Jak funguje motor ventilu?

Neustálé zdokonalování technologií a vývoj přesných elektrických zařízení vede ke vzniku nových a přeměně starých zařízení. Tímto vylepšením procházejí i elektrické stroje, které byly opakovaně přetvářeny k dosažení přesného polohování. S masovým zavedením polovodičových součástek bylo možné nahradit klasické kartáče pn přechody, v důsledku čehož vznikl spínací motor.

Konstrukce a princip činnosti

Konstrukčně je ventilová jednotka typem synchronního motoru.

Skládá se z:

• Rotor, obvykle vyrobený z magnetického materiálu, který reaguje na vliv elektromagnetického pole.
• Stator, který zahrnuje fáze vinutí, rám vinutý do cívek a dielektrickou rozpěrku.
• Měřící senzory (nejčastěji Hallovy senzory), což vám umožní určit polohu otáčení hřídele.
• mikroprocesorová jednotka, generování pulsů, jejich tvar, nastavení otáček rotoru, porovnávání odečtů čidel a přiváděného střídavého proudu k fázovým vinutím.

Příklad konstrukce motoru ventilu je znázorněn na obrázku níže:

Rýže. 1. Návrh motoru ventilu

Principem činnosti spínacího motoru je přesné umístění permanentních magnetů na rotoru vzhledem k generované špičce elektromagnetického impulsu na fázových elektrických vinutích. Při pohybu magnetů senzory vnímají informace o jejich poloze v prostoru a mění průchodnost měničů reaktivních ventilů, což umožňuje hřídeli dále se otáčet. Otáčení je tedy řízeno bez použití kluzného kontaktu, proto tato kategorie elektrických strojů patří do kategorie bezkomutátorových elektromotorů.

Stator

Rýže. 2. Návrh statoru střídavého motoru

Konstrukčně se stator příliš neliší od klasických modelů synchronních a asynchronních motorů. Jedná se o kovový masivní odlitý nebo naskládaný magnetický obvod, v jehož drážkách jsou uloženy fázové vodiče. Počet vinutí kotvy je určen počtem připojených fází a frekvencí jejich střídání. Čím častěji jsou statorová vinutí položena, tím přesněji je řízeno otáčení motoru ventilu.

Póly statoru mohou být také charakterizovány posunem pod přesně definovaným úhlem, stejně jako jeho vinutí. V závislosti na počtu spínacích fází mohou být spínané motory dvou-, tří-, čtyř- a šestifázové.

Rotor

V závislosti na konstrukci rotoru mohou mít bezkontaktní motory provedení uvnitř rotoru a vnějšího rotoru.

Rýže. 3. Modely s vnějším rotorem a uvnitř rotoru

Počet párů pólů se může také lišit, ale bez připojení k vinutí, tento parametr se zpravidla pohybuje od dvou do šestnácti v párových přírůstcích.

Starší modely používaly permanentní magnety vyrobené z feritových slitin pro bezkomutátorové motory. Které se vyznačovaly svou dostupností a relativně nižší cenou, ale měly příliš nízké indukční sazby. S postupným rozvojem techniky je však nahradily magnetické prvky z kovů vzácných zemin. Tato možnost má přesnější polohování, ale také stojí více.

Rýže. 4. Motor ventilátoru externího rotoru

Snímač polohy rotoru

U synchronních elektromotorů je zapotřebí snímač, který poskytuje zpětnou vazbu k poloze hřídele mechanického zařízení. V závislosti na principu činnosti lze použít senzory:

Nejběžnější možností praktické realizace jsou fotoelektrické snímače a snímače s Hallovým jevem. Mají větší přesnost a menší zpoždění při přenosu dat v komunikačním kanálu. Senzory jsou připevněny k určitým značkám na hřídeli a reagují na jejich průchod.

Řídicí systém

Řídicí jednotka zpravidla obsahuje mikrokontrolér a elektronický klíč pro připojení k vinutí dvou nebo třífázového motoru. Pro zpracování signálů přijatých ze senzorů a následné převedení sinusového spínání do pohodlnější formy signálu je zapotřebí mikrokontrolér nebo mikroprocesor. Elektrické měniče jsou založeny na polovodičových tranzistorech propojených můstkovým obvodem. Vytvářejí pulzně šířkovou modulaci napájecího napětí v souladu se zadaným provozním režimem.

Rýže. 6. Elektronický klíč motoru ventilu

Klasifikace

Podle druhu napájení se spínané elektrické stroje dělí na elektromotory stejnosměrné a střídavé.

Podle způsobu interakce magnetického pole statoru a rotoru se rozlišují synchronní, asynchronní a indukční zařízení.

Kromě toho se v závislosti na počtu zahrnutých fází dělí na:

• jednofázový – Představuji nejjednodušší variantu, která využívá minimum napájecích vedení z řídící jednotky do jejích vinutí. V některých situacích je však obtížné spustit takový spínací motor pod zatížením.
• Dvoufázový – mít dobré spojení mezi vinutím a statorem. Ale produkují poměrně silné pulzace, což může vést k negativním důsledkům v provozu.
• Třífázový – nejběžnější možnosti, které mohou zajistit hladký start a normální provoz bezkomutátorového motoru. Vyznačuje se sudým počtem vinutí a dobrými trakčními vlastnostmi. Mezi jeho jediné nevýhody patří nadměrná hlučnost při provozu.
• Čtyřfázové – vyznačuje se minimálními pulzacemi a nízkým rozběhovým momentem. Ale ve srovnání s jinými modely mají vysoké náklady, a proto se zřídka používají.

Технические характеристики

Při výběru konkrétního modelu je důležité určit jeho vhodnost pro místo instalace, proto je důležité věnovat pozornost následujícím vlastnostem bezkomutátorových motorů:

• номинальное натягане – určuje dodávané množství, které musí být dodáno do motoru ventilu, aby bylo dosaženo jmenovité síly;
• spotřeba energie – charakteristika elektromotoru, která ukazuje množství energie spotřebované k provozu zařízení;
• Účinnost – ukazuje poměr užitečné práce vykonané motorem ventilu ke spotřebě energie;
• Výkon hřídele – užitečná práce elektrického stroje vykonávaná tažnou silou;
• jmenovitá frekvence – určuje počet otáček za minutu, které může motor ventilu provést ve jmenovitém provozním režimu;
• rozsah nastavení frekvence – ukazuje, v jakých mezích lze měnit otáčky hřídele u konkrétního modelu;
• jmenovitý točivý moment – určuje sílu vznikající na hřídeli motoru ventilu při optimálních provozních parametrech, v parametrech lze regulovat i rozběhový a maximální moment;
• faktor zatížení – ukazuje, jak moc klesá účinnost elektrického stroje v závislosti na nadmořské výšce;
• celkové rozměry a hmotnost motoru ventilu.

Výhody a nevýhody

Ve srovnání s jinými typy elektrických strojů má ventilový motor řadu kvalitativních rozdílů, které mu dávají jak výhodné přednosti, tak určité nevýhody.

Mezi výhody ventilových motorů patří:

• Relativně malé množství magnetických ztrát díky absenci neustále působícího pole, jako u klasických synchronních a asynchronních elektromotorů.
• Na rozdíl od komutátorových motorů zajišťuje bezpečné otáčení i při maximální zátěži.
• Díky vestavěnému frekvenčnímu měniči poskytuje přepínání ventilového měniče široký rozsah rychlostí otáčení, které se vyznačují plynulým přechodem z jedné do druhé.
• Dobrá provozní dynamika a přesnost polohování, která může konkurovat krokovým motorům.
• Relativně vysoký stupeň spolehlivosti a dlouhá životnost bez údržby díky absenci kluzného kontaktu na rozdíl od komutátorových motorů.
• Lze použít ve výbušném prostředí, na rozdíl od stejnosměrných a střídavých elektromotorů s kartáči.

Nevýhody ventilových jednotek zahrnují jejich vysokou cenu a přítomnost dalších prvků, které komplikují následný provoz. Za podstatnou nevýhodu je považována také složitost ovládání a nastavování logiky pohybu pracovních těles třífázových bezkomutátorových motorů v souladu s měnícími se faktory výrobního procesu.

přihláška

Ventilové motory se používají ve všech oblastech, kde je potřeba regulovat rychlost otáčení pracovního prvku. Takové synchronní disky mají přesné polohování a používají se pro počítačové vybavení, pohonná zařízení, pevné disky, vzduchové chladiče atd.

Rýže. 8. Motor ventilátoru v počítači

Kromě toho se používá v robotice, konstrukci satelitů a letadel. Pro domácí spotřebiče, automobilová zařízení a lékařskou oblast. Široké uplatnění našel také v obráběcích strojích, důlních strojích a používá se v kompresorových jednotkách a čerpacích stanicích.

Domácí a lékařské přístroje, letecké modelářství, potrubní uzavírací pohony pro plynovody a ropovody – to není úplný seznam aplikací pro bezkomutátorové stejnosměrné motory (BD). Podívejme se na zařízení a princip činnosti těchto elektromechanických pohonů, abychom lépe porozuměli jejich výhodám a nevýhodám.

Obecné informace, zařízení, rozsah

Jedním z důvodů zájmu o BD je zvýšená potřeba vysokootáčkových mikromotorů s přesným polohováním. Vnitřní struktura takových pohonů je znázorněna na obrázku 2.

Rýže. 2. Zařízení střídavého motoru

Jak vidíte, konstrukce je rotor (kotva) a stator, první má permanentní magnet (nebo několik magnetů uspořádaných v určitém pořadí) a druhý je vybaven cívkami (B) pro vytvoření magnetického pole.

Je pozoruhodné, že tyto elektromagnetické mechanismy mohou být buď s vnitřní kotvou (tento typ konstrukce je vidět na obrázku 2) nebo vnější (viz obrázek 3).

Rýže. 3. Provedení s vnější kotvou (outrunner)

V souladu s tím má každý z návrhů specifický rozsah. Zařízení s vnitřní armaturou mají vysokou rychlost otáčení, proto se používají v chladicích systémech, jako elektrárny pro drony atd. Pohony externího rotoru se používají tam, kde je vyžadováno přesné polohování a tolerance točivého momentu (robotika, lékařská zařízení, CNC stroje atd.).

Střídavý motor v počítačové jednotce

Princip činnosti

Na rozdíl od jiných pohonů, např. asynchronního stroje na střídavý proud, je pro provoz DB ​​zapotřebí speciální regulátor, který zapíná vinutí tak, že vektory magnetických polí kotvy a statoru jsou vůči sobě ortogonální. jiný. To znamená, že hnací zařízení ve skutečnosti reguluje točivý moment působící na kotvu DB. Tento proces je jasně znázorněn na obrázku 4.

Provozní fáze střídavého pohonu

Jak vidíte, pro každý pohyb kotvy je nutné provést určitou komutaci ve vinutí statoru bezkomutátorového motoru. Tento princip fungování neumožňuje plynulé ovládání rotace, ale umožňuje rychle získat hybnost.

Rozdíly mezi kartáčovanými a bezkomutátorovými motory

Pohon kolektorového typu se od BD liší jak konstrukčními prvky (viz obr. 5.), tak principem činnosti.

Rýže. 5. A – kolektorový motor, B – bezkomutátorový

Pojďme se podívat na designové rozdíly. Obrázek 5 ukazuje, že rotor (1 na obr. 5) motoru kolektorového typu má na rozdíl od bezkomutátorového cívky, které mají jednoduché schéma vinutí, a na statoru jsou instalovány permanentní magnety (obvykle dva) (2 na obr. 5). Kromě toho je na hřídeli instalován kolektor, ke kterému jsou připojeny kartáče, které přivádějí napětí do vinutí kotvy.

Stručně popište princip činnosti kolektorových strojů. Při přivedení napětí na jednu z cívek dojde k jejímu vybuzení a vytvoření magnetického pole. Spolupracuje s permanentními magnety, což způsobuje rotaci kotvy a na ní umístěného kolektoru. Výsledkem je, že energie je dodávána do druhého vinutí a cyklus se opakuje.

Frekvence otáčení kotvy této konstrukce přímo závisí na intenzitě magnetického pole, které je zase přímo úměrné napětí. To znamená, že ke zvýšení nebo snížení rychlosti stačí zvýšit nebo snížit úroveň výkonu. A pro obrácení je nutné přepnout polaritu. Tento způsob ovládání nevyžaduje speciální ovladač, protože ovladač pojezdu může být vyroben na základě proměnného odporu a konvenční spínač bude fungovat jako invertor.

Konstrukční vlastnosti bezkomutátorových motorů jsme zvažovali v předchozí části. Jak si pamatujete, jejich připojení vyžaduje speciální ovladač, bez kterého prostě nebudou fungovat. Ze stejného důvodu nelze tyto motory použít jako generátor.

Za zmínku také stojí, že u některých pohonů tohoto typu jsou pro efektivnější řízení polohy rotoru sledovány pomocí Hallových senzorů. To výrazně zlepšuje vlastnosti bezkomutátorových motorů, ale vede to ke zvýšení nákladů na již tak nákladnou konstrukci.

Jak nastartovat bezkomutátorový motor?

Aby tento typ pohonu fungoval, je nutný speciální ovladač (viz obrázek 6). Bez něj je spuštění nemožné.

Rýže. 6. Střídavé regulátory motorů pro modelování

Nemá smysl sestavit takové zařízení sami, bude levnější a spolehlivější koupit hotové. Můžete jej vybrat podle následujících charakteristik obsažených v ovladačích kanálu PWM:

• Maximální přípustný proud, tato charakteristika je uvedena pro normální provoz zařízení. Poměrně často výrobci uvádějí tento parametr v názvu modelu (například Phoenix-18). V některých případech je uvedena hodnota pro špičkový režim, kterou může regulátor udržovat několik sekund.
• Maximální jmenovité napětí pro nepřetržitý provoz.
• Odpor vnitřních obvodů regulátoru.
• Přípustný počet otáček, udávaný v ot./min. Nad tuto hodnotu regulátor nedovolí zvýšit otáčky (omezení je implementováno na softwarové úrovni). Vezměte prosím na vědomí, že rychlost je vždy uvedena pro 60000-pólové pohony. Pokud je pólových párů více, vydělte hodnotu jejich počtem. Například je uvedeno číslo 6 ot./min., proto pro 60000-magnetický motor bude rychlost otáčení 3/20000=XNUMX ot./min.
• Frekvence generovaných impulsů, u většiny regulátorů se tento parametr pohybuje od 7 do 8 kHz, dražší modely umožňují přeprogramovat parametr a zvýšit jej na 16 nebo 32 kHz.

Všimněte si, že první tři charakteristiky určují kapacitu databáze.

Bezkartáčové ovládání motoru

Jak bylo uvedeno výše, komutace vinutí pohonu je řízena elektronicky. Aby řidič určil, kdy přepnout, sleduje polohu kotvy pomocí Hallových senzorů. Pokud měnič není vybaven takovými detektory, pak se bere v úvahu zpětná EMF, která se vyskytuje v nezapojených statorových cívkách. Kontrolér, který je ve skutečnosti hardwarově-softwarovým komplexem, tyto změny sleduje a nastavuje pořadí přepínání.

Třífázový bezkomutátorový DC motor

Většina databází se provádí v třífázovém provedení. Pro řízení takového pohonu má regulátor stejnosměrný na třífázový pulzní měnič (viz obr. 7).

Obrázek 7. Diagramy napětí DB

Abychom vysvětlili, jak takový bezkomutátorový motor funguje, měli bychom zvážit obrázek 7 spolu s obrázkem 4, kde jsou postupně znázorněny všechny fáze provozu pohonu. Pojďme si je zapsat:

1. Kladný impuls je aplikován na cívky „A“, zatímco záporný impuls je aplikován na „B“, v důsledku toho se kotva pohybuje. Senzory zaznamenají jeho pohyb a pošlou signál pro další sepnutí.
2. Cívka “A” se vypne a kladný impuls přejde na “C” (“B” zůstane nezměněn), poté je dán signál další sadě impulsů.
3. „C“ je kladné, „A“ záporné.
4. Funguje dvojice „B“ a „A“, které dostávají pozitivní a negativní impulsy.
5. Kladný puls je znovu aplikován na “B” a záporný puls na “C”.
6. Cívky “A” jsou zapnuty (+ je dodáváno) a záporný impuls se opakuje na “C”. Poté se cyklus opakuje.

Ve zjevné jednoduchosti řízení je mnoho obtíží. Je nutné nejen sledovat polohu kotvy, aby se vytvořila další série impulsů, ale také řídit rychlost otáčení úpravou proudu v cívkách. Kromě toho byste měli zvolit nejoptimálnější parametry pro zrychlení a zpomalení. Za zmínku také stojí, že ovladač musí být vybaven blokem, který umožňuje ovládat jeho provoz. Vzhled takového multifunkčního zařízení je vidět na obrázku 8.

Rýže. 8. Multifunkční bezkomutátorový regulátor motoru

Výhody a nevýhody

Elektrický bezkomutátorový motor má mnoho výhod, jmenovitě:

• Životnost je mnohem delší než u běžných kolektorů.
• Vysoká účinnost.
• Rychlé nastavení na maximální rychlost otáčení.
• Je výkonnější než CD.
• Absence jisker během provozu umožňuje použití pohonu v podmínkách nebezpečí požáru.
• Není potřeba žádné další chlazení.
• Jednoduchá obsluha.

Nyní se podíváme na nevýhody. Významnou nevýhodou, která omezuje použití databází, je jejich relativně vysoká cena (s přihlédnutím k ceně ovladače). Mezi nepříjemnosti patří nemožnost použití databáze bez ovladače ani pro krátkodobou aktivaci, například pro kontrolu výkonu. Oprava problému, zejména pokud je nutné převinutí.