Сучасні популярні трифазні безколекторні двигуни змінного струму (такі як PMSM - синхронні двигуни з постійними магнітами, які широко використовуються в електромобілях і високоякісній побутовій техніці) використовують трифазну напівмостову схему інвертора для подачі трифазного змінного синусоїдального струму в обмотки статора. Це створює магнітне поле, яке плавно обертається і захоплює за собою ротор з постійними магнітами у плавне, високоефективне та синхронне обертання.
Статор має трифазні обмотки (A, B, C), симетрично розподілені в фізичному просторі під кутом 120° одна від одної. Коли трифазні змінні струми зі зміщенням фаз подаються в ці просторово розділені обмотки, магнітні поля, які вони генерують, об'єднуються в єдине обертове магнітне поле!
Безколекторні двигуни не мають фізичних щіток; їх комутація повністю покладається на електронний інвертор. Схема складається з 6 MOSFET (ключі верхнього та нижнього плечей для кожної фази A, B і C). Мікроконтролер (MCU) керує послідовністю їх перемикання для перетворення напруги шини постійного струму на змінний трифазний струм, що протікає через обмотки.
Інвертор контролює напрямок і величину струмів так, щоб результуючий напрямок магнітного полюса статора швидко обертався в центрі двигуна, як невидимий «світлофор». Ротор з постійними магнітами (S/N) сильно притягується і слідує за магнітним полем у повній синхронізації, забезпечуючи високошвидкісну та плавну роботу.
Безколекторні двигуни змінного струму зазвичай керуються трифазним повномостовим інвертором. Ліва панель відображає поперечний переріз двигуна та лінії магнітного потоку (три полюси A, B і C; червоний колір вказує на вхідний струм, що створює полюс N, синій вказує на вихідний струм, що створює полюс S). Права панель показує стан провідності схеми трифазного інверторного моста на 6 транзисторах MOSFET. Шляхом перемикання ключів верхнього та нижнього плечей струм протікає в одні обмотки та витікає з інших. Це змушує результуюче магнітне поле обертатися кроками по 60° (6-кроковий режим прямокутної хвилі) або 30° (12-кроковий векторний напівкроковий режим), примушуючи ротор швидко обертатися.
Завантаження...
| Крок | Результуючий кут | Міст фази A (AH / AL) | Міст фази B (BH / BL) | Міст фази C (CH / CL) | Струм котушки | Магнітний полюс статора |
|---|
Основні відмінності між двигунами постійного струму (DC) та змінного струму (AC) полягають у типі вхідного живлення, механізмі генерації магнітного поля, системі комутації та методах керування:
Двигуни постійного струму живляться постійним струмом (DC). Регулювання швидкості зазвичай досягається шляхом зміни напруги постійного струму, що вимагає простої схеми керування. Двигуни змінного струму живляться змінним струмом (AC), який циклічно змінює величину та напрямок. Регулювання швидкості в першу чергу здійснюється шляхом зміни частоти змінного струму (частотне регулювання швидкості).
Традиційні колекторні двигуни постійного струму покладаються на мідні колектори та вугільні щітки для механічної комутації. Навпаки, безколекторні двигуни змінного струму (такі як PMSM - синхронні двигуни з постійними магнітами) не мають щіток. Вони використовують електронні інвертори (як-от продемонстрована тут трифазна мостова схема), керовані сучасними алгоритмами для перемикання MOSFET та подачі безперервного трифазного змінного синусоїдального струму в обмотки.
Те, який двигун є «кращим», залежить від сфери застосування, але з точки зору ефективності та граничних характеристик сучасні трифазні безколекторні двигуни змінного струму (PMSM) є преміальним вибором:
Сучасні електромобілі (наприклад, Tesla) та високоякісна інверторна побутова техніка широко використовують трифазні двигуни PMSM. Обмотки, що виділяють тепло, розташовані на статорі (що дозволяє безпосередньо відводити тепло через зовнішній корпус), тоді як ротор складається з високоефективних постійних магнітів. Завдяки відсутності тертя щіток та втрат енергії на іскріння, ефективність перетворення енергії досягає 90%–96%, зберігаючи високу ефективність у широкому діапазоні швидкостей.
Колекторні двигуни страждають від втрат на тертя (механічний знос і виділення тепла) та втрат від комутаційних іскор через постійний контакт між вугільними щітками та колектором, що обертається. Ця енергія витрачається даремно у вигляді тепла та іскор. Крім того, обмотки ротора, що обертаються, виділяють значну кількість тепла, яке важко відвести, що знижує загальну енергоефективність.
Основна відмінність між колекторними та безколекторними двигунами полягає в способі комутації та фізичній структурі й експлуатаційних характеристиках, які з цього випливають:
| Критерій порівняння | Колекторний двигун (Brushed) | Безколекторний двигун (Brushless) |
|---|---|---|
| Механізм комутації | Покладається на фізичний контакт і тертя між щітками та колектором для автоматичного перемикання струму. | Покладається на інверторний міст + мікроконтролер (MCU) для електронної безконтактної комутації. |
| Термін служби та обслуговування | Коротший термін служби (зазвичай сотні годин). Щітки зношуються і потребують регулярної заміни. | Надзвичайно тривалий термін служби (в основному обмежується підшипниками, до десятків тисяч годин). Не потребує обслуговування. |
| Шум та електромагнітні перешкоди | Високий механічний шум через тертя. Іскри від щіток створюють серйозні електромагнітні перешкоди (EMI). | Без іскор і тертя. Винятково тиха робота з відмінною електромагнітною сумісністю (EMC). |
| Складність керування та вартість | Надзвичайно простий; працює безпосередньо при підключенні до джерела живлення. Низька вартість системи. | Вимагає спеціального безколекторного драйвера (ESC/інвертора), що призводить до вищої вартості системи. |