КПД бесколлекторного электродвигателя

Принцип работы бесколлекторного электродвигателя постоянного тока (альтернативные названия – вентильный, бесщеточный, BLDCM или PMSM мотор) был известен еще на этапе открытия электричества. Но серийное производство таких электромоторов началось с 1962 года – благодаря развитию технологий, возникновению силовых транзисторных ключей бюджетной категории и сильных неодимовых магнитов.

Все электродвигатели постоянного тока – синхронные с самостоятельной синхронизацией. Схема их работы отличается от особенностей действия синхронных моторов переменного тока, поскольку у них нет самосинхронизации. В таблице приведены основные преимущества и недостатки бесколлекторных электромоторов.

Как устроен бесколлекторный электродвигатель

Основные компоненты такого узла – статор с несколькими обмотками и ротор с постоянными магнитами. Для сравнения, конструкция коллекторного мотора диаметрально противоположна – обмотки размещаются на роторе. В БК моторе нет коллектора – увесистого узла, нуждающегося в обслуживании. Его задачи возложены на электронику. Управление обеспечивает регулятор. Благодаря этому конструкция упрощается, электромотор становится более легким и компактным. Уменьшению размеров способствует и использование сильных неодимовых магнитов.

Благодаря замене электронными ключами контактов коллектора и щеток, снижаются коммутационные потери. В итоге, КПД бесколлекторного электродвигателя и значения его удельной мощности – выше, чем у коллекторных моделей. Значения возможной скорости вращения у бесколлекторных устройств шире, а их нагрев в процессе работы – ниже. Такие электромоторы допустимо использовать во влажной и агрессивной среде. К тому же, они почти не вызывают радиопомех.

Как работает бесколлекторный электродвигатель постоянного тока

Работу БК мотора обеспечивает электронный блок управления. Он отвечает за подачу напряжения и обеспечивает правильное вращение. Магнитное поле воздействует на обмотку. Она вращается в нем, поворачиваясь до нужного положения. Для постоянного вращения электронные элементы в необходимые моменты времени подают постоянное напряжение на те или иные обмотки статора.

Большинство бесколлекторных электродвигателей – трехфазные. Но это не значит, что электронный блок управления питает мотор переменным 3-фазным током. Количество фаз соответствует числу обмоток мотора и бывает разным – 1, 2, 3 (чаще всего) и более. С возрастанием числа фаз повышается плавность вращения магнитного поля, но и усложняется система управления. Трехфазная система наиболее распространена благодаря удачному сочетанию плавной работы и умеренной конструкционной сложности.

В 3-фазном электродвигателе 3 обмотки соединяются по схеме «треугольник» или «звезда». Такой мотор имеет 3 провода. Это выводы обмоток.

У электромоторов с датчиками есть еще по 5 проводов: 2 – для питания датчиков положения, 3 – для передачи сигналов от датчиков. В любой момент времени напряжение поступает на 2 из 3-х обмоток. В результате, есть 6 способов подачи на обмотки постоянного напряжения. Так создается вращающееся магнитное поле, поворачиваемое при каждом очередном переключении на 60°.

Использование датчиков положения

Поскольку подача напряжения на обмотки должна осуществляться с учетом позиции ротора, от электронных компонентов требуется способность определять это положение. Данную работу выполняют датчики положения. Они бывают магнитные, оптические и других типов, но самые популярные из них – датчики Холла. В 3-фазном бесколлекторном электромоторе их 3. В схеме бесколлекторного электродвигателя такие датчики могут отсутствовать. Тогда для выяснения позиции ротора измеряется напряжение на временно свободной обмотке. Этот способ может использоваться исключительно при вращении электромотора.

В техническом аспекте желательно применять электромоторы с датчиками положения, поскольку они проще в управлении. Но в таком случае придется позаботиться о питании датчиков и проложить провода от них к электронике, отвечающей за управление. Если же один из датчиков выйдет из строя, мотор не сможет работать. Придется разбирать его и менять неисправные элементы.

При проблематичном размещении датчиков в корпусе электромотора применяется конструкция без них. В таком случае используется электронный блок, соответствующий параметрам конкретной модели электродвигателя и способный управлять им без использования датчиков. Но такие двигатели допустимо применять, только если они стартуют без значительной нагрузки на валу, причем при старте могут наблюдаться колебания оси. В остальных случаях (электротранспорт, подъемные устройства) обязательно использование электромоторов с датчиками.

Предлагаем вашему вниманию обзор электрофэтбайков с описанием их достоинств и характерных особенностей.

Перейти в раздел электромоторы для велосипедов