статора. Благодаря этому вектор магнитного поля остается всегда сдвинутым на угол, приближающийся к 900 (-900) относительно ротора.

Контролер рассчитан на управление током, который движется через обмотки двигателя, в том числе и величиной магнитного поля статора. Следовательно, можно регулировать момент, который воздействует на прибор. Показатель угла между векторами может определить направление вращения, которое действует на него.

Нужно учитывать, что речь идет об электрических градусах (они значительно меньше геометрических). Для примера приведем расчет вентильного двигателя с ротором, который в себе имеет 3 пары полюсов. Тогда оптимальным его углом будет 900 /3=300.

Эти пары предусматривают 6 фаз обмоток коммутации, тогда получается, что вектор статора может перемещаться скачками по 600.

Из этого видно, что настоящий угол между векторами обязательно будет варьироваться в пределах от 600 до 1200, начиная с вращения ротора.

Вентильный двигатель, принцип работы которого основывается на обороте фаз коммутации, из-за которых поток возбуждения поддерживается относительно постоянным движением якоря, после их взаимодействия начинает формировать вращающийся момент.

Он устремляется повернуть ротор таким способом, чтобы все потоки возбуждения и якоря совпали воедино. Но во время его разворота датчик начинает переключать обмотки, и поток перемещается на следующий шаг.

В этот момент результирующий вектор сдвинется, но останется полностью неподвижным сравнительно с потоком ротора, что в итоге и создаст вращающий момент вала.

Преимущества

Применяя вентильный двигатель в работе, можно отметить такие его достоинства:

– возможность применения широкого диапазона для модифицирования частоты вращения;

– высокая динамика и быстродействие;

– максимальная точность позиционирования;

– небольшие затраты на техническое обслуживание;

– устройство можно отнести к взрывозащищенным объектам;

– имеет способность переносить большие перегрузки в момент вращения;

– высокий КПД, который составляет более 90%;

– имеются скользящие электронные контакты, которые существенно увеличивают рабочий ресурс и срок службы;

– при длительной работе нет перегрева электродвигателя.

Недостатки

Несмотря на огромное количество достоинств, вентильный двигатель также имеет и недостатки в эксплуатации:- довольно сложное управление электродвигателем;

– относительно высокая цена устройства из-за применения в его конструкции ротора, который имеет дорогостоящие постоянные магниты.

Вентильный индукторный двигатель

Вентильно-индукторный двигатель – это устройство, в котором предусмотрено переключающееся магнитное сопротивление.

В нем преобразование энергии происходит за счет изменения индуктивности обмоток, которые располагаются на явно выраженных зубцах статора при передвижении зубчатого магнитного ротора.

Питание устройство получает от электрического преобразователя, поочередно переключающего обмотки двигателя в строгости по перемещению ротора.

Вентильно-индукторный двигатель представляет собой комплексную сложную систему, в которой работают совместно разнообразные по своей физической природе компоненты. Для удачного проектирования таких устройств необходимы углубленные знания в области конструирования машин и механики, а также электроники, электромеханики и микропроцессорной техники.

Современное устройство выступает как электродвигатель, действующий совместно с электронным преобразователем, который изготавливается по интегральной технологии с использованием микропроцессора. Он позволяет осуществить качественное управление двигателем с наилучшими показателями переработки энергии.

Свойства двигателя

Такие устройства обладают высокой динамикой, большой перегрузочной способностью и точным позиционированием. Благодаря тому что в них отсутствуют движущие части, их использование возможно во взрывоопасной агрессивной среде.

Такие моторы также называют и бесколлекторными, их основным преимуществом, по сравнению с коллекторными, является скорость, которая зависит от напряжения питания нагружающего момента.

Также еще одним немаловажным свойством считается отсутствие истираемых и трущихся элементов, которые переключают контакты, благодаря чему вырастает ресурс пользования аппаратом.

Все двигатели постоянного тока можно назвать бесколлекторными. Они работают от сети с постоянным током. Щеточный узел предусмотрен для электрического объединения цепей ротора и статора. Такая деталь является самой уязвимой и достаточно сложной в обслуживании и ремонте.

Вентильный двигатель постоянного тока работает по тому же принципу, что и все синхронные устройства такого типа. Он представляет собой замкнутую систему, включающую силовой полупроводниковый преобразователь, датчик положения ротора и координатор.

Вентильные двигатели переменного тока

Такие устройства получают свое питание от сетей переменного тока. Скорость вращения ротора и движения первой гармоники магнитной силы статора полностью совпадают. Данный подтип двигателей можно использовать при высоких мощностях.

К этой группе относятся шаговые и реактивные вентильные аппараты. Отличительной особенностью шаговых устройств является дискретное угловое смещение ротора при его работе. Питание обмоток формируется при помощи полупроводниковых компонентов.

Управление вентильным двигателем осуществляется при последовательном смещении ротора, которое и создает переключение его питания с одних обмоток на другие.

Это устройство можно разделить на одно-, трех- и многофазные, первые из которых могут содержать пусковую обмотку или фазосдвигающую цепь, а также запускаться вручную.

Принцип работы синхронного двигателя

Вентильный синхронный двигатель работает на основе взаимодействия магнитных полей ротора и статора. Схематически магнитное поле при вращении можно изобразить плюсами этих же магнитов, которые движутся со скоростью магнитного поля статора.

Поле ротора также возможно изобразить как постоянный магнит, который делает обороты синхронно с полем статора. В случае отсутствия внешнего вращающего момента, который прикладывается к валу аппарата, оси полностью совпадают.

Воздействующие силы притяжения проходят вдоль всей оси полюсов и могут компенсировать друг друга. Угол между ними приравнивается к нулю.

В случае если на вал машины будет воздействовать тормозной момент, то ротор перемещается в сторону с запаздыванием. Благодаря этому силы притяжения разбиваются на составляющие, которые направляются вдоль оси плюсовых показателей и перпендикулярно к оси полюсов.

Если будет прикладываться внешний момент, который создает ускорение, то есть начинает действовать по направлению вращения вала, картинка по взаимодействию полей полностью изменится на обратную.

Направленность углового смещения начинает трансформироваться на противоположное, и в связи с этим меняется направление тангенциальных сил и воздействие электромагнитного момента.

При таком раскладе двигатель становится тормозным, а аппарат работает как генератор, который подводимую к валу механическую энергию преобразует в электрическую. Далее она перенаправляется в сеть, питающую статор.

Когда будет отсутствовать внешний, явнополюсный момент начнет принимать положение, при котором ось полюсов магнитного поля статора будет совпадать с продольной. Это размещение станет соответствовать минимальному сопротивлению потока в статоре.

В случае воздействия на вал машины тормозного момента ротор отклонится, при этом магнитное поле статора будет деформированным, так как поток стремится замкнуться по наименьшему сопротивлению.

Для его определения необходимы силовые линии, направленность которых в каждой из точек будет соответствовать движению действия силы, поэтому изменение поля приведет к появлению тангенциального взаимодействия.

Рассмотрев все эти процессы в синхронных двигателях, можно выявить демонстративный принцип обратимости разнообразных машин, то есть возможность любого электрического аппарата изменить направленность преобразованной энергии на противоположную.

Бесколлекторные двигатели с постоянными магнитами

Вентильный двигатель с постоянными магнитами используется для решения серьезных оборонных и промышленных задач, так как такое устройство имеет большой запас мощности и эффективности.

Эти приборы чаще всего применяются в отраслях, где необходимы сравнительно низкие потребляющие мощности и небольшие габариты. Они могут иметь самые разные габариты, без технологических ограничений.

В то же время большие аппараты не являются совершенно новыми, их чаще всего производят компании, которые стремятся преодолеть экономические трудности, ограничивающие ассортимент этих приборов.

У них есть свои преимущества, среди которых можно отметить высокую эффективность из-за потерь в роторе и большую плотность мощности. Для управления бесколлекторными двигателями нужен частотно-регулируемый привод.

Анализ по затратам и результатам показывает, что устройства с постоянными магнитами намного предпочтительнее, по сравнению с другими, альтернативными технологиями. Чаще всего они используются для отраслей промышленности с достаточно тяжелым распорядком работы судовых двигателей, в военной и оборонной отрасли и других подразделениях, число которых непрерывно возрастает.

Реактивный двигатель

Вентильно-реактивный двигатель работает с использованием двухфазных обмоток, которые установлены вокруг диаметрально противоположных полюсов статора. Подача питания продвигается к ротору в соответствии с полюсами. Таким образом, его противодействие полностью сводится к минимуму.

Вентильный двигатель, своими руками созданный, обеспечивает высокоэффективную скорость привода при оптимизированном магнетизме для работы с реверсом. Информация о месторасположении ротора используется для того, чтобы управлять фазами подачи напряжения, так как это является оптимальным для достижения непрерывного и плавного крутящего момента и высокой эффективности.

Сигналы, которые выдает реактивный двигатель, накладываются на угловую ненасыщенную фазу индуктивности. Минимальное сопротивление полюса полностью соответствует максимальной индуктивности устройства.

Положительный момент можно получить только при углах, когда показатели позитивные. На небольших скоростях фазный ток обязательно должен быть ограниченным, чтобы произвести защиту электроники от высоких вольт-секунд.
Механизм преобразования можно иллюстрировать линией реактивной энергии.

Мощностная сфера характеризует собой питание, которое преобразовывается в механическую энергию. В случае его резкого отключения избыточная или остаточная сила возвращается к статору.

Минимальные показатели влияния магнитного поля на производительность устройства являются основным его отличием от похожих устройств.

Вентильный двигатель: принцип работы синхронного и асинхронного

Вентильные двигатели принцип работы

Синхронные и асинхронные вентильные двигатели постоянного тока широко применяются в различных сферах промышленного производства. В рамках этой статьи мы подробно рассмотрим их устройство и принцип работы.

Принцип работы

Вентильный бесколлекторный двигатель ВМЭД, ДВУ является одним из видов электрического двигателя, который индуцирует непостоянные магнитные полюса на ферромагнитном роторе. Крутящий момент создается за счет магнитного сопротивления.

Фото — Бесколлекторный вентильный двигатель

Вентильные двигатели бывают трех типов:

  1. Синхронный;
  2. Асинхронный;
  3. Индукторный.

Конструкция вентильно-реактивного двигателя (ВРД) включает в себя две фазные обмотки, установленные вокруг диаметрально противоположных полюсов статора. При подаче питания ротор движется в соответствии с полюсами статора, благодаря чему, сопротивление магнитного поля сводится к минимуму.  В основе работы вентильно индукторного двигателя используется тот же принцип.

Фото — Вентильный двигатель

В высокоэффективной переменной скорости привода магнетизм двигателя оптимизирован для работы с реверсом. Информация о положении ротора используется для управления фазы подачи напряжения.

Благодаря этому обеспечивается непрерывный крутящий момент и высокая эффективность. Сигналы накладываются на угловую ненасыщенную фазу индуктивности, при этом ее максимальная величина соответствует минимальному сопротивлению полюса.

Положительный момент производится только при углах, когда индуктивность градиента также является положительной.

Для защиты электроники от высоких вольт-секунд фазный ток на низких скоростях необходимо ограничивать. Как правило, это достигается за счет гистерезиса тока. Для контроля процесса используются специальные датчики.

Фото — Схема вентильного двигателя

На более высоких скоростях ток ограничен. Чтобы оптимизировать производительность, управляющее напряжение одиночного импульса используют с заранее выровненным углом.

Траектория реактивной энергии наглядно иллюстрирует механизм ее преобразования.

Мощностная область представляет собой питание, которое преобразуется в механическую энергию (или она уже была преобразована генератором).

При резком отключении питания остаточная или избыточная энергия возвращается к статору. Минимальное влияние магнитного поля на работу двигателя является его основным отличием от аналогичных устройств.

Преимущества вентильного двигателя:

  1. Благодаря небольшому магнитному сопротивлению минимизируются потери энергии;
  2. Высокие показатели безопасности (возможность работы при пиковых нагрузках);
  3. Широкий диапазон скоростей;
  4. Мягкое переключение скоростей.

К числу недостатков автоматизированных вентильных электродвигателей можно причислить:

  1. Высокий уровень шума;
  2. Сложно управление;
  3. Относительно высокая стоимость, по сравнению с аналогичными устройствами.

: из чего состоят вентильные двигатели

Конструкция

Тяговый вентильный двигатель (каталог Интерскол, Lenze,  Борец для УЭЦН, ЭЦН) состоит из датчиков, которые указывают на положение ротора машины синхронного типа.

Совокупность этих механизмов называется электромеханической частью двигателя. Управляющая часть устройства включает в себя микроконтроллер и силовой мост.

Блок управления двигателем относится к логистическому неконструктивному участку системы.

Фото — Вентильный индукторный двигатель

Механическая часть устройства представляет собой синхронный привод, собранный из изолированных стальных листов. Такая конструкция способствует уменьшению вихревых токов, образующихся в обмотке и роторе.

Для нормальной работы прибора используются  датчики Холла. Если в вентильном двигателе нет индикаторных приспособлений, сигналы поступают напрямую к магнитной установке. Этими же устройствами контролируется режим реверса.

Это необходимо для того, чтобы при погружении двигатель не остановился, а также дает возможность дистанционно контролировать его работу и менять установки.

Данная функция необходима при добыче нефти, угля, газа и буровых работах.

Фото — Принцип работы погружного двигателя

Шаговый микропроцессор обрабатывает все данные о положении ротора, согласно настройкам которого, контролируются ШИМ-сигналы. Нужно отметить, что при низком уровне данных сигналов, потребуется их усиление. Для этой цели используются специальные приборы, работающие по принципу микротрансформаторов.

Технические параметры:

Марка, типКрутящий момент, НмДлина, ммМаксимально допустимая частота, мин-1Вес, кг
ДМВ 550,05; 161420; 18000,4
5 ДВМ 550,23; 0,47; 0,7; 1,32182000; 3000; 4000; 60004,5
5 ДВМ 1552,3; 3,5; 4,7; 73422000; 3000; 4000; 600013
5 ДВМ 16510; 13; 17; 235361000; 2000; 3000; 400067
5 ДВМ 21523; 35; 47; 706371000; 2000; 3000; 400028

Фото — Параметры вентильных двигателей

Расчет двигателей производится по следующим формулам:

Формула равновесия фаз: IRΣ+ EΣ= U

Сумма ЭДС — E1= Emsin(∂+∂0), амплитуда ЭДС — Em= ko1pФw1Ω = (ko1pФN1Ω) / 2

Обозначение угла коммутации двигателя:

Ua = -Uq*sin0

Ub = Uq*cos0

Виды устройства

Вентильные двигатели могут работать от переменного или постоянного тока. Помимо этого, их принято делить на следующие виды:

  1. Однофазное устройство. Это простейшие вентильные двигатели с наименьшим количеством связей между машиной и электроникой. К числу недостатков однофазных устройств следует отнести: пульсации, высокий крутящий момент, а также невозможность запуска на всех угловых положениях. Однофазные двигатели нашли широкое применение в машинах, где требуется высокая скорость.
  2. Двухфазный двигатель. Этот мотор при работе активизирует воздушный зазор либо, при дополнительной настройке, создает асимметрию в полюсах ротора. Это устройство устанавливается в машинах, где критична связь статора с обмоткой. К числу недостатков следует отнести высокий крутящий момент и пульсации, которые могут привести к пагубным последствиям.
  3. Трехфазный двигатель. Этот дисковый двигатель используется для запуска и создания крутящего момента, не используя при этом большого количества фаз. Данный тип двигателей используется в различных отраслях производства, а иногда и в бытовых условиях. Это самая популярная конструкция из всех представленных. Альтернативные 3-фазные машины с четным числом полюсов являются лучшим решением для приборов, где необходимо сочетание высокой мощности и низкой скорости, например, в насосах. Недостатки трехфазных двигателей: высокий крутящий моментом и повышенный уровень шума.
  4. Устройства с четырьмя фазами. У этих двигателей существенно снижен крутящий момент и пульсации, но сфера применения устройств ограничена высокой стоимостью и большой мощностью.

К сожалению, разработать и создать своими руками рабочий погружной или многофазный вентильный двигатель практически невозможно, намного проще купить нужную модель. В разных городах России и Украины цена вентильных двигателей может значительно варьироваться. Нижняя ступень будет около 8000 тысяч рублей, верхняя может достигать 20 000, в зависимости от области действия и производителя

Во многих сферах производства используются вентильные двигатели, в частности, на нефтяных скважинах, буровых установках, приводобежных механизмах, системах охлаждения воздуха на химических предприятиях.

Вентильные двигатели. Виды и устройство. Работа и применение

Вентильные двигатели принцип работы

Электродвигатели, работающие от постоянного тока, обычно обладают более высокими экономическими и техническими характеристиками, по сравнению с двигателями переменного тока.

Единственным серьезным недостатком является наличие щеточного механизма, существенно понижающего надежность всей конструкции, повышающего инерционность ротора, взрывоопасность двигателя, а также создает радиопомехи.

Поэтому были созданы бесконтактные двигатели, работающие от постоянного тока, которые получили название вентильные двигатели. Создание такого нового устройства стало возможным, благодаря появлению полупроводников. Щеточный механизм в этой конструкции заменен коммутатором на основе полупроводниковых элементов. Якорь является неподвижным элементом, а на роторе закреплены постоянные магниты.

В целом вентильные двигатели включают в себя три подсистемы:

  1. Электронную.
  2. Механическую.
  3. Электрическую.

В результате получается мехатронное устройство, которое позволяет сделать корпус более компактным, избавиться от дополнительных деталей, лишних преобразователей, а соответственно сделать весь привод механизма более надежным.

Устройство и работа

Вентильный электродвигатель представляет собой измененный вариант коллекторного мотора постоянного тока. Мотор имеет индуктор, расположенный на роторе, обмотка якоря находится на статоре. Электричество подается управляющими командами на статорные обмотки, в зависимости от угла поворота ротора, который определяется встроенными датчиками Холла.

Ротор

Основу этого элемента составляет многополюсный постоянный магнит, который может иметь разное количество пар полюсов (от 2 до 8), с чередованием полюсов. Поначалу для производства роторов применяли ферритовые магниты невысокой стоимости. Однако ферритовые магниты имеют недостаток в том, что у них низкое значение магнитной индукции.

Современные конструкции роторов оснащают магнитами, изготовленными из редкоземельных элементов. Они дают возможность получить большую магнитную индукцию, а также сделать ротор более компактным.

Статор

Вентильный электродвигатель обычно имеет статор, состоящий из 3-х обмоток, соединенных «звездой» без отвода от средней точки, и внешне похожий на статор асинхронного мотора.

Существуют вентильные двигатели со статором с большим количеством обмоток, а кроме схемы «звезды» их могут соединять «треугольником».

Трехфазная структура обмоток считается наиболее эффективной при наименьшем количестве обмоток.

Если сравнивать две рассмотренные схемы соединения, то схема «звезды» предполагает больший момент вращения и меньшие показатели противо-ЭДС, в отличие от схемы «треугольника». Поэтому «звезду» чаще всего применяют для получения больших крутящих моментов, а «треугольник» — больших скоростей вращения.

Датчики положения и термодатчик

Этот чувствительный элемент создает обратную связь, и определяет положение ротора. Такие датчики могут работать по разным принципам – эффекта Холла, фотоэлектрическому и т.д. Большое распространение получили фотоэлектрические и датчики Холла. Они не имеют инерционности и дают возможность работы без запаздывания при определении положения ротора.

Фотоэлектрический датчик в его стандартном виде имеет три стационарных фотоприемника. Они по очереди закрываются шторкой, которая крутится синхронно ротору. Двоичный код, поступающий от датчиков, фиксирует шесть разных положений ротора. Управляющее устройство преобразует сигналы датчиков в управляющие импульсы напряжений, которые в свою очередь управляют полупроводниковыми ключами.

В каждый рабочий такт мотора включены два силовых ключа, и к электроэнергии подключены две обмотки из трех. Якорные обмотки расположены со сдвигом 120 градусов, и соединены между собой так, что при управлении силовыми ключами образуется вращающееся магнитное поле.

Дополнительно в вентильном двигателе могут иметься термодатчик, тормозной механизм. Тахогенератор используется в случае работы мотора в режиме стабилизации скорости с большой точностью.

Термодатчик служит для предохранения обмоток от перегрева, и включает в себя несколько позисторов, соединенных друг с другом между собой последовательно. Позисторы – резисторы, сопротивление которых зависит от температуры, чем больше температура, тем выше их сопротивление.

Принцип действия

Контроллер вентильного двигателя подключает обмотки статора так, что направление магнитного поля статора всегда перпендикулярно направлению поля ротора. Благодаря широтно-импульсной модуляции контроллер управляет током, который проходит по обмоткам. В результате создается момент вращения ротора, который регулируется.

Вентильные двигатели бывают постоянного и переменного тока. Кроме того, их разделяют на виды по числу фаз:

  • Однофазные. Это наиболее простая конструкция вентильных двигателей с минимальным числом связей между электронной системой и мотором. К недостаткам однофазных двигателей относятся большие пульсации, невозможность пуска при некоторых положениях ротора. Однофазные моторы широко используются в механизмах, где необходима высокая скорость работы.
  • Двухфазные. Такие вентильные двигатели работают в механизмах, где обязательно наличие связи обмотки и статора. К недостаткам можно отнести большой момент вращения и сильные пульсации, способные привести к отрицательным последствиям.
  • Трехфазные. Эта дисковая конструкция мотора применяется для создания момента вращения, не применяя для этого большое число фаз. Этот вид моторов используется во многих отраслях промышленности, а также в бытовых условиях. Это наиболее распространенная конструкция, по сравнению с другими. Трехфазные двигатели вентильного типа, имеющие четное количество полюсов, стали хорошим вариантом для устройств, где требуется сочетание небольшой скорости и высокой мощности. Недостатками 3-фазных вентильных моторов является высокий уровень шума.
  • 4-фазные. У таких двигателей значительно уменьшен момент вращения и пульсаций. Используются они достаточно редко, так как они имеют высокую стоимость.

Вентильные двигатели применяются во многих областях производства, например, на буровых установках, в системах охлаждения на химических заводах, на нефтяных скважинах.

Достоинства

  • Небольшие потери энергии, благодаря малому магнитному сопротивлению.
  • Высокая безопасность при работе на максимальных нагрузках.
  • Широкий интервал рабочих скоростей.
  • Высокая точность работы и динамика.
  • Плавное переключение скоростей.
  • Нет коллекторного щеточного узла, который требует техобслуживания.
  • Возможность применения в агрессивной среде.
  • Длительный срок службы.
  • Высокая надежность.

Недостатки

  • Сложное управление.
  • Высокий показатель шума.
  • Высокая стоимость, в отличие от других аналогичных моторов, так как используются полупроводниковые силовые ключи.

Основные технические особенности вентильных двигателей

Вентильные двигатели принцип работы

  • 3 октября 2014 г. в 16:02
  • 2048

Для решения задач контролируемого движения в современных прецизионных системах все чаще применяются вентильные (бесколлекторные) двигатели.

Такая тенденция обусловлена преимуществами вентильных двигателей и бурным развитием вычислительных возможностей микроэлектроники.

Как известно, вентильные (синхронные) двигатели обеспечивают наиболее высокие плотность длительного момента (момент в единице объема) и энергетическую эффективность по сравнению с любым другим типом двигателя.

Современный вентильный привод объединяет электрическую, механическую и электронную подсистемы в единое цельное мехатронное устройство. В рамках такого подхода удается значительно сократить габариты, избавиться от лишних преобразователей и промежуточных элементов, а значит, повысить надежность всего привода в целом.

В рамках данной статьи рассматривается принцип работы и устройство современных вентильных машин, описываются принципы управления вентильным преобразователем для коммутации с применением датчиков положения ротора, а также перечисляются особенности интегрированного исполнения вентильных двигателей.

1. Основные технические особенности вентильных двигателей

Под вентильным двигателем понимают синхронный двигатель, содержащий многофазную обмотку статора, ротор с постоянными магнитами и встроенным датчиком положения. Коммутация такого двигателя осуществляется при помощи вентильного преобразователя. Поэтому его принято называть «вентильным».

По сути, вентильный двигатель с точки зрения метода коммутации представляет собой «инвертированный» вариант коллекторной машины постоянного тока.

В вентильном двигателе индуктор находится на роторе, якорная обмотка на статоре.

Коммутация осуществляется путем подачи управляющего согласованного воздействия на обмотки статора в зависимости от положения ротора, определяемого с помощью интегрированных в двигатель датчиков обратной связи.

Рис. 1.Структура вентильного двигателя:
1 – задняя крышка, 2 – печатная плата датчиков, 3 – датчики Холла,4 – втулка подшипника, 5 – подшипник, 6 – вал,7 – магниты ротора, 8 – изолирующее кольцо, 9 – обмотка,10 – тарельчатая пружина, 11 – промежуточная втулка, 12 – изоляция,

13 – корпус, 14 – провода.

Рассмотрим структуру вентильного двигателя на примере семейства двигателей Faulhaber (рис. 1). В данном случае в основе ротора лежит двухполюсный магнит, статора трехфазная обмотка, положение ротора определяется с помощью интегрированных в двигатель датчиков Холла.

В общем случае ротор может содержать другое количество пар полюсов, а статор иметь более традиционную конструкцию, внешне сходную со статором асинхронной машины. Наиболее распространен статор с тремя обмотками, соединенными «звездой» (реже в «треугольник») без вывода средней точки.

Как известно, именно трехфазная структура является наиболее эффективной при минимуме числа обмоток.

При соединении обмоток «звездой» вентильный двигатель имеет большие постоянные момента и меньшие постоянные противо­ЭДС (при соотношении ?3) по сравнению с соединением «треугольником». Поэтому соединение «звездой» используется для управления осями, требующими больших моментов, а соединение «треугольником» – для больших скоростей.

В большинстве случаев обмотки статора выполняются без насыщения, т.е. противо­ЭДС обмоток имеет синусоидальную форму.

Такие двигатели зачастую называют AC brushless motor в отличие от DC brushless motor, обмотки статора которого выполняются с насыщением.

Такое насыщение в DC brushless motor предназначено для снижения пульсаций тока (и соответственно момента) при применении трапецеидальной коммутации.

Но иногда термин DC brushless motor используют для двигателей с питанием через инвертор от сети постоянного тока, что не совсем корректно.

Обычно количество пар полюсов, определяемое количеством пар магнитов ротора и определяющее соотношение механического и электрического оборотов, равно 4…8. Статор может быть выполнен с железным (iron core) или безжелезным (ironless) сердечником.

Конструкция статора с безжелезным сердечником обеспечивает отсутствие силы притяжения магнитов ротора и железа статорной обмотки (magnetic attraction) и зубцового эффекта (cogging), но снижает незначительно (на 10…20%) эффективность двигателя изза меньших значений постоянной момента.

Одно из самых очевидных преимуществ ротора с постоянными магнитами состоит в уменьшении диаметра ротора и, как следствие, в уменьшении момента инерции ротора. Технологически магниты могут быть встроены в ротор или расположены на его поверхности.

Но пониженный момент инерции зачастую приводит к малым значениям соотношения момента инерции двигателя и приведенного к его валу момента инерции нагрузки (mismatch ratio), усложняющему настройку привода.

Поэтому ряд производителей предлагает наряду со стандартным и повышенный – в 2…4 раза – момент инерции ротора.

2. Датчики положения и дополнительные устройства

В качестве датчика положения, необходимого для коммутации вентильного двигателя, могут быть использованы датчики Холла (цифровые или аналоговые), энкодер (цифровой, аналоговый или абсолютный) или резольвер.

Цифровые датчики Холла используются для наиболее распространенной – трапецеидальной коммутации вентильного двигателя. Цифровые датчики Холла могут быть выполнены также и на оптической шкале энкодера.Аналоговые датчики Холла используются для синусоидальной коммутации вентильного двигателя.

Энкодер имеет три дифференциальных канала – два канала А, В прямоугольных импульсов, сдвинутых на 90 электрических градусов, и нулевой импульс I (индекс). Резольвер представляет собой вращающийся трансформатор с обмоткой возбуждения и двумя выходными обмотками со сдвигом 90 электрических градусов.

Аналоговый энкодер имеет аналоговые sin/cos (1В между пиками peaktopeak) дифференциальные выходы.

Внешний интерполятор позволяет повысить исходное разрешение с коэффициентом умножения до 4096 .Абсолютный энкодер передает информацию по положению по синхронному последовательному интерфейсу (SSI или BiSS), протокол которого задается производителем энкодера. Одними из наиболее популярных протоколов являются Heidenhain EnDat, Tamagawa Smart Abs и Stegman Hiperface протоколы.

Кроме датчика положения дополнительно могут быть встроены: тахогенератор, термодатчик, тормоз или редуктор.

Тахогенератор применяется в случае использования вентильного двигателя в режиме регулирования/стабилизации скорости с высокой точностью.

Термодатчик для защиты обмоток от перегрева представляет собой несколько последовательно соединенных позисторов, т.е. терморезисторов с положительным температурным коэффициентом (positive temperature coefficient РТС).

3. Способы коммутации с применением датчика положения ротора

Способы коммутации вентильного двигателя различаются по типу датчика положения ротора и особенностям регулирования тока в фазах обмоток статора.

3.1. Трапецеидальная или шестишаговая (sixstep) коммутация вентильного двигателя осуществляется по цифровым датчикам Холла.

Для 3х датчиков Холла, являющихся «грубым» датчиком положения ротора, возможных состояний на полный электрический оборот будет шесть, каждое из которых соответствует 60 электрическим градусам.

При каждом постоянном состоянии датчиков Холла подключаются только две обмотки двигателя, а третья отключена от источника напряжения. Постоянство вектора тока в пределах ±30 электрических градусов от оптимального (создающего максимальный момент) приводит к 17% пульсациям тока.

Преимущества:

  • готовность к работе при включении питания;
  • дешевый усилитель тока;
  • управление током (моментом) аналоговым сигналом ±10В.

Недостатки:

  • пульсации тока;
  • средние показатели быстродействия при позиционировании и равномерности при сканировании.

Область применения: регулирование скорости при невысоких требованиях к эффективности и равномерности перемещения на низких скоростях.

3.2. Синусоидальная коммутация лишена недостатков трапецеидальной коммутации за счет непрерывной и плавной коммутации вектора тока.

Это достигается благодаря более высокому разрешению датчика положения ротора (обычно инкрементального энкодера) по сравнению с цифровыми датчиками Холла, имеющими разрешение только 60 электрических градусов.

Для стандартного двигателя с соединением фаз в «звезду» достаточно контролировать ток в двух обмотках с помощью двух регуляторов на базе ПИрегуляторов. Такой способ коммутации очень эффективен на малых и средних скоростях, но имеет ошибки на высоких скоростях.

В этом случае изза ограниченного усиления ПИрегулятора при заданном напряжении постоянного напряжения (DC bus) мах скорость ограничена. Несколько повысить скорость позволяет метод сдвиг фазы (phase advance).

Преимущества:

  • минимальные пульсации тока;
  • высокие показатели быстродействия при позиционировании и равномерности при сканировании.

Недостатки:

ограничение мах скорости при заданном напряжении постоянного напряжения;

управление током (моментом/силой) при помощи двух аналоговых сигналов ±10В.

Область применения: прецизионные механизмы.

3.3. Непосредственно векторный контроль тока в координатах DQ использует преобразования между статическими DQ и вращающими UVW координатами вектора тока, известными как преобразования ПаркаКларка.

В отличие от синусоидальной такой способ коммутации предполагает работу ПИрегулятора с напряжениями постоянного тока, а не синусоидальными напряжениями.

Это и обеспечивает качество управления током, независимое от скорости вращения двигателя.

Векторный контроль предполагает регулирование квадратичной (D) и прямой (Q) составляющих тока. Т.к. только прямая (Q) составляющая тока, перпендикулярная к полю ротора, создает момент двигателя, то задание тока подается на вход прямой (Q) составляющей тока. На вход квадратичной (D) составляющей тока подается «0» сигнал.

Преобразования между статическими DQ и вращающими UVW координатами вектора тока производятся с учетом токов фаз и положения ротора.

Векторный контроль при наличии преимуществ синусоидальной коммутации позволяет расширить диапазон скоростей вентильного двигателя за счет более полного использования напряжения постоянного тока.

Следует отметить, что для синусоидальной или векторной коммутации тока при использовании инкрементального (относительного) датчика положения ротора необходимо первоначально (т.е. при каждом включении питания) сфазировать положение ротора относительно фаз статора. Алгоритм такой начальной фазировки обычно является «встроенным».

Трапецеидальная коммутация вентильного двигателя не требует начальной фазировки благодаря использованию датчиков Холла, являющихся абсолютными датчиками положения ротора.

Поэтому их иногда применяют вместе с инкрементальным датчиком положения для реализации синусоидальной или векторной коммутации тока без необходимости производить начальную фазировку.

Такая конфигурация рекомендуется для механизмов, где реализация процедуры начальной фазировки затруднена, например, механизмов вертикального перемещения.

4. Интегрированное исполнение вентильных двигателей

Одной из основных перспективных тенденций в развитии современных вентильных двигателей является тяготение производителя к интеграции в единый корпус с двигателем управляющей электроники.

Такое решение позволяет предлагать не разрозненный набор комплектующих приводной системы, а законченный привод в сборе.

Таким образом решаются возможные проблемы совместимости различных компонент привода, а также проблема различных интерфейсов компонент приводной системы.

Рис. 2 Векторный контроль тока вентильного двигателя

Примером интегрированного привода является серия двигателей BG, предлагаемая компанией Dunkermotoren (рис. 3).

В рамках данной серии двигателей производитель предоставляет возможность заказать одну и ту же модель в различных исполнениях:

  • без интегрированной управляющей электроники,
  • с интегрированной коммутирующей электроникой (2wire),
  • с интегрированным контроллером скорости,
  • с интегрированным контроллером движения,
  • с интегрированным контроллером движения с сетевыми интерфейсами (CAN, PROFINET).

5. Преимущества использования вентильных двигателей

При разработке нового изделия разработчик часто сталкивается с проблемой выбора двигателя для решения конкретной задачи движения. Когда речь идет о построении привода средней либо малой мощности, как правило, выбор сводится к сборкам на базе коллекторных, вентильных, а также шаговых двигателей.

Рис. 3 Двигатели Dunkermotoren серии BG

К несомненным достоинствам вентильных двигателей следует отнести:

Высокий запасаемый момент:

  • Идеальное решение при высоких пиковых нагрузках
  • Хорошее ускорение при изменяющихся нагрузках

Высокий диапазон скоростей

Высокую равномерность движения

Высокую точность позиционирования благодаря возможности использования энкодеров и других датчиков обратной связи по скорости/положению.

Двигатели для специальных применений: в среде высокого вакуума, автоклавируемые, погружные с высоким классом IP защиты.

М. Сонных, Л. Ганнель
в журнале «РИТМ» №10, 2010

Вентильный двигатель: конструктивные особенности и принцип действия, преимущества и недостатки, количество фаз

Вентильные двигатели принцип работы

Работа прецизионных систем требует серьёзного контроля. Для выполнения контролирующих функций в таких системах принято использовать вентильный двигатель (ВД), позволяющий повысить вычислительные возможности микроэлектронного оборудования. Он же улучшает свойства электродвигателей постоянного тока, обеспечивая высокую плотность длительного момента.

Этот тип электромотора имеет стандартную конструкцию. Она состоит из ротора, роль которого выполняет магнитный диск, статоров и подшипников. Все детали заключены в прочный корпус.

Статор ВД аналогичен тому, что используется в асинхронных приборах. Основным его элементом выступает стальной сердечник, по периметру которого располагается обмотка из меди.

От количества обмоток зависит, к какому типу будет относиться вентильный электродвигатель (однофазному, двухфазному, трёхфазному).

В зависимости от того, как витки обмотки располагаются в статоре, форма его электродвижущей силы может быть:

  1. Трапецеидальной (BLDC).
  2. Синусоидальной (PMSM).

Форма обмотки оказывает прямое влияние на способ питания двигателей. Изменение электрического тока также может происходить синусоидально либо трапецеидально.

Ротор представляет собой несколько магнитов с постоянным полем. Ранее для его производства применялись магниты из феррита. Но уровень их магнитной индукции достаточно мал, поэтому они были заменены на изделия из сплавов редкоземельных элементов, позволяющих достичь необходимого уровня индукции и одновременно сделать ротор более компактным.

Неотъемлемой частью любого вентильного двигателя является датчик положения ротора. В основе его работы может быть заложен:

  1. фотоэлектрический принцип;
  2. индуктивный принцип;
  3. эффект Холла и другие явления.

Фотоэлектрический датчик положения состоит из трёх стационарных фотоприемников, которые поочерёдно закрываются вращающейся шторкой. Её движение синхронно движению ротора.

Благодаря двоичному коду, поступающему с датчика, ротор может фиксироваться в шести разных положениях. Преобразуясь в комбинацию управляющих напряжений, сигналы регулируют силовые ключи по особой схеме.

Каждая фаза работы электродвигателя задействует два ключа, а подключёнными к сети являются две из трёх обмоток.

Датчик положения фотоэлектрического типа относится к категории самых распространённых, поскольку является практически безынерционным. Также он позволяет исключить запаздывание в канале обратной связи.

Принцип действия

В зависимости от особенностей конструкции и технических характеристик выделяют асинхронный, синхронный и индуктивный вентильный двигатель. Принцип работы каждого из них основывается на индуцировании непостоянных магнитных полюсов на роторе. При подаче напряжения начинается его вращение в соответствии с полюсами статора, вследствие чего сопротивление магнитного поля сводится к минимуму.

Сведения о состоянии ротора используются в качестве инструмента управления фазой подачи напряжения. Наложение сигналов на угловую ненасыщенную фазу индуктивности осуществляется таким образом, что её максимальное значение совпадает с минимальным сопротивлением полюса.

Чтобы высокие вольт-секунды не оказывали негативного действия на работающую электронику, следует предусмотреть ограничение фазного тока на невысоких скоростях двигателя. Роль ограничителей в этом случае выполняют датчики. При высоких скоростях необходимость в ограничении тока отпадает.

Выровненный угол управляющего напряжения одиночного импульса позволяет оптимизировать производительность оборудования. Процесс её преобразования наглядно демонстрируется в виде траектории реактивной энергии.

Преобразованное в механическую энергию питание отвечает за мощностную область. Отключение электроэнергии приводит к тому, что избыточная либо остаточная энергия переходит к статору.

Влияние магнитного поля на работающий вентильный электродвигатель является минимальным. Это отличает ВД от других аналогичных устройств.

Преимущества и недостатки

Электродвигатели такого типа нашли широкое применение в производственной и промышленной сфере. Это обуславливается следующими достоинствами ВД:

  1. широким интервалом для модифицирования частоты вращения;
  2. максимально точным позиционированием;
  3. быстродействием и высокой динамикой;
  4. экономически выгодным техобслуживанием;
  5. достаточной защищенностью от взрывов;
  6. устойчивостью к большим нагрузкам при вращении;
  7. мягким переключением скоростей;
  8. хорошим КПД, превышающим 90%;
  9. большим рабочим ресурсом и сроком службы.

При длительной работе вентильного двигателя не происходит опасного перегрева основных элементов, что делает процесс его эксплуатации более эффективным и безопасным.

Эта разновидность электродвигателя обладает определёнными недостатками. Они выражаются в сложной системе управления и высоком уровне шума в процессе работы. Также к очевидным минусам следует отнести высокую цену, обусловленную применением дорогостоящих постоянных магнитов, используемых при изготовлении ротора.

Количество фаз

Вентильный электродвигатель, как и другие виды устройств, может функционировать от постоянного и переменного тока. Встречаются двигатели, рассчитанные на разное число фаз.

Однофазный относится к категории самых простых, имеющих минимальное количество связей с электроникой. Характеризуется наличием пульсаций, высоким крутящим моментом. Однофазный прибор не может запускаться на всех угловых позициях, используется в установках, где важна высокая скорость.

Двухфазный мотор активирует воздушный зазор, а при дополнительном настраивании в полюсах ротора создаётся асимметрия. Имеет высокий крутящий момент, который может спровоцировать негативные последствия во время эксплуатации.

Трехфазное устройство показывает эффективность при запуске и создании крутящего момента без задействования большого числа фаз. При наличии чётного количества полюсов оптимально подходит для техники, в которой важную роль играет высокая мощность при небольшой скорости работы (к примеру, для насосов). В процессе работы создаётся высокий крутящий момент и большой уровень шума.

Четырехфазный двигатель лишён недостатков из-за завышенного крутящего момента и наличия пульсаций. Однако характерная для него высокая мощность и стоимость не позволяет широко использовать такой мотор в различном оборудовании.

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.