Вентильний двигун: принцип роботи і схема

Для того щоб вирішувати завдання з контролю сучасних прецизійних систем, все частіше використовується вентильний електродвигун. Це характеризується великою перевагою таких приладів, а також активним формуванням обчислювальних можливостей мікроелектроніки. Як відомо, вони можуть забезпечити високу щільність тривалого моменту та енергоефективності в порівнянні з іншими видами двигунів.

Схема вентильного двигуна

Двигун складається з наступних деталей:

1. Задня частина корпусу.

2. Статор.

3. Підшипник.

4. Магнітний диск (ротор).

5. Підшипник.

6. Статор з обмоткою.

7. Передня частина корпусу.

У вентильного двигуна є взаємозв`язок між багатофазної обмоткою статора і ротора. У них присутні постійні магніти і вбудований датчик положення. Комутація приладу реалізовується за допомогою вентильного перетворювача, внаслідок чого він і отримав таку назву.

Схема вентильного двигуна складається з задньої кришки і друкованої плати датчиків, втулки підшипника, вала і самого підшипника, магнітів ротора, ізолюючого кільця, обмотки, трельчатой пружини, проміжної втулки, датчика Холла, ізоляції, корпуса і проводів.

У випадку з`єднання обмоток «зіркою» пристрій має великі постійні моменти, тому таку збірку застосовують для керування осями. У разі скріплення обмоток «трикутником» їх можна використовувати для роботи з великими швидкостями. Найчастіше кількість пар полюсів обчислюється чисельністю магнітів ротора, які допомагають визначити співвідношення електричних і механічних оборотів.

Статор може бути виготовлений з безжелезним або залізним сердечником. Використовуючи такі конструкції з першим варіантом, можна забезпечити відсутність тяжіння магнітів ротора, але і в цю ж мить знижується на 20% ефективність двигуна через зменшення значення постійного моменту.

Зі схеми видно, що в статорі струм утворюється в обмотках, а в роторі створюється за допомогою високоенергетичних постійних магнітів.

Умовні позначення:

- VT1-VT7 - транзисторні коммунікатори-

- A, B, C - фази обмоток-

- M - момент двигуна-

- DR - датчик положення ротора-

- U - регулятор напруги живлення двигуна-

- S (south), N (north) - напрям магніта-

- UZ - частотний преобразователь-

- BR - датчик частоти обертання-

- VD - стабілітрон-

- L - котушка індуктивності.

Схема двигуна показує, що одним з основних переваг ротора, в якому встановлені постійні магніти, є зменшення його діаметра і, як наслідок, скорочення моменту інерції. Такі пристосування можуть бути вбудованими в сам прилад або розташованими на його поверхні. Зниження цього показника дуже часто призводить до невеликих значенням балансу моменту інерції самого двигуна і приведеного до його валу навантаження, який і ускладнює роботу приводу. З цієї причини виробники можуть запропонувати стандартний і підвищений в 2-4 рази момент інерції.

Принципи роботи

На сьогоднішній день стає дуже популярним вентильний двигун, принцип роботи якого заснований на тому, що контролер пристрою починає коммутировать обмотки статора. Завдяки цьому вектор магнітного поля залишається завжди зрушеним на кут, що наближається до 900 (-900) щодо ротора. Контролер розрахований на управління струмом, який рухається через обмотки двигуна, в тому числі і величиною магнітного поля статора. Отже, можна регулювати момент, який впливає на прилад. Показник кута між векторами може визначити напрямок обертання, яке діє на нього.

Потрібно враховувати, що мова йде про електричні градусах (вони значно менше геометричних). Для прикладу наведемо розрахунок вентильного двигуна з ротором, який в собі має 3 пари полюсів. Тоді оптимальним його кутом буде 900/3 = 300. Ці пари передбачають 6 фаз обмоток комутації, тоді виходить, що вектор статора може переміщатися стрибками по 600. З цього видно, що справжній кут між векторами обов`язково буде варіюватися в межах від 600 до 1200, починаючи з обертання ротора.

Вентильний двигун, принцип роботи якого грунтується на звороті фаз комутації, через які потік збудження підтримується відносно постійним рухом якоря, після їх взаємодії починає формувати обертається момент. Він спрямовується повернути ротор таким способом, щоб всі потоки збудження і якоря збіглися воєдино. Але під час його розвороту датчик починає перемикати обмотки, і потік переміщається на наступний крок. У цей момент результуючий вектор зрушиться, але залишиться повністю нерухомим порівняно з потоком ротора, що в підсумку і створить обертаючий момент вала.

Переваги

Застосовуючи вентильний електродвигун в роботі, можна відзначити такі його достоїнства:

- можливість застосування широкого діапазону для модифікування частоти обертання;

- висока динаміка і швидкодія;

- максимальна точність позиціонування;

- невеликі витрати на технічне обслуговування;

- пристрій можна віднести до вибухозахищеним об`єктам;

- має здатність переносити великі перевантаження в момент обертання;

- високий ККД, який складає більше 90%;

- маються ковзаючі електронні контакти, які суттєво збільшують робочий ресурс і термін служби;

- при тривалій роботі немає перегріву електродвигуна.

Недоліки

Незважаючи на величезну кількість достоїнств, вентильний електродвигун також має і недоліки в експлуатації:

- досить складне управління електродвігателем-

- відносно висока ціна пристрою через застосування в його конструкції ротора, який має дорогі постійні магніти.

Вентильний індукторний двигун

Вентильно-індукторний двигун - це пристрій, в якому передбачено перемикати магнітне опір. У ньому перетворення енергії відбувається за рахунок зміни індуктивності обмоток, які розташовуються на явно виражених зубцях статора при пересуванні зубчастого магнітного ротора. Харчування пристрій отримує від електричного перетворювача, по черзі переключающего обмотки двигуна в строгості по переміщенню ротора.

Вентильно-індукторний двигун являє собою комплексну складну систему, в якій працюють спільно різноманітні по своїй фізичній природі компоненти. Для вдалого проектування таких пристроїв необхідні поглиблені знання в області конструювання машин і механіки, а також електроніки, електромеханіки та мікропроцесорної техніки.

Сучасний пристрій виступає як електродвигун, діючий спільно з електронним перетворювачем, який виготовляється за інтегральною технологією з використанням мікропроцесора. Він дозволяє здійснити якісне управління двигуном з найкращими показниками переробки енергії.

Властивості двигуна

Такі пристрої володіють високою динамікою, великою перевантажувальною здатністю і точним позиціонуванням. Завдяки тому що в них відсутні рушійні частини, їх використання можливе у вибухонебезпечній агресивному середовищі. Такі мотори також називають і безколекторними, їх основною перевагою, у порівнянні з колекторними, є швидкість, яка залежить від напруги живлення нагружающего моменту. Також ще одним немаловажним властивістю вважається відсутність стираються і тертьових елементів, які перемикають контакти, завдяки чому виростає ресурс користування апаратом.

Вентильні двигуни постійного струму

Всі двигуни постійного струму можна назвати безколекторними. Вони працюють від мережі з постійним струмом. Щітковий вузол передбачений для електричного об`єднання ланцюгів ротора і статора. Така деталь є найвразливішою і досить складною в обслуговуванні та ремонті.

Вентильний двигун постійного струму працює за тим же принципом, що і всі синхронні пристрої такого типу. Він являє собою замкнуту систему, що включає силовий напівпровідниковий перетворювач, датчик положення ротора і координатор.

Вентильні двигуни змінного струму

Такі пристрої отримують своє харчування від мереж змінного струму. Швидкість обертання ротора і руху першої гармоніки магнітної сили статора повністю збігаються. Даний підтип двигунів можна використовувати при високих потужностях. До цієї групи відносяться крокові і реактивні вентильні апарати. Відмінною особливістю крокових пристроїв є дискретне кутовий зсув ротора при його роботі. Харчування обмоток формується за допомогою напівпровідникових компонентів. Управління вентильним двигуном здійснюється при послідовному зсуві ротора, яке і створює перемикання його харчування з одних обмоток на інші. Цей пристрій можна розділити на одно-, трьох- і багатофазні, перші з яких можуть містити пускову обмотку або фазоссуваючу ланцюг, а також запускатися вручну.

Принцип роботи синхронного двигуна

Вентильний синхронний двигун працює на основі взаємодії магнітних полів ротора і статора. Схематично магнітне поле при обертанні можна зобразити плюсами цих же магнітів, які рухаються зі швидкістю магнітного поля статора. Поле ротора також можливо зобразити як постійний магніт, який робить обороти синхронно з полем статора. У разі відсутності зовнішнього крутного моменту, який прикладається до валу апарату, осі повністю збігаються. Впливають сили тяжіння проходять уздовж всієї осі полюсів і можуть компенсувати один одного. Кут між ними прирівнюється до нуля.

У разі якщо на вал машини буде впливати гальмівний момент, то ротор переміщується у бік з запізненням. Завдяки цьому сили тяжіння розбиваються на складові, які направляються уздовж осі плюсових показників і перпендикулярно до осі полюсів. Якщо буде прикладатися зовнішній момент, який створює прискорення, тобто починає діяти по напрямку обертання валу, картинка по взаємодії полів повністю зміниться на зворотну. Спрямованість кутового зміщення починає трансформуватися на протилежний, і в зв`язку з цим змінюється напрямок тангенціальних сил і вплив електромагнітного моменту. При такому розкладі двигун стає гальмівним, а апарат працює як генератор, який підводиться до валу механічну енергію перетворює в електричну. Далі вона перенаправляється в мережу, що живить статор.

Коли буде відсутній зовнішній, явнополюсний момент почне приймати положення, при якому вісь полюсів магнітного поля статора буде збігатися з поздовжньою. Це розміщення стане відповідати мінімальному опору потоку в статорі.

У разі впливу на вал машини гальмівного моменту ротор відхилиться, при цьому магнітне поле статора буде деформованим, так як потік прагне замкнутися по найменшому опору. Для його визначення необхідні силові лінії, спрямованість яких в кожній з точок буде відповідати руху дії сили, тому зміна поля призведе до появи тангенціального взаємодії.

Розглянувши всі ці процеси в синхронних двигунах, можна виявити демонстративний принцип оборотності різноманітних машин, тобто можливість будь-якого електричного апарату змінити спрямованість перетвореної енергії на протилежну.

Безколекторні двигуни з постійними магнітами

Вентильний двигун з постійними магнітами використовується для вирішення серйозних оборонних і промислових завдань, так як такий пристрій має великий запас потужності й ефективності.

Ці прилади найчастіше застосовуються в галузях, де необхідні порівняно низька споживана потужність і невеликі габарити. Вони можуть мати самі різні габарити, без технологічних обмежень. У той же час великі апарати не є абсолютно новими, їх найчастіше виробляють компанії, які прагнуть подолати економічні труднощі, що обмежують асортимент цих приладів. У них є свої переваги, серед яких можна відзначити високу ефективність через втрати в роторі і велику щільність потужності. Для керування безколекторними двигунами потрібен частотно-регульований привід.

Аналіз за витратами і результатами показує, що пристрої з постійними магнітами набагато переважніше, в порівнянні з іншими, альтернативними технологіями. Найчастіше вони використовуються для галузей промисловості з досить важким розпорядком роботи суднових двигунів, у військовій та оборонній галузі та інших підрозділах, число яких безперервно зростає.

Реактивний двигун

Вентильно-реактивний двигун працює з використанням двофазних обмоток, які встановлені навколо діаметрально протилежних полюсів статора. Подача живлення просувається до ротора відповідно до полюсами. Таким чином, його протидія повністю зводиться до мінімуму.

Вентильний двигун, своїми руками створений, забезпечує високоефективну швидкість приводу при оптимізованому магнетизм для роботи з реверсом. Інформацію про розташування ротора використовується для того, щоб керувати фазами подачі напруги, так як це є оптимальним для досягнення безперервного і плавного крутного моменту і високої ефективності.

Сигнали, які видає реактивний двигун, накладаються на кутову ненасичену фазу індуктивності. Мінімальний опір полюса повністю відповідає максимальній індуктивності пристрою.

Позитивний момент можна отримати тільки при кутах, коли показники позитивні. На невеликих швидкостях фазний струм обов`язково повинен бути обмеженим, щоб справити захист електроніки від високих вольт-секунд.

Механізм перетворення можна ілюструвати лінією реактивної енергії. Мощностную сфера характеризує собою харчування, яке перетворюється в механічну енергію. У разі його різкого відключення надлишкова або залишкова сила повертається до статора. Мінімальні показники впливу магнітного поля на продуктивність устрою є основними його відмінністю від схожих пристроїв.