W celu rozwiązania problemów sterowania nowoczesnymi systemami precyzyjnymi coraz częściej stosuje się silnik bezszczotkowy. Charakteryzuje się to ogromną zaletą takich urządzeń, a także aktywnym kształtowaniem możliwości obliczeniowych mikroelektroniki. Jak wiecie, mogą one zapewnić wysoką gęstość momentu obrotowego i wydajność energetyczną w porównaniu z innymi rodzajami silników.
Schemat silnika bezszczotkowego
Silnik składa się z następujących części:
1. Tył obudowy.
2. Stojan.
3. Łożysko.
4. Dysk magnetyczny (wirnik).
5. Łożysko.
6. Zwinięty stojan.7. Przód obudowy.
Bezszczotkowy silnik ma związek między wielofazowym uzwojeniem stojana i wirnika. Posiadają magnesy trwałe oraz wbudowany czujnik położenia. Przełączanie urządzenia realizowane jest za pomocą konwertera zaworów, dzięki czemu otrzymało taką nazwę.
Obwód silnika bezszczotkowego składa się z tylnej pokrywy i płytki drukowanej czujników, tulei łożyska, wału iłożysko, magnesy wirnika, pierścień izolacyjny, uzwojenie, sprężyna Belleville, przekładka, czujnik Halla, izolacja, obudowa i przewody.
W przypadku łączenia uzwojeń z "gwiazdą" urządzenie ma duże stałe momenty, więc ten montaż służy do sterowania osiami. W przypadku mocowania uzwojeń na „trójkąt” można je wykorzystać do pracy z dużymi prędkościami. Najczęściej liczbę par biegunów oblicza się na podstawie liczby magnesów wirnika, które pomagają określić stosunek obrotów elektrycznych i mechanicznych.
Stator może być wykonany z rdzeniem bez żelaza lub z żelaza. Stosując takie konstrukcje z pierwszą opcją można zapewnić, że magnesy wirnika nie będą przyciągane, ale jednocześnie sprawność silnika zostanie zmniejszona o 20% z powodu spadku wartości stałego momentu obrotowego.
Z wykresu widać, że w stojanie prąd jest generowany w uzwojeniach, a w wirniku jest wytwarzany za pomocą wysokoenergetycznych magnesów trwałych.
Symbole: - VT1-VT7 - komunikatory tranzystorowe; - A, B, C – fazy uzwojenia;
- M – moment obrotowy silnika;
- DR – czujnik położenia wirnika; - U – regulator napięcia zasilania silnika;
- S (południe), N (północ) – kierunek magnesu;
- UZ – przemiennik częstotliwości;
- BR – prędkość czujnik;
- VD – dioda Zenera;
- L to cewka indukcyjna.
Schemat silnika pokazuje, że jedną z głównych zalet wirnika, w którym zainstalowane są magnesy trwałe, jest zmniejszenie jego średnicyaw konsekwencji zmniejszenie momentu bezwładności. Takie urządzenia mogą być wbudowane w samo urządzenie lub umieszczone na jego powierzchni. Spadek tego wskaźnika bardzo często prowadzi do małych wartości bilansu momentu bezwładności samego silnika i obciążenia doprowadzonego do jego wału, co komplikuje pracę napędu. Z tego powodu producenci mogą zaoferować standardowy i 2-4 krotnie wyższy moment bezwładności.
Zasady pracy
W dzisiejszych czasach bardzo popularny staje się silnik bezszczotkowy, którego zasada działania polega na tym, że sterownik urządzenia zaczyna przełączać uzwojenia stojana. Z tego powodu wektor pola magnetycznego zawsze pozostaje przesunięty o kąt zbliżający się do 900 (-900) względem wirnika. Sterownik jest przeznaczony do sterowania prądem płynącym przez uzwojenia silnika, w tym wielkością pola magnetycznego stojana. Dzięki temu możliwe jest dostosowanie momentu, który działa na urządzenie. Wykładnik kąta między wektorami może określić kierunek obrotu, który na niego działa.
Należy wziąć pod uwagę, że mówimy o stopniach elektrycznych (są znacznie mniejsze niż geometryczne). Na przykład weźmy obliczenie silnika bezszczotkowego z wirnikiem, który ma 3 pary biegunów. Wtedy jego optymalny kąt będzie wynosił 900/3=300. Pary te zapewniają 6 faz uzwojeń przełączających, wtedy okazuje się, że wektor stojana może poruszać się skokami 600. Widać z tego, że rzeczywisty kąt między wektorami będzie z konieczności wahał się od 600 do1200 zaczynając od obrotu wirnika.
Silnik zaworu, którego zasada działania opiera się na rotacji faz przełączania, dzięki czemu przepływ wzbudzenia jest utrzymywany przez stosunkowo stały ruch twornika, po ich współdziałaniu zaczyna tworzyć wirujący za chwilę. Pędzi, aby obrócić wirnik w taki sposób, aby wszystkie przepływy wzbudzenia i twornika pokrywały się ze sobą. Ale podczas swojej tury czujnik zaczyna przełączać uzwojenia, a przepływ przechodzi do następnego kroku. W tym momencie powstały wektor przesunie się, ale pozostanie całkowicie nieruchomy względem strumienia wirnika, co ostatecznie wytworzy moment obrotowy na wale.
Korzyści
Wykorzystując w pracy silnik bezszczotkowy, możemy zauważyć jego zalety:
- możliwość wykorzystania szerokiego zakresu do modyfikacji prędkości;
- wysoka dynamika i wydajność;
- maksymalna dokładność pozycjonowania;
- niskie koszty utrzymania;
- urządzenie można przypisać do obiektów przeciwwybuchowych;
- posiada zdolność znoszenia dużych przeciążeń w momencie obrotu;
- wysoka sprawność, która przekracza 90%;
- są przesuwne styki elektroniczne, które znacznie wydłużają żywotność i żywotność;
- brak przegrzania silnika elektrycznego podczas długotrwałej pracy.
Wady
Pomimo ogromnej liczby zalet, silnik bezszczotkowy ma również wady w działaniu:
- dość skomplikowane sterowanie silnikiem;- stosunkowowysoka cena urządzenia dzięki zastosowaniu w konstrukcji wirnika, który posiada drogie magnesy trwałe.
Silnik reluktancyjny
Silnik reluktancyjny zaworu jest urządzeniem, w którym zapewniony jest przełączający opór magnetyczny. W nim konwersja energii następuje z powodu zmiany indukcyjności uzwojeń, które znajdują się na wyraźnych zębach stojana, gdy porusza się zębaty wirnik magnetyczny. Urządzenie jest zasilane z przekształtnika elektrycznego, który naprzemiennie przełącza uzwojenia silnika ściśle zgodnie z ruchem wirnika.
Przełączany silnik reluktancyjny jest złożonym, złożonym systemem, w którym współpracują ze sobą elementy o różnej naturze fizycznej. Pomyślne zaprojektowanie takich urządzeń wymaga dogłębnej znajomości budowy maszyn i konstrukcji mechanicznych, a także elektroniki, elektromechaniki i technologii mikroprocesorowej.
Nowoczesne urządzenie działa jak silnik elektryczny, działając w połączeniu z elektronicznym konwerterem, który jest wytwarzany przez zintegrowaną technologię z wykorzystaniem mikroprocesora. Pozwala na wykonywanie wysokiej jakości sterowania silnikiem z najlepszą wydajnością w przetwarzaniu energii.
Właściwości silnika
Takie urządzenia charakteryzują się wysoką dynamiką, wysoką obciążalnością i precyzyjnym pozycjonowaniem. Ponieważ nie ma ruchomych części,ich zastosowanie jest możliwe w wybuchowo agresywnym środowisku. Takie silniki nazywane są również silnikami bezszczotkowymi, ich główną zaletą w porównaniu z silnikami kolektorowymi jest prędkość, która zależy od napięcia zasilania momentu obciążenia. Kolejną ważną właściwością jest brak ścieralnych i ocierających się elementów przełączających styki, co zwiększa zasoby użytkowania urządzenia.
Silniki BLDC
Wszystkie silniki prądu stałego można nazwać bezszczotkowymi. Działają na prąd stały. Zespół szczotek służy do elektrycznego łączenia obwodów wirnika i stojana. Taka część jest najbardziej wrażliwa i raczej trudna w utrzymaniu i naprawie.
Silnik BLDC działa na tej samej zasadzie, co wszystkie urządzenia synchroniczne tego typu. Jest to układ zamknięty zawierający półprzewodnikowy konwerter mocy, czujnik położenia wirnika i koordynator.
Silniki AC AC
Te urządzenia są zasilane z sieci prądu przemiennego. Prędkość obrotowa wirnika i ruch pierwszej harmonicznej siły magnetycznej stojana całkowicie się pokrywają. Ten podtyp silników może być używany przy dużych mocach. Ta grupa obejmuje urządzenia zaworowe krokowe i reaktywne. Charakterystyczną cechą urządzeń krokowych jest dyskretne przemieszczenie kątowe wirnika podczas jego pracy. Zasilanie uzwojeń jest wykonane z elementów półprzewodnikowych. Silnik zaworu jest sterowany przezsekwencyjne przesuwanie wirnika, co powoduje przełączenie jego mocy z jednego uzwojenia na drugie. Urządzenie to można podzielić na jedno-, trzy- i wielofazowe, z których pierwsze może zawierać uzwojenie rozruchowe lub obwód przesunięcia fazowego, a także być uruchamiane ręcznie.
Zasada działania silnika synchronicznego
Silnik synchroniczny zaworu działa na zasadzie wzajemnego oddziaływania pól magnetycznych wirnika i stojana. Schematycznie pole magnetyczne podczas obrotu może być reprezentowane przez plusy tych samych magnesów, które poruszają się z prędkością pola magnetycznego stojana. Pole wirnika można również przedstawić jako magnes trwały, który obraca się synchronicznie z polem stojana. W przypadku braku zewnętrznego momentu obrotowego przykładanego do wału urządzenia, osie pokrywają się całkowicie. Działające siły przyciągania przechodzą wzdłuż całej osi biegunów i mogą się nawzajem kompensować. Kąt między nimi jest ustawiony na zero.
Jeśli moment hamowania zostanie przyłożony do wału maszyny, wirnik przesuwa się na bok z opóźnieniem. Dzięki temu siły przyciągania są podzielone na składowe, które są skierowane wzdłuż osi wskaźników dodatnich i prostopadle do osi biegunów. Jeżeli przyłożony zostanie moment zewnętrzny, który wytwarza przyspieszenie, to znaczy zaczyna działać w kierunku obrotu wału, obraz oddziaływania pól zmieni się całkowicie na przeciwny. Kierunek przemieszczenia kątowego zaczyna przekształcać się w przeciwny, a w związku z tym zmienia się kierunek sił stycznych imoment elektromagnetyczny. W tym scenariuszu silnik staje się hamulcem, a urządzenie pracuje jako generator, który zamienia energię mechaniczną dostarczoną do wału na energię elektryczną. Następnie zostaje przekierowany do sieci zasilającej stojan.
Gdy nie ma zewnętrznego, wystającego momentu biegunowego, zacznie przyjmować pozycję, w której oś biegunów pola magnetycznego stojana będzie pokrywać się z osią podłużną. To umiejscowienie będzie odpowiadać minimalnemu oporowi przepływu w stojanie.
Jeśli moment hamowania zostanie przyłożony do wału maszyny, wirnik będzie się odchylał, a pole magnetyczne stojana zostanie zdeformowane, ponieważ przepływ ma tendencję do zamykania się przy najmniejszym oporze. Aby to określić, potrzebne są linie sił, których kierunek w każdym z punktów będzie odpowiadał ruchowi siły, więc zmiana pola doprowadzi do pojawienia się interakcji stycznej.
Po rozważeniu wszystkich tych procesów w silnikach synchronicznych, możemy zidentyfikować demonstracyjną zasadę odwracalności różnych maszyn, to znaczy zdolność dowolnego urządzenia elektrycznego do zmiany kierunku przekształcanej energii na przeciwny.
Silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi
Silnik z magnesami trwałymi jest używany do poważnych zastosowań obronnych i przemysłowych, ponieważ takie urządzenie ma dużą rezerwę mocy i wydajność.
Te urządzenia są najczęściej używane w branżach, w których występuje stosunkowo niski pobór mocy imałe wymiary. Mogą mieć różne wymiary, bez ograniczeń technologicznych. Jednocześnie duże urządzenia nie są zupełnie nowe, są najczęściej produkowane przez firmy, które starają się przezwyciężyć trudności ekonomiczne, które ograniczają zasięg tych urządzeń. Mają swoje zalety, wśród których są wysoka sprawność spowodowana stratami wirnika oraz duża gęstość mocy. Do sterowania silnikami bezszczotkowymi potrzebny jest przemiennik częstotliwości.
Analiza kosztów i korzyści pokazuje, że urządzenia z magnesami trwałymi są znacznie korzystniejsze niż inne alternatywne technologie. Najczęściej wykorzystywane są w branżach o dość napiętym harmonogramie eksploatacji silników okrętowych, w przemyśle wojskowym i obronnym oraz innych jednostkach, których liczba stale rośnie.
Silnik odrzutowy
Przełączany silnik reluktancyjny działa przy użyciu dwufazowych uzwojeń, które są zainstalowane wokół diametralnie przeciwnych biegunów stojana. Zasilacz porusza się w kierunku wirnika zgodnie z biegunami. W ten sposób jego sprzeciw zostaje całkowicie zredukowany do minimum.
Ręcznie wykonany silnik prądu stałego zapewnia wysoką wydajność napędu ze zoptymalizowanym magnetyzmem do pracy w trybie cofania. Informacje o położeniu wirnika służą do sterowania fazami napięcia zasilającego, ponieważ jest to optymalne do uzyskania ciągłego i płynnego momentu obrotowego.moment obrotowy i wysoka wydajność.
Sygnały wytwarzane przez silnik odrzutowy nakładają się na nienasyconą fazę kątową indukcyjności. Minimalna rezystancja bieguna w pełni odpowiada maksymalnej indukcyjności urządzenia.
Dodatni moment można uzyskać tylko pod kątem, gdy wskaźniki są dodatnie. Przy niskich prędkościach prąd fazowy musi być koniecznie ograniczony, aby chronić elektronikę przed wysokimi woltosekundami. Mechanizm konwersji można zilustrować linią energii biernej. Sfera mocy charakteryzuje moc zamienianą na energię mechaniczną. W przypadku nagłego wyłączenia, nadmierna lub resztkowa siła powraca do stojana. Minimalne wskaźniki wpływu pola magnetycznego na działanie urządzenia są jego główną różnicą w porównaniu z podobnymi urządzeniami.
