Элементы теории вентильного привода

Элементы теории вентильного привода

Определение вентильного двигателя

Обозначение в зарубежной литературе

Конструкция

Статор

Ротор

В зависимости от количества магнитов, расположенных в поперечном сечении ротора двигатель будет иметь то или иное количество полюсов.

В погружных вентильных электродвигателях используемых в нефтяной отрасли ротор содержит постоянные магниты. Как правило погружные ВД выпускаются 8-ми и 4-х полюсными.

При одной и той же частоте вращения электромагнитного поля статора, частота вращения вентильного электродвигателя с большим количеством пар полюсов будет меньше. Так, если скорость вращения 8-ми полюсного электродвигателя 1500 об/мин, то 4-х полюсный при той же частоте поля будет вращаться с частотой 3000 об/мин.

Принцип работы

Принцип работы вентильного электродвигателя

Здесь, одно из ключевых отличий вентильного (синхронного) и асинхронного двигателей.

Принцип работы асинхронного электродвигателя

Его ротор представляет собой обмотку с короткозамкнутыми витками , по виду напоминающую беличью клетку прутья которой — стержни с торцов соединенные кольцами.

Вращающееся электромагнитное поле статора наводит в роторе ЭДС, в стержнях ротора начинает течь ток, в результате чего возникает магнитное поле, которое и заставляет вращаться ротор вслед за магнитным полем, создаваемым статором. Именно то, что поле статора движется относительно ротора является условием возникновения электромагнитного поля в роторе. Если ротор заставить вращаться с той же скоростью, что и магнитное поле, создаваемое статором, то ЭДС в роторе наводится не будет! Таким образом скорость вращения ротора асинхронного двигателя всегда меньше скорости вращения поля.

Синхронный же двигатель не требует возбуждения ЭДС ротора от магнитного поля, создаваемого статором, магнитное поле здесь уже присутствует без его участия. Поэтому ротор синхронного электродвигателе вращается строго с частотой поля, создаваемого обмотками статора. Если установить частоту вращения синхронного двигателя равной 3000 об/мин, то это значит, что и магнитное поле двигателя, создаваемого обмотками статора равна 3000 об/мин. Частота вращения асинхронного двигателя в тех же условиях будет 2910 об/мин.

Система управления вентильным электродвигателем

Инвертором в данном случае называют электронную систему, осуществляющую подачу напряжения, частота которого не зависит от частоты питающего напряжения на обмотки электродвигателя.

Инвертором оснащаются не только синхронные (вентильные) электродвигатели, но асинхронные — там где требуется регулирование частоты вращения.

Существуют два основных подхода (принципа) в управлении вентильными электродвигателями:

• 1. Управления коммутацией (6-ти пульсное управление);
• 2. Векторное управление.

Управление коммутацией

И еще раз обратим ваше внимание! Не частота вращения ротора изменяется от частоты вращения поля, а поле подстраивается под частоту вращения ротора. Инвертор регулирует частоту вращения ротора изменяя ток и/или напряжение коммутируемое к обмоткам.

Определение положения ротора

Для определения положения ротора существуют различные методы:

• при помощи датчиков (например датчика Холла);
• бездатчиковый.

В погружных вентильных электродвигателях используется бездатчиковый метод определения положения ротора, т.к. применение датчиков в данном случае невозможно в силу специфики эксплуатации.

В бездатчиковом методе при вращении двигателя определение положение ротора осуществляется по значению ЭДС, наводимой в свободной фазе (к которой в данной момент не подводится питающее напряжение) обмотки статора. При движении ротора ЭДС в свободной фазе меняется и переход ее через 0 является «отметкой» положения ротора.

При таком методе управления в обмотках статора течет ток по форме близкий к трапецеидальному.

Данный способ управления характеризует простота и надежность, что позволяет управлять вентильным электродвигателем не только на коротких расстояниях, но и на длинных линиях — сотни метров и даже километры, что актуально для нефтяного погружного оборудования.

Векторное управление

Метод позволяет очень точно управлять электродвигателем. Метод наиболее ресурсоемкий в плане математических вычислений, однако развитие микропроцессорной техники позволяет компенсировать это. Применение его на коротких линиях очень эффективно, однако использование на длинных линиях ставит перед разработчиками множество преград, решение которых — нетривиальная задача.

Осевые вентиляторы 220В и 380В с внешнероторным двигателем

Осевые вентиляторы с внешнероторным двигателем используются в вентиляционных системах промышленных зданий и жилых домов, в холодильном оборудовании. В нашем ассортименте представлены модели вентиляционного оборудования с широким диапазоном мощности: от 50 до 1200 Вт. В наличии изделия различной производительности, подходящие для любых целей. В каталоге вы найдете как достаточно габаритные, так компактные модели вентиляторов.

Осевые системы вентиляции — устройства довольно удобные, надежные и простые в эксплуатации. Такое вентиляционное оборудование работает достаточно бесшумно и стоит недорого. Поэтому получило весьма широкое применение.

Используются осевые вентиляторы повсеместно: для оснащения промышленных помещений, офисов и других зданий общественного назначения, для оборудования жилых домов. Это оборудование применяют, как правило, в качестве тепловых воздушных завес и для комплектации внешних блоков кондиционеров. Также ими оснащают холодильную технику, а также специальные технологические установки.

Основные преимущества осевых вентиляторов:

• высокие объемы циркулируемого воздуха;
• высокая производительность;
• незначительные перепады давления в процессе перемещения воздушных масс.

Также изделия обладают, как правило, компактными размерами, высокой надежностью и производительностью.

В ассортименте компании «Асинхронные двигатели» богатый выбор осевых вентиляторов, оборудованных внешнероторным двигателем. Своим покупателям мы предлагаем безупречное качество по адекватной стоимости.

(Тип А) с защитной решеткой. Характеристики и ЦЕНЫ

Возможны Скидки!

(Тип В) с защитной решеткой и настенной панелью. Характеристики и ЦЕНЫ

Возможны Скидки!

(Тип С) в обечайке с фланцами. Характеристики и ЦЕНЫ

Внешнероторный двигатель что это

На протяжении всего своего существования человечество стремится создать искусственное существо по своему образу и подобию. И, хотя первые удачные попытки были предприняты уже в XXIII в., наиболее весомый вклад в развитие методов и технологий создания антропоморфных систем внесло развитие робототехники в начале XXI в. Именно в этот период созданная в XIX в. программно-аппаратная база сняла ряд конструктивных ограничений. Основными элементами конструкции антропоморфной (человекоподобной) робототехнической системы выступают электродвигатели (ЭД), которые подбираются в зависимости от решаемых ими задач [1, 3].

Благодаря изобретению ЭД произошла автоматизация многих процессов во всех сферах жизнедеятельности человека, которая позволила шагнуть на новый уровень производства, развить технические предметные области. ЭД широко применяются во всех областях жизнедеятельности, с их помощью механизируются технологические процессы, облегчается труд человека, уменьшается количество физической силы, необходимой для получения желаемого результата, жизнь в повседневных условиях становится комфортнее. Об электромоторах впервые заговорили еще в восемнадцатом веке, однако из-за совершенства технологической базы ЭД существовали только в виде чертежей. Но позднее, когда появилось производство электродвигателей, полностью изменилась и промышленность. Тяжелый ручной труд на производственных предприятиях отошел в прошлое [3,6].

В доиндустриальной истории развития ЭД выделяются следующие этапы (см. рис. 1).

I. Начальный (исследовательский) этап (1821–1834 гг.): созданы приборы для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую; в 1821 г. М.Фарадей экспериментально доказал, что электрический ток вызывает вращение проводника и магнита относительно друг друга. Опыты Фарадея показали принципиальную возможность построения ЭД.

Рис. 1. Основные вехи развития электродвигателей

II. Первый конструкторский этап: (1834–1860 гг.): созданы конструкции с вращательным движением явнополюсного якоря. В 1834 г. Б.С. Якоби создал первый в мире ЭД постоянного тока, в котором реализован принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. Спустя четыре года этот двигатель (мощностью 0,5 кВт) был испытан для приведения в движение лодки с находящимися в ней людьми. Испытания различных конструкций ЭД позволили сделать следующие важные выводы: 1) использование ЭД напрямую зависит от стоимости энергии, т.е. необходим более экономичный генератор, чем гальванические элементы; 2) ЭД должны иметь малые габариты, большую мощность и больший коэффициент полезного действия (КПД).

III. Второй конструкторский этап (1860–1887 гг.): связан с разработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом. Ярким представителем конструкций этого этапа выступает ЭД А. Пачинотти (1860 г.), состоящий из неявнополюсного якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов. Подвод тока осуществлялся роликами. Обмотка электромагнитов включалась последовательно с обмоткой якоря (т.е. электромашина имела последовательное возбуждение). Габариты двигателя были невелики, он имел практически постоянный вращающий момент.

Основные принципы работы электродвигателя были разработаны именно в приведенный промежуток времени. Тем не менее, в современном мире продолжают совершенствоваться различные элементы конструкций электродвигателей, но компании–разработчики стараются не разглашать конструктивные особенности своих ЭД, поскольку эти сведения являются коммерческой тайной.

Сегодня ЭД можно условно разделить по принципу возникновения вращающего момента на две основные большие группы: гистерезисные и магнитоэлектрические.

У двигателей первой группы вращающий момент создается вследствие гистерезиса (запаздывания) при перемагничивании ротора. Алгоритмы управления такими ЭД должны учитывать, что первоначальное состояние ротора зависит от предыдущей работы, что усложняет их разработку. Данные ЭД не получили распространения в промышленности.

Магнитоэлектрические двигатели по типу потребляемой энергии подразделяется на три большие группы: двигатели постоянного и переменного тока и универсальные двигатели, которые могут питаться обоими видами тока.

Двигатель постоянного тока – ЭД, питание которого осуществляется постоянным током; по наличию щёточно-коллекторного узла подразделяется на коллекторные и бесколлекторные двигатели.

По типу возбуждения коллекторные двигатели можно разделить на двигатели с независимым возбуждением от электромагнитов и постоянных магнитов и двигатели с самовозбуждением.

Двигатели с самовозбуждением в свою очередь делятся на двигатели с параллельным возбуждением (обмотка якоря включается параллельно обмотке возбуждения), двигатели последовательного возбуждения (обмотка якоря включается последовательно обмотке возбуждения) и двигатели смешанного возбуждения.

Бесколлекторные (вентильные) двигатели – ЭД, выполненные в виде замкнутой системы с использованием датчика положения ротора, системы управления (преобразователя координат) и силового полупроводникового преобразователя (инвертора). Принцип работы данных двигателей аналогичен принципу работы синхронных двигателей. В свою очередь, бесколлекторные ЭД делятся по конструктивному исполнению ротора на внутрироторные и внешнероторные.

Двигатель переменного тока – ЭД, питание которого осуществляется переменным током. По принципу работы эти двигатели разделяются на синхронные (ротор вращается со скоростью вращения магнитного поля в статоре) и асинхронные двигатели (поле вращается быстрее ротора). Виды синхронных ЭД представлены на рис. 2.

Рис. 2. Виды синхронных ЭД

Синхронные ЭД с обмотками возбуждения двигатели обычно используются при больших мощностях (от сотен киловатт и выше).

Асинхронный ЭД – ЭД переменного тока, в котором частота вращения ротора отличается от частоты вращающего магнитного поля, создаваемого питающим напряжением. Эти двигатели наиболее распространены в настоящее время.

По количеству фаз двигатели переменного тока подразделяются на: однофазные (запускаются вручную, или имеют пусковую обмотку или фазосдвигающую цепь), двухфазные, трёхфазные и многофазные.

Универсальный коллекторный электродвигатель – коллекторный ЭД, который может работать и на постоянном, и на переменном токе. Применяется в бытовых аппаратах, электроинструментах.

Синхронный ЭД возвратно-поступательного движения имеет подвижную часть двигателя, представляющую собой постоянные магниты, закреплённые на штоке. Через неподвижные обмотки пропускается переменный ток и постоянные магниты под действием магнитного поля, создаваемого обмотками, перемещают шток возвратно-поступательным образом.

Для того чтобы создать момент на валу двигателя, необходимо взаимодействие магнитного поля и тока. На роторе размещается обмотка, сегменты которой поочередно подключаются к выводам двигателя при помощи щеток и коллектора.

При подаче напряжения по сегментам обмотки ротора начинает протекать ток. Взаимодействие с магнитным полем постоянного магнита расположенного на статоре, приводит к возникновению момента, приложенного к валу двигателя. Под действием этого процесса постоянные магниты перемещают шток.

В основе работы бесколлекторного двигателя лежит синхронный принцип действия (синхронное изменение ЭДС и скорости). Ротор (вращающаяся часть) – это постоянный магнит, закрепленный на двухконцевом вале. Статор (неподвижная часть) включает корпус, изготовленный из стали или алюминия, и обмотку двигателя (три фазы с тремя обмотками, объединенными либо в «звезду», либо в «треугольник»). Когда к обмоткам приложено напряжение, сдвинутое друг относительно друга на 120 градусов, в статоре генерируется вращающееся поле. В связи с тем, что ротор является активным элементом, магнит всегда стремится занять своё положение по линии магнитного поля. Таким образом, переключая линии магнитного поля, получим вращение ротора. На вале двигателя стоит датчик положения ротора (датчик Холла), с ним по принципу обратной связи соединён коммутатор (любой контроллер или сервоусилитель), управляющий ключами силового каскада усиления мощности (транзисторами MOSFET), к которым подключены обмотки двигателя. В зависимости от угла поворота коммутатор переключает транзисторы. Так происходит последовательное переключение обмоток, дающее вращение ротора двигателя. Коммутатор и датчик Холла – это аналог щеточно-коллекторного узла DC-мотора.

Рис. 3. Устройство бесколлекторного ЭД

Достоинства бесколлекторного двигателя в сравнении с коллекторным исполнением:

• высокая надежность работы (нет щеточно-коллекторного узла, следовательно, нет искрения и выработки щеток на больших скоростях вращения);

• меньшее трение дает линейность регулировочной характеристики и меньший уровень электромагнитного шума;

• применение в конструкции мотора балансировочных колец, которые обеспечивают стабильность работы при больших скоростях вращения (до 40’000 мин-1).

Недостатки бесколлекторного двигателя:

• на очень низких скоростях вращения могут появляться пульсации, вызванные дискретным переключением обмоток двигателя;

• для обеспечения большей точности и плавности работы при управлении на очень высоких скоростях нужно применять энкодер с высокой разрешающей способностью, который сможет дополнительно производить около 2000 измерений;

• большее количество проводов от мотора: всего 8 (3 – обмотки мотора, 3 – ДПР (датчик Холла), 1 – заземление, 1 – питание ДПР);

• для электронного переключения обмоток ротора необходим блок управления.

Основные преимущества электронно-коммутируемых (бесконтактных) электродвигателей постоянного тока:

• минимальные тепловые потери;

• невысокий уровень электромагнитного поля;

• надежность эксплуатации, в том числе на высоких скоростях;

• возможность эффективного управления скоростью вращения двигателя;

• незначительный вес и малые габариты.

Обычно серводвигатели представляют собой трехполюсные коллекторные двигатели, в которых ротор с обмотками вращается внутри магнитов, однако по сути это коллекторный ЭД с независимым возбуждением от электромагнитов, правда, в робототехнике он отличается небольшими габаритами, и обычно, малой мощностью. Свое название сервоприводы получили от aнгл. «to serve» – служить. Его основными характеристиками выступают динамика двигателя, равномерность движения, энергоэффективность. Сервоприводы с мотором, предназначенные для приведения в движение устройств управления через поворот выходного вала, применяются для открытия и закрытия клапанов, в переключателях.

На сегодняшний день наиболее распространенными типами электродвигателей в антропоморфных роботизированных системах являются коллекторные и бесколлекторные двигатели постоянного тока, а именно:

• коллекторные двигатели с независимым возбуждением от электромагнитов – используются в антропоморфных роботах в средних и крупных узлах, несущих довольно большой вес, таких как подъем и сгибатели верхних педипуляторов (плечи и предплечья);

• коллекторные двигатели с независимым возбуждением от постоянных магнитов – находят применение в средних узлах, но уже не обязательно несущих такой большой вес, это могут быть предплечья, кисти или поворот руки, к ним относятся и серводвигатели;

• серводвигатели широко применяются в малых узлах, таких как шея, пальцы и кисти робота;

• бесколлекторные внутрироторные двигатели применяются в крупных узлах, со средней нагрузкой, это может быть поворот и вращение плеча, поворот ноги в тазе и т. п.;

• бесколлекторные внешнероторные используются в крупных узлах, несущих основной вес роботизированной системы, таких как стопы, колени и таз. Момент в таких местах, в зависимости от конструкции, может достигать 70 ньютонов на квадратный метр.

В России производство электродвигателей сосредоточено в основном на крупных промышленных электродвигателях переменного тока, применить которые в создании антропоморфного робота размером с человека невозможно. Малогабаритные ЭД с большим стартовым моментом можно найти только у зарубежных производителей. Так, например, магнитогорская «Андроидная техника» в узлах антропоморфных роботов применяла ЭД производства австрийской компании Maxon Motor, которая имеет широкую сеть дистрибьюторов по всему миру. [2, 4, 5] Такие ЭД высокоэффективны, обладают небольшими габаритами и легкодоступны, несмотря на достаточно высокую цену. Кроме этого компания предлагает готовые комплекты, включающие совместимые ЭД, редуктор и энкодер.

Альтернативой продукции Maxon выступают немецкие ЭД Robodrive, в которых реализован принцип «узел и есть двигатель» – двигатель вклеивается в корпус робот, без различных механизмов передачи, таких как вал, ремень и т. п., что позволяет существенно экономить пространство и освободить дополнительное место для свободного хода узла.

Таким образом, основной проблемой применения ЭД в робототехнике является отсутствие их производства в России – все применяемые модели принадлежат заграничным производителям, таким, как австрийская Maxon Motor или немецкая RoboDrive. Даже простые по своему устройству серводвигатели в основном производятся в Китае, в России их производство также отсутствует. Создание линии производства малогабаритных и высокопроизводительных электродвигателей, как коллекторных, так и бесколлекторных существенно упростило бы жизнь российским компаниям, занимающимся робототехникой.

Превосходство бесщёточных двигателей

Превосходство бесщёточных двигателей

Бесщёточные двигатели постоянного тока имеют множество преимуществ. Прежде всего, в них меньше изнашивающихся или ломающихся деталей, чем в двигателе с щетками. Поэтому он надёжнее, дешевле в обслуживании и требуют меньше или вовсе не требуют технического обслуживания.

Устройство практически не нагревается, что увеличивает его производительность. Бесщёточные моторы обладают КПД до 90%, щеточные — до 70%, а бензиновые — порядка 15% (остальная энергия тратится на нагрев). Нет трения — нет потери мощности, которая сопоставима с мощностью бензинового двигателя. Трение отсутствует, температурных перепадов мало — практически полное отсутствие износа продлевает жизнь мотора. Это снижает стоимость обслуживания и увеличивает срок жизни инструмента.

Бесщеточные моторы работают очень тихо. Использовать такую технику комфортно, а соседям при этом спокойно. Высокоэффективное использование энергии позволяет устройству дольше работать от аккумулятора, чем его аналогу со щеточным двигателем. Реже требуется зарядка, что сэкономит вам время и электроэнергию.

Преимущества бесщёточного двигателя:

• Бесщёточный двигатель может в считанные секунды развить максимальную скорость оборотов за счёт своего строения.
• В работе не подвержен перегреву, а даже наоборот — остаётся достаточно холодным.
• Невысокая температура гарантирует длительность работы подшипника вентилятора.
• Главным преимуществом является, что у бесщёточных двигателей отсутствует искрообразование. Это позволяет использовать его в работе с летучими химическими составами, пылью, грязью и водой.
• Большим и главным плюсом является бесшумная работа двигателя. Поэтому его стараются использовать в разных устройствах.
• Отсутствие щеточно-коллекторного узла продлевает срок службы устройства.

БОЛЬШОЙ КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ

Бесщёточный двигатель не требует или почти не требует техобслуживания

Нет выхлопных газов, нет токсичных выбросов

Без щёток — меньше трения, двигатель вращается быстрее

Нет щёток — значит нет трения, т.е. двигатель меньше нагревается, что увеличивает производительность

Благодаря отсутствию трения скорость и крутящий момент ещё больше

Бесщёточные двигатели более компакты

Наши специалисты ответят на любой интересующий вопрос