Вентильный двигатель: конструкция, принцип работы, классификация

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.

Конструкция и устройство двигателя

Техническая инфраструктура формируется двумя сегментами – непосредственно механикой и управляющим комплексом. С точки зрения конструкционного устройства агрегат во многом похож на традиционное наполнение электромеханических роторных двигателей. Соответственно, в состав электромотора входят ротор, статор и обмотка. Причем статор представляет собой набор из отдельных изолированных листов, выполненных из стального сплава. В процессе работы они способствуют понижению вихревых токов. В нем как раз и находится обмотка, которая может иметь разное количество фаз. Начинка элемента образована стальным сердечником, а обмотка представляет собой медные волокна. Для защиты применяется корпус, на поверхности которого также предусматриваются средства физического крепления.

Что касается ротора, то он сформирован постоянными магнитами. В зависимости от модификации, он может иметь до шестнадцати пар чередующихся полюсов. Прежде для изготовления роторов применялись ферритовые магниты, что было обусловлено их ценовой доступностью. Сегодня же на первый план выходят эксплуатационные характеристики вентильного двигателя – в частности крутящий момент, который варьируется от 1 до 70 Нм. Пропускная же частота в среднем находится в пределах 2-4 тыс. оборотов. Для достижения таких показателей требуется магнит с высокой степенью индукции, поэтому производители перешли на использование редкоземельных сплавов. Такие магниты не просто дают более высокую производительность, но и обладают меньшими размерами. Отчасти и этот переход способствовал оптимизации габаритов вентильного электродвигателя. Отдельно стоит рассмотреть компоненты управляющего сегмента.

Принципы работы

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.

Особенности асинхронных агрегатов

В асинхронных двигателях ротор не вращается в противоположном направлении. Его нельзя назвать обратным синхронному агрегату с точки зрения взаимодействия магнитных потоков ротора и статора. И синхронный, и асинхронный двигатель предполагают следование одного поля за другим. Другое дело, что во втором случае ротор, к примеру, может быть «догоняющим». Он следует за генерацией индукционного момента.

В стандартной конструкции статор генерирует электромагнитное поле, заставляя через определенное время вращаться и ротор. Принципиальным отличием между двумя типами двигателей является и то, что индуктор не является генератором возбуждения магнитного поля ротора. Поэтому вентильный электродвигатель асинхронного типа может автономно заставлять вращаться ротор с определенной частотой от обмотки статора. Это вовсе не значит, что два механизма работают отдельно, но их функции не так тесно взаимосвязаны, как в случае с синхронными двигателями. Это же касается и скорости. Например, если в синхронном агрегате будет частота вращения на 3000 об./мин для индуктора и ротора, то асинхронный принцип работы для того же ротора может снизить эту величину до 2910 об./мин.

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.

Преимущества и недостатки

В сравнении с другими типами электрических машин, вентильный двигатель имеет ряд качественных отличий, дающих ему как выгодное, превосходство, так и определенные недостатки.

К преимуществам вентильных двигателей относят:

• Относительно небольшая величина магнитных потерь из-за отсутствия постоянно действующего поля, как в классических синхронных и асинхронных электродвигателях.
• Обеспечивает безопасное вращение даже с максимальной нагрузкой, в отличии от коллекторных электродвигателей.
• За счет встроенного преобразователя частоты коммутация вентильного преобразователя обеспечивает широкий спектр скоростей вращения, которые отличаются плавным переходом от одной к последующей.
• Хорошая динамика работы и точность позиционирования, способная создать конкуренцию шаговым двигателям.
• Относительно большая степень надежности и длительный срок эксплуатации без обслуживания за счет отсутствия скользящего контакта, в отличии от коллекторных двигателей.
• Может применяться во взрывоопасной среде, в отличии от электродвигателей постоянного и переменного тока со щетками.

К недостаткам вентильных агрегатов следует отнести их высокую себестоимость, наличие дополнительных элементов, усложняющих последующую эксплуатацию. Также существенным минусом считается сложность управления и задания логики перемещения рабочих органов трехфазных бесколлекторных двигателей в соответствии с меняющимися факторами производственного процесса.

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.

Недостатки электродвигателя

Специалисты отмечают два основных минуса таких электродвигателей. В первую очередь это сложность конструкции. Не механической части, а именно электронной основы, которая обеспечивает управление мотором. Применение микропроцессоров, датчиков, инверторов и сопутствующей электротехнической фурнитуры требует соответствующего подхода к обеспечению надежности работы компонентов системы. Таким образом, повышается и стоимость обслуживания техники. Вместе с этим, отмечается и дороговизна магнитов, на которых базируется вентильный двигатель даже в простых однофазных исполнениях. На практике пользователи стараются заменять недешевые элементы и расходники, вместе с этим упрощая и систему управления. Но такие меры сами по себе требуют определенных ресурсов, не говоря о том, что снижается эффективность двигателя.

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.

Технологии никак не стоят на месте, и совершенствование точного оборудования создает новые приборы. К данным типам относятся электромашины, которые уже заменили старые щетки, вместо них используют бесконтактный вентильный двигатель.

План статьи:

• Что такое вентильный двигатель
• Конструкция
• Проектирование вентильного аппарата борец
• Конструкция двигателя:
• Специфика руководства на беспрестанном токе
• Специфика работоспособности на переменном токе
• Применение вентильного двигателя
• Принцип движения векторного аппарата
• Виды фаз изделия
• Преимущества и недостатки
• Вентильный индукторный привод
• Достоинства вентильного индукторного привода
• Заключение

Вентильный двигатель с неизменным и переменным током, конструкция механизма

Полупроводниковый ключ, разумеется под словом «вентиль», в котором режим труда специально регулируется на ключах с полу приводом.

Вентильный двигатель – (ВД) представляет один из подвидов электронного сердца неизменного электрического потока, простой в конструктивном исполнении, в котором ЩКУ (щеточно-коллекторный узел) заменен полупроводниковым проводником, и управляется измерителем позиции статора. Иногда такой датчик отсутствует, и расположение измеряется с помощью наблюдателей, такой тип называется бездатчиковое применение.

Щеточный прибор уменьшает прочность, увеличивая миг инертности, и формирует радиопомехи или даже взрывоопасность, из-за чего и был создан бесконтактный движок, в котором катушечные обмотки обеспечивают высокую технологичность конструкции устройства. В механизме якорь стоит неподвижно, и стабилизатор является неизменяемым магнитом.

Проектирование вентильного аппарата борец

Диффузионный инструмент содержит три подсистемы:

1. Электронную
2. Механическую
3. Электрическую

Многофазные индукторные центры имеют разные способы применения, имеют сильный частотно-регулируемый инструмент, а к тому же имеют такие качества, как бесконтактность, высокая надежность, экономичность, долго прослужат, не ограниченные сильно значения мощности и напряжения, быстродействие, простота и дешевые в ремонте. К тому же возможно использование агрегата на аккумуляторном шуруповерте, так как с его помощью можно получить большие показатели КПД и качественное исполнение продукта за счет снижения веса.

Конструкция двигателя:

• Ротор – реагирует на влияние электромагнитного поля. Основу составляет магнит, и в нем есть многообразные пары полюсов (2 -8) с их чередованием. Более современные инструкции оснащают его из редкоземельных материалов, которые издают больше магнитной индукции и делают электронный организм компактнее.
• Статор – фазы обмоток, намотанные на катушки и диэлектрическую прокладку. В основном обмотки соединяют структура «звезда» или «треугольник». Наиболее распространенной фазой считается трехфазная структура. «Звезду» чаще применяют для больших мигов изменения направления, а «треугольник» для больших скоростей.
• Датчики положения и термодатчик – определяют положение вращения вала. Он делается по разным способам – например эффект Холла, фотоэлектрический и другие. Меры подсчета делаются без приостановок в определенном положении стартера.

Фотоэлектрический датчик имеет три стационарных приемника. Они поочередно зашторивают и крутятся в ту сторону, что и статор. Код, поступает от них и фиксирует положения аппаратуры стабилизации, которых есть шесть. Устройство переделывает сигналы в импульсы подачи струма, и они уже руководят полупроводниковыми ключами.

Термодатчик в фазном двигателе это тормоз. Тахогенератор используется в случае производства мотора в режиме стабилизации скорости.

• Блок с микропроцессором – формирует импульсы, форму и частоту вращения движителя, сравнивает показания на датчиках потока и обмотки

Агрегаты бывают двух видов: бесконтактные переменного и незаменимого тока. Перепускной движок важно отличать от бесколлекторного (БДПТ), такой как прямоугольник и распределяет поле притяжения в зазоре формы трапеции. Строение БДПТ не сложное, (но в статье она не рассматривается), чем структура клапанного, реализация коммутации не так сложно нежели использования ШИМ, выполняется 120 – 180 градусная коммутация).

В системе ЧПУ (числовое программное управление) механизм вентильной передачи получил широкое применение среди электродвигателей, показатели которого превосходят другие системы приводов.

В заданной структурной схеме регулирования контроллер выполняет:

• Регулировку напряжения преобразователя DC;
• Защиту силовых модулей от перенапряжения в сети питания, или от аварий;
• При разгоне отсечки фазовых токов;
• Стабилизация вращений и авто коммутацию фаз;
• Разгон и торможение ;
• Установление положение движителя под нужным углом;
• Мониторинг питательной системы.

Специфика руководства на беспрестанном токе

Он индуцирует на ферромагнитном стабилизаторе магнитных склонениях. Магнитное сопротивление может создавать крутящийся винт. Вентильные препараты беспрерывного течения главным образом применяют в нефтедобыче, буровых снаряжениях, машинах остывания и химических промышленностях.

Специфика работоспособности на переменном токе

Он используется как векторные или частотно-токовые алгоритмы автоматического руководства устройством с моментом и частотами вращений СДПМ. Действие электропередач зависит от точности располагаемой информации о процессах, которые могут изменяться. Все эти механизмы применяют на электроприводах, мостах и зарубежных фирмах.

По способу действия магнитного поля статора и ротора бывают: синхронные, асинхронные и индукторные инструменты. Регулировка происходит с помощью инвертора – электронная система подачи напряжения, в которой частоты не зависят от напряжения питания на обмотки электромотора. В большей мере инвертором оснащены одновременные приспособления, но собственно бывает и асинхронные – чтобы настраивать частоту вращений.

Есть только два назначений контролей вентильным электромотором:

1. Коммутация (шести пульсовое)
2. Векторное

Настройка связыванием – это когда поле налаживается под частоту вращения в стабилизаторном щитке. Механизм устанавливает вращение, изменяя потока или провод под воздействием к обмоткам с коммутацией.

Методом векторного контроля легко руководить машиной. Его применение очень эффективное на коротких линиях, но для применения на больших линиях делает назначение агрегата сложнее, и решение такой задачи будет довольно таки усложненное.

Где можно применить движок механической машины

Вентильный агрегат можно применять в большом количестве областей регулировки скорости, вращения работоспособных изделий. Такие одновременные измерители имеют точные позиционирования и могут служить для компьютерных систем, приборов движителя, винчестеров, разного типа кулеров и других электромобилях.

Продолжая, можно задействовать с разными совокупностями робототехнике, спутников и авиа конструкций. Бытовая техника не исключение, автомобильные органы и отраслей медицины тоже приветствуется труд вентильных двигателей. Широкое использование возможно в станках разного класса, горнодобывающих устройствах, на станциях или компрессорных установках и разных СЭП составах.

Можно добавить, что в основном дисковые, тяговые двигатели мощностью от кВт и питания 270в используются для транспорта городских машин. Рулевые регулировки подводных, наземных и летательных аппаратов, моторов-колес и других используют вентильные двигатели. При этом, погружные вентильные электродвигатели семейства новомет часто используются для эффективного использования в нефтяных компаниях.

Принцип движения векторного аппарата

Векторный механизм — система закономерности регулируемого пускателя, в каких есть электронный моторчик переменного направления, как в синхронных машинах, балансировочный преобразователь и устройство руководства с неизменяемыми магнитами. С помощью управления цепи на обмотке сердца коммутируют, зависит от того, в каком положении находится движок. Фазный двигатель похож на мотор не изменчивого тока, в котором якорь вместо коммутатора и находится под полюсами возбуждения. При магнитных движениях датчики улавливают их положение и изменяют пропускную способность реактивных вентильных преобразователей, оно и позволяет вращаться телу.

Для простого понимания можно представить себе компас, где сердце синхронной машины будет магнитной стрелкой, а поле статора как магнитное поле планеты. Без внешней нагрузки стабилизатор всегда сосредоточен на поле статора ( как и в компасе нет таких нагрузок). Покрутив компас — стрелка будет вращаться вслед своей оси направления. Так как и в поле статора создается электромагнитами, с помощью катушки и потоков.

Схемы и принцип изделия таков: статором создается магнитное поле, направляя его в нужную сторону с заданной амплитудой. Так как на рисунке в центре стоит магнит – оборудование запуска движения (стрелка компаса), а сбоку электромагниты – катушки, в которой создается свое поле (вертикальная и горизонтальная рисованные оси). (рис.1).

Магнитный струм в катушке пропорционален напряжении внутри. Нам нужен поток от статора там, где лежит статор (в центре). Две перпендикулярные катушки складываются по вектору и вместе с ротором образуют общий струм. Суммарное направление тока в статорах создало направление течения статора в одну общую сторону.

Также, от числа фаз двигатели разделяются на виды:

• Однофазные – самый простой механизм, в котором задействуются минимум линий передачи напряжения к обмоткам от регулирования. Но, орудие в некоторых событиях имеет усложнение запуска из-за нагрузки
• Двухфазовые – имеют очень хорошую связь между статором и обмоткой. Могут привести к плохим последствиям в продуктивности из-за довольно сильных пульсаций
• Трехфазные – самый распространенный вариант, плавно запускаются, и электродный преобразователь пашет в нормальном режиме. Четные количество обмоток и довольно неплохие тяговые возможности. Из недостатков можно выделить только шум.
• Четырехфазные – отличаются малыми пульсациями и пусковым моментным движением. Также из минусов, большая стоимость, поэтому редко используются.

Двигатели серии 5ДВМ качалок – наличие трехфазных синхронных агрегатов с фланцевым укреплением и возбуждением от редкоземельных магнитов. Предназначены для дела в составе настройки с высокими динамическими характеристиками с широким диапазоном регулировки скоростей. Также используются в станках с математических расчетных контролях, в производствах технологических линий и другие.

Преимущества вентильных электродвигателей

По сравнению с другими электродвигателями регулировочный модуль имеет ряд преимуществ, которые улучшают его характеристики на фоне старых подвидов

• В двигателе нет узлов и не нужно обслуживания оборудования;
• Бесконтактность. Безопасное вращение с минимум нагрузкой;
• Высокий ресурс. Большая перегрузочная возможность и большой пусковой миг;
• Быстродействие и большой радиус вращения;
• Лучше показатели по КПД чем у асинхронных двигателях;
• Минимальные пусковые токи и быстро окупается;
• Долгий срок эксплуатации из-за отсутствия скользящего контакта;
• Можно использовать во взрывоопасной среде.

Каковы недостатки для двигателей неизменного тока большие?

• Присутствие щеточно-коллекторного узла;
• Малая надежность коллекторного инструмента;
• Воздействие на якоре сжато, из-за чего и мощность будет не велика;
• Перегрузочная вместимость основного инструмента неизменного напряжения, как и время действия со сменой тока в якоре – ограничены;
• Большая стоимость за оборудование и сложность в механизации.

Технические характеристики вентильного двигателя

• Небольшая нагрузка– определяет содержание, оно направляется на напорный аппарат для обретения усилия;
• Энергопотребление – сердце показывает количество силы, взятое на применение движка;
• КПД – пропорция дела, сделанный клапанным аппаратом и использованной силы;
• Валовая сила – полезная способность движка, за счет силы притяжения;
• Обычная частота – состав оборотов в минуту, с помощью которых инструмент совершает в номинальном режиме работы;
• Диапазон регулирования частот – предельность изменения частоты оборотов вала для какой-то модели;
• Нормальный крутящий момент – определения попытки, создается на вентильном валу при стандартных параметрах изделия и может регламентироваться пусковыми и минимальными скоростями;
• Коэффициент нагрузки – представляет насколько может снизиться эффективность электрического коллектора над уровнем моря;
• Размеры и вес нужного оборудования.

Характеристика российского электродвигателя на индуктивном механизме

Вентильный индукторный привод – отечественный ВИП, возможно один из самых старых советских электронных движков. В конструкции тоже имеется магнитная система, с сильно выраженной зубчатостью различного количества на статоре и движителе. Последовательное переключение фаз помогает повернуть стартер в нужном направлении. Также, мотор представляется как индуктивная машина с самовозбуждением (изменчивый поток в статоре), потому что магнитное поле создается катушками статорных полюсов и получает питание.

Достоинствами такого агрегата считают довольно простую, надежную и дешевую конструкцию двигателя, которую и используют в сельском хозяйстве, потому что в нем отсутствует сложные технологии в использовании. ВИП по многозадачным показателям превосходит частотно-регулируемый асинхронной передачи. В России развитие такого индуктивного электроприбора было начато профессором Н.Ф. Ильинского в 1995 г., под руководством которого в МЭИ проводились систематические исследования и разработки традиционных ВИП, соответствующих мировому опыту (SRD) и системе проектирования Эссона.

Преимущества вентильного индукторного прибора:

• Надежность изделий (бесконтактность);
• Простота в использовании;
• Адаптация к наиболее современным методам руководств – можно создать векторную систему руководства с поддержкой электромагнитного движения и скорости;
• Высокие показатели КПД более 98%;
• Регулировка скорости вверх в 5 раз за счет дополнительного контроля возбуждением;
• Формировка нужных характеристик двигателя;
• Изменение программного обеспечения под себя;
• Наращивание мощности увеличением секций и использование стандартных модулей;
• Переход питания с 10кВ на 0,4 кВ, позволяет разместить силовые шкафы на минимум удалении от приспособлений.

Заключение:

Вообще говоря, в стандартном виде понимания электроизмерительный не полностью электрический инструмент, так как для подтверждения электронного двигателя нужно придавать значению ряду вопросов соответствующих нашей теме теории и схем автоматического контролирования. Сотрудники компании ЧЭАЗ помогут интересующейся особе разрешить любые проблемы связанные с данной темой. Агрегатные машины, в складе которых также есть одинарный и переменный ток, служат альтернативой таким двигателям. Причиной, как и написано в статье, в ассортименте с постоянным течением есть ряд проблем, связанных со ЩКУ, помехи, износ инструмента и плохие проводниковые якоря. Поэтому и применение вентильных двигателей лучше использовать вместо старых со щетками, и механизм можно использовать в затрудненных местах или где ДПТ вообще нельзя использовать.

Вентильные двигатели постоянного тока

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.

Особенности синхронных моделей

Вышеописанный принцип работы как раз иллюстрирует работу синхронного двигателя. То есть в нем реализуется взаимодействие полюсов индуктора и статорного магнитного поля. Но и в таких системах могут быть свои различия. Например, и синхронный, и асинхронный двигатель могут оснащаться электромагнитами. В случае с синхронными агрегатами такого типа ток будет направляться на ротор, минуя контакт щетка-кольцо. Постоянные же магниты применяются в двигателях, базирующихся на жестких дисках. Также существуют и обращенные конструкции. В них якорные потоки находятся на роторе, а индукция – на статоре.

Для включения синхронного двигателя требуется высокий разгон по частоте, чтобы появилась возможность подстройки вращения двух функциональных компонентов. В конструкциях, где индуктор находится на статоре, поле ротора остается неподвижным относительно якоря. И напротив, если устройство предполагает обратную конструкцию, то «ввод в синхронизацию» будет осуществляться через ожидание статора. Момент ожидания зависит от того, с какой нагрузкой работает вентильный двигатель, и какая частота является оптимальной для активизации его индуктора.

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.

Виды электродвигателей

Существуют следующие типы двигателей постоянного тока:

• с возбуждением при помощи постоянных магнитов;
• с последовательным соединением якоря и обмоток возбуждения;
• с параллельным соединением якоря и обмоток возбуждения;
• со смешанным соединением якоря и обмоток возбуждения;
• вентильный двигатель (бесколлекторный двигатель постоянного тока), выполненный при помощи замкнутой системы; в таком типе двигателя используется инвертор (силовой полупроводниковый преобразователь), преобразователь координат и ДПР (датчик положения ротора).

Двигателем переменного тока называют электрический двигатель, питание которого обеспечивает переменный ток. Существуют следующие типы двигателей переменного тока:

• гистерезисный двигатель;
• вентильный реактивный двигатель;
• асинхронный электродвигатель с частотой вращения ротора, отличающейся от частоты вращения создаваемого напряжением магнитного поля;
• синхронный электродвигатель с частотой вращения ротора, совпадающей с частотой вращения создаваемого напряжением магнитного поля.

Также существует УКД (универсальный коллекторный двигатель) с функцией режима работы как на переменном, так и на постоянном токе.

Ещё один тип двигателей – это шаговый электродвигатель с конечным числом положений ротора. Определённое указанное положение ротора фиксируется при помощи подачи питания на необходимые соответствующие обмотки. При снятии напряжения питания с одной обмотки и его передаче на другие происходит процесс перехода в другое положение.

Двигатель переменного тока при питании посредством промышленной сети обычно не позволяет достичь частоты вращения более трёх тысяч оборотов в минуту. По этой причине при необходимости получить более высокие частоты используется коллекторный двигатель, дополнительными преимуществами которого является лёгкость и компактность при сохранении необходимой мощности.

Иногда также применяют специальный передаточный механизм под названием мультипликатор, который меняет кинематические параметры устройства до требуемых технических показателей. Коллекторные узлы иногда занимают до половины пространства всего двигателя, поэтому электродвигатели переменного тока уменьшают в размере и делают легче в весе путём использования преобразователя частоты, а иногда благодаря наличию сети с повышенной частотой до 400 Гц.

Ресурс любого асинхронного двигателя переменного тока заметно выше коллекторного. Определяется он состоянием изоляции обмоток и подшипников. Синхронный же двигатель при использовании инвертора и датчика положения ротора считается электронным аналогом классического коллекторного двигателя, поддерживающего работу посредством постоянного тока.

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.

Классификация

По типу питания вентильные электрические машины подразделяются на электродвигатели постоянного и переменного тока.

По способу взаимодействия магнитного поля статора и ротора встречаются синхронные, асинхронные и индукторные аппараты.

Помимо этого, в зависимости от числа задействованных фаз они разделяются на:

• Однофазные – представляю собой наиболее простой вариант, где используется минимум линий передачи питающего напряжения от блока управления к его обмоткам. Однако в некоторых позиция существует трудность пуска такого вентильного двигателя под нагрузкой.
• Двухфазные – обладают хорошей связью между обмоткой и статором. Но выдают довольно сильные пульсации, которые могут привести к негативным последствиям в работе.
• Трехфазные – наиболее распространенные варианты, способные выдать плавный пуск и нормальный режим работы вентильного двигателя. Характеризуется четным количеством обмоток и хорошими тяговыми характеристиками. К его недостаткам относят лишь чрезмерный шум во время работы.
• Четырехфазные – характеризуются минимальными пульсациями низким пусковым моментом. Но, в сравнении с другими моделями, они имеют высокую себестоимость, из-за чего применяются редко.

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.

Преимущества электродвигателей

Благодаря конструкционной оптимизации вентильная силовая техника обеспечивает множество эксплуатационных преимуществ. В их числе стоит отметить быстродействие, гибкость в настройке, точность определения позиции ротора (с помощью датчика), широкие возможности технической подстройки и т.д. При скромных энергозатратах можно получить высокую силовую отдачу. Что еще важно, вентильный электродвигатель задействует небольшой ресурс механического действия, а это благоприятно сказывается и на его сроке эксплуатации. Низкий уровень термического воздействия на элементную базу обуславливает отсутствие перегревов, поэтому детали лишь в редких случаях требуют замены по причине износа.

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.

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока. Общие сведения и устройство прибора

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока также называют трёхфазным вентильным двигателем. Он представляет собой синхронное устройство, принцип работы которого основывается на самосинхронизированном частотном регулировании, благодаря чему происходит управление вектором (отталкиваясь от положения ротора) магнитного поля статора.

Контроллеры электродвигателей такого типа зачастую питаются благодаря постоянному напряжению, отчего и получили своё название. В англоязычной технической литературе вентильный электродвигатель называют PMSM или BLDC.

Бесколлекторный электродвигатель был создан в первую очередь для оптимизации любого электродвигателя постоянного тока в целом. К исполнительному механизму такого устройства (особенно к высокооборотному микроприводу с точным позиционированием) ставились очень высокие требования.

Это, пожалуй, и обусловило использование таких специфических приборов постоянного тока, бесколлекторные трёхфазные двигатели, также называемые БДПТ. По своей конструкции они практически идентичны синхронным двигателям переменного тока, где вращение магнитного ротора происходит в обычном шихтованном статоре при наличии трёхфазных обмоток, а количество оборотов зависит напряжения и нагрузок статора. Исходя из определённых координат ротора, происходит переключение разных обмоток статора.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока могут существовать без каких-либо отдельных датчиков, однако, иногда они присутствуют на роторе, например, датчик Холла. Если устройство работает без дополнительного датчика, то обмотки статора выполняют функцию фиксирующего элемента. Тогда ток возникает благодаря вращению магнита, когда в обмотке статора ротор наводит ЭДС.

Если одна из обмоток будет выключена, то будет измеряться и в дальнейшем обрабатываться тот сигнал, который был наведён, однако, такой принцип работы невозможен без профессора обработки сигналов. А вот для реверса или торможения такого электродвигателя мостовая схема не нужна – достаточно будет подачи в обратной последовательности управляющих импульсов на обмотки статора.

В ВД (вентильном двигателе) индуктор в виде постоянного магнита расположен на роторе, а якорная обмотка – на статоре. Исходя из положения ротора, формируется напряжение питания всех обмоток электродвигателя. При использовании в таких конструкциях коллектора, его функцию будет выполнять в вентильном двигателе полупроводниковый коммутатор.

Основное отличие синхронного и вентильного двигателей заключается в самосинхронизации последнего при помощи ДПР, что обусловливает пропорциональную частоту вращения ротора и поля.

Чаще всего бесколлекторный электродвигатель постоянного тока находит применение в следующих сферах:

• морозильное или холодильное оборудование (компрессоры);
• электропривод;
• системы нагрева воздуха, его кондиционирования или вентиляции.

Статор

Это устройство имеет классическую конструкцию и напоминает такой же прибор асинхронной машины. В состав входит сердечник из медной обмотки (уложенной по периметру в пазы), определяющей количество фаз, и корпус. Обычно синусной и косинусной фаз достаточно для вращения и самозапуска, однако, часто вентильный двигатель создают трёхфазным и даже четырёхфазным.

Электродвигатели с обратной электродвижущей силой по типу укладки витков на обмотке статора делятся на два типа:

• синусоидальной формы;
• трапецеидальной формы.

В соответствующих видах двигателя электрический фазный ток меняется также по способу питания синусоидально или трапецеидально.

Ротор

Обычно ротор изготавливают из постоянных магнитов с количеством пар полюсов от двух до восьми, которые, в свою очередь, чередуются от северного к южному или наоборот.

Самыми распространёнными и дешёвыми для изготовления ротора считаются ферритовые магниты, но их недостатком является низкий уровень магнитной индукции, поэтому на замену такому материалу сейчас приходят приборы, созданные из сплавов различных редкоземельных элементов, поскольку могут предоставить высокий уровень магнитной индукции, что, в свою очередь, позволяет уменьшить размер ротора.

ДПР

Датчик положения ротора обеспечивает обратную связь. По принципу работы устройство делится на такие подвиды:

• индуктивный;
• фотоэлектрический;
• датчик с эффектом Холла.

Последний тип получил наибольшую популярность благодаря своим практически абсолютным безынерционным свойствам и способности избавляться по положению ротора от запаздывания в каналах обратной связи.

Система управления

Система управления состоит из силовых ключей, иногда также из тиристоров или силовых транзисторов, включающих изолированный затвор, ведущих к сбору инвертора тока либо инвертора напряжения. Процесс управления этими ключами реализуется чаще всего путём использования микроконтроллера, требующего для управления двигателем огромного количества вычислительных операций.

Работа двигателя заключается в том, что контроллер коммутирует определённое количество обмоток статора таким образом, что вектор магнитных полей ротора и статора ортогональны. При помощи ШИМ (широтно-импульсной модуляции) контроллер совершает управление протекающим через двигатель током и регулирует момент, оказывающий воздействие на ротор. Направление этого действующего момента определяет отметка угла между векторами. При расчётах используются электрические градусы.

Коммутацию следует производить таким образом, чтобы Ф0 (поток возбуждения ротора) поддерживался относительно потока якоря постоянным. При взаимодействии такого возбуждения и потока якоря формируется вращающий момент М, стремящийся развернуть ротор и параллельно обеспечить совпадение возбуждения и потока якоря. Однако во время поворота ротора происходит переключение различных обмоток под воздействием датчика положения ротора, в результате чего поток якоря разворачивается по направлению к следующему шагу.

В такой ситуации результирующий вектор сдвигается и становится неподвижным по отношению к потоку ротора, что, в свою очередь, создаёт необходимый момент на валу электродвигателя.

Конструктивные особенности

На положение ротора в тяговом вентильном двигателе указывают датчики. Эти механизмы в совокупности являются электромеханической частью мотора. Силовой момент и микроконтроллер составляют управляющую часть. Блок управления мотором входит в логистическую неконструктивную часть системы.

Изолированные стальные листы собраны в синхронный привод, являющийся механической частью агрегата. В обмотке и роторе образуются вихревые токи, а такая конструкция способствует их уменьшению. Датчики Холла обеспечивают нормальную работу прибора. При отсутствии индикаторных устройств в вентильном моторе сигналы идут напрямую к магнитной установке. Эти же устройства контролируют режим реверса для того, чтобы при погружении мотор не останавливался.

Без этой функции, позволяющей дистанционно контролировать работу мотора и менять установки, не обойтись при буровых работах и добыче угля, нефти и газа. ШИМ-сигналы контролируются согласно настройкам шагового микропроцессора, обрабатывающего все данные о положении ротора. Если уровень этих сигналов низок, их усиливают, используя приборы, действующие по принципу микротрансформаторов.

Управление двигателем

Контроллер бесколлекторного электродвигателя постоянного тока совершает регулирование действующего на ротор момента, меняя величину широтно-импульсной модуляции. Коммутация при этом контролируется и осуществляется посредством электроники, в отличие от обычного щёточного двигателя постоянного тока. Также распространёнными являются системы управления, которые для рабочего процесса реализуют алгоритмы широтно-импульсной модуляции и широтно-импульсного регулирования.

Двигатели на векторном управлении обеспечивают самый широкий из всех известных диапазонов для регулирования собственной скорости. Регулирование этой скорости, как и поддержание потокосцепления на необходимом уровне, происходит благодаря преобразователю частоты.

Особенностью регулирования электропривода, основанного на векторном управлении, является наличие контролируемых координат. Они находятся в неподвижной системе и преобразуются во вращающуюся, выделяя пропорциональное контролируемым параметрам вектора постоянное значение, благодаря чему формируется управляющее воздействие, а затем обратный переход.

Несмотря на все преимущества такой системы, она сопровождается и недостатком в виде сложности управления устройством для регулирования скорости в широком диапазоне.