Бесщелевые двигатели
Фото: Maccon
Бесколлекторные электрические двигатели с постоянными магнитами (также известные как вентильные двигатели) бывают самых разных размеров, мощностей и скоростей. Инженеры ценят их за высокий удельный вращающий момент, достигаемый с помощью редкоземельных магнитов в роторе. Однако каждое достоинство имеет свою оборотную сторону, и в данном случае это неравномерность вращающего момента в зависимости от угла поворота вала. Такую неравномерность вызывает присутствующий в статоре зубчатый сердечник из электротехнической стали. Зубцы чередуются с пазами, в которые укладываются медные провода. При взаимодействии находящихся в роторе полюсов магнитов со статорными зубцами возникают колебания, а иногда даже резкие рывки вращающего момента. Из-за них работа двигателей сопровождается излишним шумом и вибрацией, скорее изнашиваются подшипники.
Вращающий момент – основная характеристика двигателя, которая зависит как от величины тока в статорной обмотке, так и от угла поворота ротора относительно данной обмотки. Изменение вращающего момента в зависимости от угла поворота вала можно отследить в статическом режиме, подав на обмотку постоянное напряжение и вручную медленно проворачивая вал с помощью динамометрического ключа с индикатором.
для типичного вентильного двигателя
На рис. 1 показана типичная зависимость вращающего момента традиционного вентильного двигателя от поворота вала в том случае, когда работу обеспечивает синусоидальное трёхфазное напряжение. Но если двигатель питается от частотно регулируемого преобразователя напряжения, который вносит высокочастотные гармоники, колебания только увеличиваются.
Долой шатания!
Способы борьбы с колебаниями вращающего момента хорошо известны. Это применение в статоре скошенных по отношению к оси вращения пазов, наклонное расположение магнитов на роторе и компенсирующее управление токами через статорные обмотки. К сожалению, все эти способы дают скромные результаты, не позволяя полностью избавиться от неприятного эффекта, особенно на низких оборотах.
Кардинальное решение проблемы обеспечивают бесщелевые двигатели, рассчитанные на плавное вращение и точное управление моментом вращения. В таких двигателях статор имеет медные обмотки без сердечника (отсюда второе название: бессердечниковые двигатели), между которыми имеются зазоры – пустые или заполненные диэлектриком (рис. 2). Поскольку в данном случае исключается влияние неравномерности магнитной характеристики и гистерезиса сердечника, вращающий момент оказывается функцией только токов в статорных обмотках. А эти токи можно тонко регулировать в реальном времени с помощью микропроцессорных контроллеров и импульсных силовых преобразователей.
Обычно ротор имеет сердечник из электротехнической стали, к которому прикреплены постоянные магниты с чередующимися полюсами. Иногда используется сплошное кольцо, намагниченное нужным образом. Чем чаще сменяются полюса на окружности ротора, тем на меньшие обороты рассчитан двигатель, однако современные преобразователи напряжения способны работать на высоких частотах, чтобы обеспечить быстрое вращение даже многополюсных роторов.
В статоре для создания вращающегося магнитного поля обычно используются трёхфазные обмотки, равномерно размещённые вокруг ротора. Они имеют такую же форму, как и в обычных электродвигателях. Но поскольку магнитных сердечников в этих катушках нет, а следовательно, нет явления усиления магнитного потока, двигатель обладает пониженным вращающим моментом. Для компенсации этого эффекта разработчики обычно увеличивают силу постоянных магнитов и, насколько это возможно, диаметр ротора.
Сферы применения
В робототехнике и в различных промышленных сервосистемах, где на первый план выходит не удельная мощность, а точность, предпочтительны бесщелевые двигатели. Они также имеют преимущество на высоких скоростях, поскольку даже при очень быстром вращении ротора магниты не наводят токи Фуко в металлических пластинах статора.
Магниты в бесщелевых двигателях работают в зоне, далёкой от насыщения, а потому такие двигатели обычно допускают кратковременные существенные перегрузки относительно номинальной мощности. А поскольку статорные катушки без сердечника обладают пониженной индуктивностью, можно упростить конструкцию частотного преобразователя и сократить потери энергии в питающих двигатель линиях.
При том же размере корпуса бесщелевые двигатели обладают большим диаметром ротора (читай: его можно сделать массивным), откуда их преимущество в системах, где требуется высокая инерция вращения. Но всё же главное их преимущество – точность – проявляется в сервоприводах разного рода, поэтому бесщелевые двигатели становятся наилучшим выбором в системах авиационного управления (например, для поворота рулей направления и закрылков) и в медицинском оборудовании. Пониженная вибрация важна для ручных электроинструментов, сканеров, лазерных принтеров, разного вида роботов.
Приблизить по удельным мощностным характеристикам бесщелевой двигатель к двигателю традиционному помогает перепроектирование на конфигурацию с магнитным потоком, параллельным оси вращения ротора. Тем более что такая конфигурация позволяет сократить зазоры и применить сдвоенный ротор с одним статором или наоборот (рис. 3), а также наращивать мощность электромотора секциями.
Фото: Aerotech
Читайте другие наши материалы
