Бесколлекторный двигатель

Бесколлекторные двигатели нашли наиширочайщее свое применение при производстве и сборке беспилотной техники коптерного типа. В промышленности и на производстве. В системах переработки энергии, в производстве электричества, в авиастроении, а также в нефтегазовой сфере. Это системы трехфазного тока, которые позволяют постоянный ток  и электромагнитную энергию, в механический крутящийся момент. Что ведет к вращению роторной части механизма, а также уменьшает износ обмотки, и всей системы в целом.  Регулирование скорости вращения бесколлекторного двигателя происходит за счет контроллеров и датчиков, измеряющих скорость вращения устройства.

Бесколлекторный двигатель

Точное определение технического понятия, следующее. Электрический двигатель постоянного тока, обмотки которого, расположенные на статоре, легко переключаются с помощью коммутатора, принято называть бесколлекторным. Коммутатор БД состоит из 6 транзисторов, подающих ток в обмотки.  При этом транзисторы зависят от положения ротора, который имеет также другие обозначения – инвертор, драйвер.

Механические приводы БД делятся на 2 основных типа:

1. Inrunners (ротор внутри). Применяются для создания больших оборотов вращения, при низком крутящем моменте,
2. Outrunners (ротор снаружи). Требуются для получения большой мощности при низких оборотах, но с высоким крутящим моментом.

В первом случае, роторные магниты расположены на внутренней стороне статора. Во втором – магниты устанавливают вне статора таким образом, чтобы они обеспечивали вращение вокруг него. Провода направляют к нему, а мотор закрепляют на статорных деталях или неподвижной оси.

Простота конструкции двигателя характеризуется следующими особенностями:

• В роторной системе устанавливают магниты, которые и создают небольшое магнитное поле, которое из за разности полюсов, заставляет вращаться роторную часть системы.
• В фиксированной части, в статоре, устанавливаются обмотки.
• Как правило, обмотки  катушек, на вращающейся части изолированы для того, чтобы ток проходил по всей длине проволоки, в противном случае, при отсутствии изоляции, ток будет идти по самому короткому пути, не проходя через всю длину проволоки.
• Каждый набор катушек подключен к отдельной фазе, на задней части статора наборы катушек также соединены друг с другом, и на задней части статора ставится регулятор скорости. 

Такие бесколлекторные двигатели являются одной из популярных разновидностей систем, работающих за счет магнитов, на которые подается ток и напряжение, посредством инвентора.

Магниты имеют разное количество полюсов. При этом управление мотором происходит через контроллер, регулирующий подачу напряжения и токов, создающих крутящий момент и нужную скорость.

В чем суть работы бесколлекторного двигателя? 

• За счет подачи постоянного тока, создается стабильное магнитное поле.
• Вращение поля статора является определяющим для функционирования ротора и осуществляется коммутацией обмоток.
• Мотором управляет роторная часть, которая в свою очередь управляется контроллером и микросхемами, регулирующими количество подаваемого тока и его мощность на электромагниты и катушку.

Важное значение производства БДПТ – растущая потребность промышленности в высокооборотных микродвигателях. Когда на одну из обмоток (катушек) подается напряжение, она создает электромагнитное поле, вращающее ротор. Одновременно питание затрагивает и вторую обмотку, в результате чего цикл постоянно повторяется, а контроллер отслеживает положение ротора.

Плюсы бесколлекторных двигателей:

1. Высокий уровень КПД – до 93%.
2. Большая мощность, в сравнении с коллекторным двигателем.
3. Долгий срок службы.
4. Моментальный набор нужной скорости для вращения.
5. Отсутствие образования искр.
6. Безопасность – не создает пожароопасную ситуацию.
7. Дополнительного охлаждения не требуется.
8. Простота управления.

Минусов у БД не много – это высокая цена, с учетом стоимости драйвера, а также обращение за ремонтом к профильному специалисту, так как самостоятельно выполнить техническое обслуживание мотора, при отсутствии навыков – проблематично.

Трехфазный БДПТ может быть и четырехпроводным. Последний, четвертый провод идет от средней точки, а сами обмотки соединяются друг с другом в форме звезды.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока

Важный нюанс работы БДПТ: запуск и работа приводов без специальных контроллеров становится невозможной. Подбирают двигатель по определенным характеристикам, которые требуются для драйверов ШИМ (широтно-импульсной модуляции):

• Допустимая сила тока по максимуму, указываемая в техническом паспорте и самом названии (пример – Phoenix 18).
• Установленный предел оборотов (rpm), разделенный на количество полюсов.
• Частота генерируемых импульсов, от 16 до 32 кГц.
• Наличие преобразователя постоянного напряжения.
• Постоянная связь с управляющим блоком.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока применяют для: привода мелких механизмов (дисководов CD и DVD, жестких дисков), мощных устройств (электросетевой инструмент, аккумуляторы), квадрокоптеров, станков ЧПУ, электротранспорта (самокатов, велосипедов, авто нового поколения) и т.д.

Схема бесколлекторного двигателя

Подключение БД требует наличия контроллера. В технике он носит название ESC Motor. Показатели его эффективности – указание силы тока, при котором он будет работать.

Схема бесколлекторного двигателя касается таких моментов:

• Работа ESC обеспечивается источником питания (адаптером, батарейкой), с показателями напряжения – 12V + силой тока, не меньше 5А.
• 3 фазы медной обмотки соединяют с тремя выходными проводами контроллера.
• Если провода отсутствуют, их припаивают.
• Транзисторы подают и отключают ток на катушки. Ток подается импульсами, соответственно, чем чаще будет включение и отключение транзисторов, тем быстрее будет происходить смена полюсов у магнитов, и тем быстрее будет вращаться коллекторный двигатель и лопасти или пропеллеры, к нему прикрепленные.

Порядок подключения ESC к выходным проводам – произвольный. Схема БДПТ, после запуска, будет самостоятельно контролировать напряжение, поэтому ее можно подключать, например, к контактам программной платы Arduino.

Ротор бесколлекторного двигателя

В двигателе ротор прямо связан с ведущим валом, а в рабочих машинах – с приводным механизмом. Важный элемент БД представляет собой вращающуюся часть, которая получает энергию от источника питания, либо самостоятельно образует ее.

Внешне ротор имеет вид барабанов, колес или дисков, которыми легко управлять автоматически. Выглядит он, как тело определенных размеров с пазами, в которых размещается обмотка. Изготавливают ротор из листов электротехнической стали. В авиации он служит несущим винтом вертолетов и БПЛА.

Бесколлекторный мотор, виды

Обмотка в БДПТ имеет разные конструкции. Один из вариантов – намотка медных проводов на стальной сердечник, второй вариант – без него, но с распределением проводников вдоль окружности статора, третий – разное взаимное расположение ротора и статора.

Из-за наличия различных вариантов обмотки могут различаться и характеристики двигателя. Здесь имеет значение разное количество фаз и полюсов.

Виды БДПТ на постоянных магнитах классифицируются по:

• конструкционным особенностям;
• форме противо-ЭДС (электродвижущей силе);
• наличию роторных датчиков.

По конструкции бесколлекторные двигатели бывают:

• С внутренним ротором.
• Внешним ротором.

Два основных типа противо-ЭДС, образующихся в обмотках:

• Трапецеидальная BLDC.
• Синусоидальная PMSM.

По наличию датчиков и месту их расположения:

• Ротор.
• Обмотки.

Независимо от вида, работает БДПТ на максимальных: мощности, силе тока, рабочем напряжении. Любое устройство функционирует, с учетом угла опережения фазы – времени, спустя которое ток в обмотках достигает своего максимума.

Купить бесколлекторный мотор можно на разных площадках. Его средняя цена по регионам РФ составляет – 2 200 руб.

Как запустить бесколлекторный двигатель?

Выполнение первоначального подключения бесколлекторного мотора лучше всего доверить профессионалам. В дальнейшем запуск бесколлекторного двигателя можно будет выполнять самостоятельно.

Работа БДПТ считается невозможной без контроллера. Этот важный конструкционный элемент управления позволяет запустить движок таким образом, что векторы статора и ротора по отношению друг к другу располагаются в перпендикулярной плоскости. С помощью контроллера можно регулировать вращающий момент, а, следовательно, и мощность мотора.

Здесь важен нюанс – ротор не будет двигаться без коммутации (питания) в обмотках статора. Поэтому и выполняется его подключение к источнику постоянного тока. Проверка БДПТ осуществляется мультиметром в прозванивающем режиме, амперметром, омметром, вольтметром.

Нет смысла собирать бесколлекторный двигатель самому, так как выпущенные заводские модели выполнены по установленным стандартам, и имеют подробное описание технических характеристик: максимального напряжения, возможного предела силы тока, числа оборотов в минуту, сопротивления внутренних цепей, возможности реверсирования.

Управление бесколлекторным двигателем

Для выполнения основных функций требуется соблюдение принципов управления бесколлекторным мотором, основанных на применении электроники и регуляторов, разделяющихся по видам:

1. Не требующего использования датчиков. Их использование уместно там, где не происходит изменение пускового момента или требуется менять позиции приводов.
2. Работающих с датчиками. Их устанавливают в движки систем с небольшими показателями частоты, для которых имеет значение пусковой момент.

Датчики помогают электронной системе управления определить положение ротора в момент подачи питания на обмотки. Из датчиков для БДПТ используют ряд популярных устройств. К ним относят:

• Датчик с микроконтроллером, внутри которого есть чип с AVR ядром, реагирующим на команды и регулирующим скорость оборотов двигателя.
• Аппаратно-вычислительную систему Arduino, на плате которой присутствует микроконтроллер, обозначенный ПО, как Atmel AVR. Управлять с помощью Arduino удобно, так как ее работа связана с преобразованием одного сигнала в другой через обычные способы настройки, а также USB.
• Датчик Холла требуется, чтобы следить за положением ротора в электроградусах, функционирующего в нескольких положениях магнитного поля. Магниты на обмотках используются при этом как основные действующие элементы.
• Servo – библиотека от Arduino, относится к сигналам с минимальным и максимальным значением, у которого есть значительные диапазоны настроек работы двигателя.

Любые из перечисленных видов датчиков имеют целью векторное управление БД. Регулировать работу приводов можно также через амплитуду электротоков, которую разрешено увеличивать либо уменьшать.

Управление с помощью сигнала обратной ЭДС можно выполнять анализом сигнала на свободных фазах двигателя. При подключении к питанию фаз «+» или «-», одна из них всегда свободна. При вращении в магнитном поле напряжение в свободной фазе будет изменяться.

Сопоставляя сигнал управления с фазами, можно регулировать моменты перехода одного уровня мощности мотора на другой. Обработку сигналов отфильтровывают RC-фильтром. Настройка сигналов осуществляется предусмотренным пультом управления и кнопками вкл./выкл.

Регулятор скорости бесколлекторного двигателя

Данный конструкционный элемент принято также называть в технике регулятором частоты оборотов двигателя. Он представляет собой устройство, меняющее вращение вала, и способное под управлением и настройками корректировать частоту работы БДПТ. Регулировать скорость необходимо для эффективного управления пусковыми токами – например, если они будут высокими, то понижать их.

Регулятор бесколлекторного двигателя используют для оборудования в разных отраслях промышленности и быту для:

• деревообрабатывающих станков;
• нефтеперерабатывающих приборов;
• климатических устройств;
• металлообрабатывающего инструмента;
• кухонных комбайнов;
• ПК;
• стиральных и сушильных машин;
• лифтов.

На практике, регулятор БД предотвращает перегрузы, снижает потребление электроэнергии и увеличивает продолжительность эксплуатации двигателя. При его выборе имеет значение совместимость с конкретным мотором. Есть у него также и дополнительные функции: охлаждения, всасывания воздуха.

Коллекторный и бесколлекторный двигатель

КД (коллекторный двигатель) имеет статор, как и БД, и представлен следующими конструкционными элементами:

• Ротор (якорь). Имеет вид металлического вала.
• Коммутатор (коллектор). Представляет соединенные между собой медные контакты, при вращении аккумулирующие энергию, создаваемую щетками, которую он направляет в обмотки.
• Подшипники. Сделаны на разных концах якоря для его равномерного вращения.
• Графитовые щетки. Передают напряжение через коллектор в обмотки.
• Металлический пластинчатый сердечник статора. Оснащен постоянными магнитами или катушкой возбуждения, зависящей от источника напряжения.
• Обмотки. Места их расположения – ротор и статор в разных полюсах.

В КД элементы приводятся в действие механически, а в БД – только через электронику. У обоих двигателей есть различия в расположении обмоток, а также в конструкционных особенностях. Бесколлекторные двигатели способны выполнить гораздо большую нагрузку, чем коллекторные, при этом обмотка у первых расположена на статоре, а у КД – на роторе.

Подключение бесколлекторного двигателя

Данный процесс происходит через электронную систему управления. Прибор, для которого он применяется, имеет панель, кнопки вкл./выкл. и контроллер. Именно при помощи последнего происходит подключение бесколлекторного двигателя.

Контроллер преобразует напряжение постоянного тока от источника питания (аккумулятор, электросеть) в череду последовательных импульсов, поочередно подаваемых в одном направлении к фазам (обмоткам) БД. Электронное подключение позволяет бесколлекторному двигателю:

1. Управлять скоростью вращения двигателя на основе сигналов ШИМ.
2. Создавать непрерывную цепь для схемы работы устройства.
3. Регулироваться и подчиняться командам встроенного в главном корпусе прибора ПО.

После того, как схема будет соединена, выполняется подключение к загруженной программе в плату (например, Arduino), и подается питание на контроллер. Образующееся электромагнитное поле и напряжение в цепи запускает двигатель, мощность и обороты которого контролируются панелью управления.

Применять БДПТ, благодаря его высокому КПД, можно для БПЛА, робототехнических комплексов, ПК, медицинской техники, стабилизированных оптических систем, автономных аппаратов, промышленного и лабораторного оборудования. В конструкции двигателя отсутствует щеточный узел, создающий трение с ротором и искрящий, как в коллекторном, механическом, поэтому БД практически не изнашивается.

Трехфазный бесколлекторный электродвигатель постоянного тока

БДПТ имеет 3 фазы (обмотки), которые представляют собой катушки медного провода, укладывающегося в углубления (зубы) сердечника статора. Количество зубцов в моторе может различаться у разных приборов, в зависимости от их назначения. Поэтому встречаются разные варианты распределения обмоток для фаз.

В трехфазном бесколлекторном двигателе обмотки соединены параллельно или последовательно, их функции зависят от требований к мощности приводов. Схема соединенных обмоток при этом имеет форму треугольника или звезды.

Для бесперебойной работы БДПТ помогают установленные датчики положения ротора (например, Холла). Они подают сигнал контроллеру, как только на них будет действовать магнитное поле, а уже следом запустится мотор. Датчиков требуется не менее трех. От них проводят провода для питания и передачи сигнала.

Для возбуждения сигнала магниты, устанавливаемые на роторе, нужны постоянного плана, так как они чередуют полюса, образуя функциональные пары. От количества полюсов зависит число оборотов мотора за минуту.

Бесколлекторный двигатель для квадрокоптера

Востребованность БПЛА для поисково-спасательной, военной и ряда гражданских отраслей послужила фактором популярности и для БД. Моторы бесколлекторного типа постоянного тока нужны для летного механизма беспилотников. Дроны имеют лопасти – 2, 4, 6, 8 и т.д. БДПТ для беспилотников способны:

• Создавать крутящий момент, благодаря которому происходит отрыв летающего средства от поверхности земли.
• Регулировать уровень вибраций во время работы дрона –это важно, например, для неподвижного зависания.
• Работать бесперебойно, без необходимости в создании сцепления.

В БПЛА БД доступны в формате OutRunner. Мотор имеет компактные размеры и малый вес, и способен давать аппарату хорошую мощность. При этом несущие способности беспилотника увеличиваются, он может нести не только собственную массу, но и дополнительный груз.

Обзор бесколлекторных двигателей с Аrduino

Понятие обзора БДПТ подразумевает качественную работу схемы через контроллер, от программы Аrduino. У трехфазных моторов, запускаемых с данной программой, регуляция напряжения, скорости и мощности происходит через электронное управление и ПО.

Образуемые под управлением, последовательные импульсы заряжают катушки внутри двигателя. В результате, происходит выравнивание магнитов в отношении этих запитанных катушек. ESC-контроллер подает питание на фазы, и процесс перемены проводов в схеме продолжается непрерывно –БД оказывается в постоянном движении.

Скорость вращения двигателя с Аrduino зависит от быстроты подачи энергии на катушку двигателя, а направление вращения – от поочередного порядка замены запитанных фаз. Подключение к плате Arduino чаще всего присуще для двигателей типа OutRunner (магниты расположены снаружи ротора и вращаются вокруг неподвижного статора с обмотками).

Популярные БД от производителей

Лучшие бесколлекторные моторы в РФ можно купить от южнокорейских, китайских и японских производителей. Встречаются также европейские и американские модели. С 2019 г. БДТП производит АО ПК НПО «Андроидная техника». Особенно хорошо отечественные двигатели зарекомендовали себя в автомобилестроении, кораблестроении и нефтегазовой промышленности (для запорных устройств).

На данный момент ТОП-5 БД от производителей составляют:

1. Crazepony EMAX RS2205 2300KV. Высококачественный бесщеточный двигатель с высоким уровнем производительности. Подходит для гражданских квадрокоптеров, радиоуправляемых вертолетов, военных дронов. Бренд выпускает БД с проводом 20 AWG и входным напряжением – до 16,8 В. У него хорошая скорость разгона, и присутствует механизм быстрого охлаждения.

2. HOBBYSKY 2300KV 2204. Линейка данных двигателей специально разработана для квадрокоптеров, и имеет 440G максимальной тяги. Работа БД обеспечивает беспилотникам хорошие летные характеристики, и прямо влияет на продолжительность полета.

3. Двигатель имеет отличные функции – он работает для встроенных систем: охлаждения, всасывания атмосферного воздуха, использования высокоскоростных подшипников. Бренд обеспечил БД дополнительны слоем защиты – термостойкой магнитной сталью. Плюс устройства – отсутствие перегрузки и высокий крутящий момент. 95% функций БДПТ способны работать без радиаторов.

4. DLFPV (DL2205 2300KV). Бесколлекторный двигатель разработан для эксплуатации в гоночных самолетах, приемниках, передатчиках, мониторах, камерах, квадрокоптерах. Бесщеточный мотор имеет оснащение подшипниками, системой быстрого охлаждения + всасывания воздушных масс, держателем винта. Он имеет небольшой вес – 28 г, при этом обеспечивает большую длительность полета БПЛА или работы бытовых приборов.

5. Hobbymate FPV. Двигатель имеет высокую производительность и надежность. На практике, он не создает помех для других функций прибора, для которого задуман, работает от 5В, имеет медную обмотку, систему всасывания воздуха, поддерживает сверхскоростное управление, способен работать при разном уровне напряжения и окружающих температурных условий.

Перечисленные модели защищены от низкого напряжения и перегревов. Пропеллеры для них – 5-6 дюймов, внутри у большинства присутствует N-канальный МОП-транзистор.

Оставьте комментарий, примите участие в опросе.

Знаете больше информации о системах радиосвязи и их применении? Поделитесь с нашими читателями в комментариях. 

Больше информации о беспилотниках и дронах: