Вентильные двигатели. Виды и устройство. Работа и применение

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.

Виды

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.

Вентильно-индукторный двигатель (ВИД)

Вентильно-индукторный двигатель, одна из возможных схем которого показана на рисунке, состоит из специальной четырехфазной электрической машины, электронного коммутатора на силовых транзисторных модулях и блока микроконтроллерного управления.

У индукторной машины (ИМ) магнитная индукция в каждой точке рабочего зазора изменяется только по величине, а ее направление остается постоянным. Отсюда следует, что индукция в зазоре индукторных машин имеет пульсирующий характер и содержит переменную (рабочую) и постоянную (нерабочую) составляющие. Изменение во времени магнитного потока, сцепленного с обмоткой якоря, достигается за счет периодического изменения магнитного сопротивления на пути рабочего потока при вращении зубчатого ротора. Так как число зубцов на роторе можно сделать большим, ИМ характеризуется повышенными частотами тока (f » 400…30000 Гц).

Статор и ротор электрической машины выполнены шихтованными явнополюсными, причем число полюсов статора и ротора неодинаково: 6/4, 8/6 и т.д. На статоре расположены сосредоточенные обмотки (катушки), соединенные через электронный коммутатор с источником питания постоянного тока (выпрямитель, аккумулятор).

Коммутатор состоит из группы электронных ключей, открытое или закрытое состояние которых диктуется положением пассивного явнополюсного ротора, фиксируемых специальным датчиком и сигналами микропроцессорного управления, за счет чего формируются нужные токи в обмотках.

Принцип действия привода основан на магнитном притяжении ближайшего полюса ротора к активизированному индуктору – полюсу статора с катушкой. Так, переключение тока с катушки А статора, к которой был притянут полюс a ротора, на катушку В статора (по часовой стрелке) приведет к повороту ротора, такому, что к полюсу В притянется ближайший полюс b ротора (против часовой стрелки). Повторение указанных переключений, диктуемое датчиками фактического положения ротора, приведет к непрерывному вращению с требуемой частотой.

Таким образом, электромеханическое преобразование энергии (создание момента) в таком приводе основано на принудительном изменением магнитного сопротивления R_M по угловой координате машины q за счет переключения токов в катушках статора. Изменение магнитного сопротивления обусловливает создание момента

Формирование в каждый момент времени токов нужной величины обеспечивает плавность движения при достижении требуемых моментов с малыми пульсациями. Формирование токов производится посредством широтно – импульсной модуляции, осуществляемой сигналами микропроцессорного устройства, подаваемыми на основные ключи коммутатора. Качественное функционирование привода при предельно простой машине достигается за счет совершенных ключей коммутатора и развитой системы микропроцессорного управления.

К преимуществам ВИД относятся:

· высокая технологичность и за счет этого низкая трудоемкость производства двигателя (простая конфигурация магнитной системы, отсутствие коллектора, беличьей клетки, постоянных магнитов, машинная намотка катушек);

· экономия активных материалов до 30%, использование лишь недефицитных и недорогих материалов (не используются дорогостоящие редкоземельные магниты);

· низкая себестоимость машины – в 1,7 – 2 раза ниже себестоимости самого дешевого асинхронного короткозамкнутого двигателя (по оценкам западных специалистов);

· экологическая чистота производства (отсутствует вредная для окружающей среды операция пропитки статора в целом, пропитываются лишь катушки) и утилизации (легко разделяются железо и медь, отсутствуют вредные в переработке редкоземельные магниты);

· упрощенная и более надежная по сравнению с преобразователем частоты для асинхронного электропривода схема и конструкция силового коммутатора за счет однополярной коммутации;

· широкие функциональные возможности – работа в зоне низких (десятки – сотни об/мин) или высоких (десятки тысяч об/мин) частот вращения с широким диапазоном регулирования и большими моментами в зоне низких частот;

· высокие энергетические показатели, не уступающие ближайшим аналогам;

· высокая надежность привода в целом;

По зарубежным данным некоторые показатели трех типов электроприводов для машины с высотой вала 112 мм приведены в таблице.

Тип электропривода	Номинальная мощность, кВт	Номинальная мощность к oбъему актив-ных атериалов	КПД
Постоянного тока Асинхронный Вентильно-индукторный	1,2 1,7

Совокупность свойств вентильно-индукторного привода позволяет прогнозировать наиболее перспективные области его применения в ближайшие годы:

· электрический транспорт, в частности автономный, с аккумуляторным питанием, а также городской;

· центробежные машины – вентиляторы, насосы, где ВИД может революционно изменить привычные конструктивы и режимы, дать заметный эффект в сфере энерго- и ресурсосбережения;

· станки, другие обрабатывающие машины;

Весьма интересны перспективы встраивания элементов ВИД в технологические машины – мотор-колесо, крыльчатка вентилятора, совмещенная с ротором обращенной машины и т.п.

Вентильный двигатель: конструкция, принцип работы, классификация

Постоянное совершенствование технологий и развитие точного электрооборудования приводит к созданию новых и преобразованию старых устройств. Такому совершенствованию подвергаются и электрические машины, которые неоднократно преобразовывались для получения точного позиционирования. При массовом внедрении полупроводниковых приборов появилась возможность заменить классические щетки на p-n переходы, в результате чего был создан вентильный двигатель.

Конструкция и принцип работы

Конструктивно вентильный агрегат представляет собой разновидность синхронного двигателя.

В его состав входят:

• Ротор, как правило, из магнитного материала, реагирующий на воздействие электромагнитного поля.
• Статор, включающий в себя фазы обмоток, намотанные в катушки станину и диэлектрическую прокладку.
• Измерительные датчики (чаще всего Холла), позволяющие определить положение вращения вала.
• Микропроцессорный блок, формирующий импульсы, их форму, задающие частоту вращения ротора, сравнивающий показания датчиков и подаваемого переменного тока на фазные обмотки.

Пример конструкции вентильного двигателя приведен на рисунке ниже:

Рис. 1. Конструкция вентильного двигателя

Принцип работы вентильного двигателя заключается в четком позиционировании постоянных магнитов на роторе по отношению к формируемому пику электромагнитного импульса на фазных электрических обмотках. При движении магнитов датчики воспринимают информацию об их положении в пространстве и меняют пропускную способность реактивных вентильных преобразователей, что позволяет валу вращаться дальше. Таким образом, управление вращением осуществляется без использования скользящего контакта, поэтому данная категория электрических машин относится к категории бесколлекторных электродвигателей.

Статор

Конструктивно статор мало чем отличается от классических моделей синхронных и асинхронных двигателей. Это металлический цельнолитой или наборной магнитопровод, в пазах которого укладываются фазные провода. Количество обмоток якоря определяется числом подключаемых фаз и периодичностью их чередования. Чем чаще уложены обмотки статора, тем точнее контролируется вращение вентильного электродвигателя.

Полюса статора также могут характеризоваться смещением на строго определенный угол, как и его обмотки. По количеству фаз коммутации вентильные двигатели бывают двух-, трех-, четырех- и шестифазными.

Ротор

В зависимости от конструкции ротора бесконтактные двигатели могут иметь внутрироторное и внешнероторное исполнение.

Рис. 3. Внешнероторные и внутрироторные модели

Количество пар полюсов также может отличаться, но уже без каких-либо привязок к обмоткам, как правило, этот параметр варьируется от двух до шестнадцати с парным шагом.

В более старых моделях для бесколлекторных двигателей использовались постоянные магниты из ферритовых сплавов. Которые отличались доступностью и относительно более низкой себестоимостью, но имели слишком низкие показатели индукции. Однако с постепенным развитием технологий, на смену им пришли магнитные элементы из редкоземельных металлов. Этот вариант обладает более точным позиционированием, но и стоит он дороже.

Рис. 4. Вентильный двигатель с внешним ротором

Датчик положения ротора

В синхронных электродвигателях датчик необходим для осуществления обратной связи с положением вала механического устройства. В зависимости от принципа действия могут применяться датчики:

• Фотоэлектрического принципа действия;
• Трансформаторного;
• Индуктивного;
• На эффекте Холла.

Рис. 5. Датчик положения ротора

Наиболее распространенными вариантами для практической реализации стали фотоэлектрические датчики и датчики с эффектом Холла. Они обладают большей точностью и меньше запаздывают при передаче данных в канале связи. Датчики привязываются к определенным маркерам на валу и реагируют на их прохождение.

Система управления

В состав блока управления, как правило, входит микроконтроллер и электронный ключ для подключения к двух- или трехфазным обмоткам двигателя. Микроконтроллер или микропроцессор необходим для обработки получаемых с датчиков сигналов и последующего преобразования синусоидальной коммутации в более удобную форму сигнала. Электрические преобразователи выполняется на базе полупроводниковых транзисторов, соединенных по мостовой схеме. Они производят широтно-импульсную модуляцию питающего напряжения в соответствии с заданным режимом работы.

Рис. 6. Электронный ключ вентильного двигателя

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.

Рис. 7. Четырехфазный вентильный двигатель

Технические характеристики

При выборе конкретной модели важно определить ее соответствие месту установки, поэтому важно обращать внимание на следующие характеристики вентильных двигателей:

• номинальное напряжение – определяет питающую величину, которая должна подаваться на вентильный двигатель для получения номинального усилия;
• потребляемая мощность – характеристика электродвигателя, показывающая величину мощности, расходуемую на работу устройства;
• КПД – показывает соотношение полезной работы, совершаемой вентильным двигателем к израсходованной мощности;
• мощность на валу – полезная работа электрической машины, совершаемая за счет тягового усилия;
• номинальная частота – определяет количество оборотов в минуту, которые вентильный двигатель может совершать в номинальном режиме работы;
• диапазон регулировки частоты – показывает, в каких пределах можно изменять частоту оборотов вала для конкретной модели;
• номинальный крутящий момент – определяет усилие, создаваемое на валу вентильного двигателя при оптимальных параметрах работы, также в параметрах может регламентироваться пусковой и максимальный момент;
• коэффициент нагрузки – показывает, насколько снижается эффективность электрической машины, в зависимости от подъема над уровнем моря;
• габаритные размеры и масса вентильного двигателя.

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.

Применение

Вентильные двигатели применяются во всех сферах, где требуется регулировать скорость вращения рабочего элемента. Такие синхронные приводы имеют точное позиционирование и применяются для компьютерной техники, устройств привода, винчестера, куллеров обдува и т.д.

Рис. 8. Вентильный двигатель в компьютере

Помимо этого он используется в робототехнике, строительстве спутников, летательных аппаратов. Для бытовой техники, в устройствах автомобилестроения, в медицинской сфере. Также нашел широкое применение в станочном оборудовании, горнодобывающих машинах, используется в компрессорных установках и насосных станциях.