Современные трехфазные бесколлекторные двигатели переменного тока (такие как PMSM - синхронные двигатели с постоянными магнитами, широко используемые в электромобилях и высококачественной бытовой технике) используют трехфазную полумостовую инверторную схему. Это позволяет подавать трехфазный синусоидальный переменный ток в обмотки статора, создавая плавное вращающееся магнитное поле, которое увлекает за собой ротор с постоянными магнитами, обеспечивая синхронное, плавное и эффективное вращение.
На статоре расположены три фазные обмотки (А, В, С), симметрично распределенные в физическом пространстве под углом 120° друг к другу. Когда трехфазный переменный ток со сдвигом во времени подается в эти обмотки, генерируемые ими магнитные поля объединяются в одно вращающееся магнитное поле.
Бесколлекторные двигатели не имеют физических щеток; их коммутация полностью зависит от электронного инвертора. Схема состоит из 6 транзисторов MOSFET (ключи верхнего и нижнего плеча для каждой фазы А, В и С). Микроконтроллер (MCU) управляет последовательностью их переключения для преобразования постоянного напряжения шины в переменный трехфазный ток в обмотках.
Инвертор регулирует направление и величину токов так, что суммарное направление магнитного полюса статора быстро вращается в центре двигателя, как невидимый светофор. Ротор с постоянными магнитами (S/N) сильно притягивается и следует за магнитным полем в полной синхронизации, обеспечивая стабильную и высокоскоростную работу.
Бесколлекторные двигатели переменного тока обычно управляются трехфазным мостовым инвертором. На панели слева показано поперечное сечение двигателя и линии магнитного потока (три полюса A, B и C; красный цвет означает, что входящий ток генерирует полюс N, синий — выходящий ток генерирует полюс S). На панели справа показано состояние проводимости трехфазной инверторной схемы из 6 MOSFET. Путем переключения ключей верхнего и нижнего плеча ток втекает в одни обмотки и вытекает из других. Это заставляет синтезированное магнитное поле вращаться с шагом 60° (6-шаговый прямоугольный режим) или 30° (12-шаговый векторный полушаговый режим), увлекая за собой ротор.
Загрузка...
| Шаг | Результирующий угол | Мост Фазы A (AH / AL) | Мост Фазы B (BH / BL) | Мост Фазы C (CH / CL) | Направление тока в катушках | Магнитный полюс статора |
|---|
Фундаментальные различия между двигателями постоянного и переменного тока заключаются в типе входного питания, механизме генерации магнитного поля, системе коммутации и методах управления:
Двигатели постоянного тока (DC) питаются от постоянного источника. Регулировка скорости обычно достигается простым изменением величины напряжения постоянного тока. Двигатели переменного тока (AC) питаются от переменного тока, меняющего направление и величину. Скорость регулируется изменением частоты переменного тока (частотное регулирование).
Традиционные коллекторные двигатели постоянного тока используют медные пластины коллектора и угольные щетки для механической коммутации. Напротив, бесколлекторные двигатели переменного тока (PMSM) не имеют щеток. Они используют электронные инверторы, управляемые микроконтроллером, для переключения MOSFET и подачи непрерывного трехфазного синусоидального переменного тока на обмотки.
Это зависит от применения, но с точки зрения эффективности и пределов производительности современные трехфазные бесколлекторные двигатели переменного тока (PMSM) являются лучшим решением:
Электромобили (такие как Tesla) и бытовая техника премиум-класса широко используют PMSM. Обмотки, выделяющие тепло, размещены на статоре (что позволяет отводить тепло непосредственно через внешний корпус), а ротор состоит из высокоэффективных постоянных магнитов. Без трения щеток и искровых потерь эффективность достигает 90%–96%.
Коллекторные двигатели страдают от потерь на трение угольных щеток о вращающийся коллектор и искровых потерь при коммутации. Эта энергия теряется в виде тепла и искр. Кроме того, обмотки вращающегося ротора сильно нагреваются, а отвод тепла от них затруднен, что снижает общий КПД.
Основное отличие заключается в методе коммутации:
| Сравнение | Коллекторный двигатель (Brushed) | Бесколлекторный двигатель (Brushless) |
|---|---|---|
| Коммутация | Физический контакт и трение между щетками + коллектором для переключения тока. | Электронная коммутация с помощью инверторного моста + MCU, без какого-либо физического контакта. |
| Срок службы и обслуживание | Более короткий срок службы (обычно сотни часов). Щетки изнашиваются и требуют регулярной замены. | Чрезвычайно долгий срок службы (ограничен только подшипниками, до десятков тысяч часов), не требует обслуживания. |
| Шум и электромагнитные помехи | Высокий механический шум из-за трения. Искры вызывают сильные электромагнитные помехи. | Без искр и трения. Очень тихая работа и отличная электромагнитная совместимость (ЭМС). |
| Сложность управления и стоимость | Очень просто. Работает сразу при подключении к источнику питания. Дешево. | Требуется специальный электронный контроллер (ESC/инвертор), что удорожает систему. |