Решения для движения нового поколения: Механизмы и преимущества двигателей BLDC
Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) осуществляет коммутацию с помощью электронного контроллера, и в его конструкции нет коммутатора (угольных щеток и контактных колец). Последний является частью традиционных щеточных двигателей. Такой двигатель известен экономией энергии, минимальным обслуживанием и отличной общей производительностью. Неудивительно, что он широко используется в электроинструментах, беспилотниках, электромобилях и обычных домашних хозяйствах.
Бесщеточные и традиционные щеточные двигатели отличаются друг от друга. В щеточных двигателях неподвижный магнит создает постоянное магнитное поле. В то же время переменный ток, проходящий через катушки ротора, создает магнитное поле, перпендикулярное магнитному полю магнита. Это магнитное поле прикладывает силу при каждом вращении ротора. Наконец, коммутатор и аналогичные ему щетки отвечают за изменение направления тока.
Обратите внимание, что износ щеток сокращает срок службы двигателя, а также может вызвать искрение, что не совсем безопасно для пользователя. В тех моделях, где нет щеток, на статоре установлены полевые магниты с катушками, которые управляются электронным менеджером, создающим магнитное поле очереди для движения ротора. Именно эти катушки делают ненужной механическую коммутацию. Отсутствие этих компонентов не только увеличивает время работы двигателя, но и делает его более эффективным и надежным.
| Характеристика | Щеточный двигатель | Бесщеточный двигатель |
|---|---|---|
| Метод коммутации | Механические (щетки) | Электронный |
| Продолжительность жизни | Короче (износ щеток) | Долговечность (отсутствие механического износа) |
| Эффективность | Низкая (большие потери энергии) | Выше (низкие потери) |
| Шум | Выше | Нижний |
| Стоимость обслуживания | Выше (требуется замена щеток) | Низкая стоимость (почти не требует обслуживания) |
| Типовые применения | Мелкие бытовые приборы | Дроны, электроинструменты |
Структура бесщеточного двигателя постоянного тока
Двигатель BLDC состоит из двух основных частей - статора и ротора, которые работают в тандеме с электронным контроллером скорости (ESC) для достижения эффективной и непрерывной работы. Статор во время обмотки вокруг машины создает цепь, которая вращается и тем самым заставляет вращаться постоянные магниты, установленные на роторе, создавая эффект ненужного коммутатора в традиционных щеточных двигателях. Такой принцип работы делает намотанные поля настолько долговечными и эффективными, что они становятся лучшим выбором для электроинструментов, беспилотников и бытовой техники. Несмотря на кажущуюся незамысловатость конструкции, ее особенности способствуют повышению производительности и долговечности.
Конструкция статора и ротора:
Статор: При соединении эмалированного провода в статоре электромагнитный механизм, получающий энергию от обмоток, создает магнитное поле. Основными частями статора являются ламинированная кремниевая сталь, эмальпровод, подшипники и опоры.
Ротор: Ротор - это заряжаемая часть, которая изготавливается, например, из материалов с постоянными магнитами, вокруг которой располагается вал, магниты и некоторые другие необходимые детали. Производительность напрямую зависит от количества магнитных полюсов: большее количество полюсов дает больший крутящий момент за счет меньшей скорости, и наоборот.
Функции ключевых компонентов:
Магниты: Обычно изготовленные из неодимовых магнитов, они определяют мощность, скорость и крутящий момент двигателя. Высокоэффективные магниты могут сделать двигатель не только более мощным, но и более энергоэффективным.
<Листы из кремниевой стали: Они снижают магнитное сопротивление и повышают эффективность двигателя благодаря многослойной конструкции.
Вал и подшипники: Вал передает силу вращения и должен быть очень твердым и износостойким; подшипники уменьшают трение и обеспечивают плавную и долговечную работу.
Принцип работы бесщеточных двигателей постоянного тока
В BLDC-двигателе используется электронный контроллер, а концепция заключается в регулировании тока, чтобы двигатель заставлял ротор вращаться и не повреждался обычным механическим коммутатором, используемым в традиционных щеточных двигателях. Двигатель BLDC создает вращающееся магнитное поле через обмотки статора, тем самым приводя в движение постоянные магниты на роторе. В зависимости от расположения обмоток BLDC-двигатель может быть однофазным, двухфазным или трехфазным, причем трехфазный является наиболее предпочтительным для бытовой техники, электроинструментов и промышленного оборудования, так как он очень эффективен и стабилен.
В однофазном BLDC обычно используется только один набор обмоток, которые приводятся в действие однофазным источником. В такой схеме управления в основном используется H-мост, где сигналы обратной связи используются для обнаружения изменения знака, которое приводит к изменению движущей силы ротора. Такие двигатели легко изготавливаются и просты в конструкции. Указанное преимущество является основной причиной широкого распространения этих двигателей, которые часто используются в вентиляторах охлаждения или небольших бытовых приборах.
Двухфазный BLDC характеризуется наличием двух наборов обмоток, которые обычно располагаются ортогонально и приводятся в действие двухфазным источником питания. По эксплуатационным характеристикам двухфазная конструкция уступает трехфазной, но превосходит однофазный двигатель по эффективности и рывкам. В некоторых областях она считается редкой.
Трехфазный двигатель BLDC имеет три набора обмоток, обычно соединенных в конфигурации "звезда" (Y) или "треугольник" (Δ). Он управляется с помощью трехфазной полномостовой схемы с шестиступенчатым методом коммутации, которая изменяет направление тока в соответствии с сигналами обратной связи для управления движением ротора. Многофазные BLDC намного лучше однофазных двигателей с точки зрения регулирования скорости, бесшумности работы и подавления шума. Это привело к широкому применению в беспилотных летательных аппаратах, электромобилях и автоматизированном оборудовании в промышленности.
| Характеристика | Однофазный BLDC | Двухфазный постоянный ток | Трехфазный BLDC |
|---|---|---|---|
| Количество обмоток | Одиночный набор | Два набора (расположены ортогонально) | Три комплекта (конфигурация Y или Δ) |
| Цепь управления | H-мост (4 МОП-транзистора) | 4 или более МОП-транзисторов | Трехфазный полный мост (6 МОП-транзисторов) |
| Эффективность | Нижний (прибл. 70%-80%) | Умеренный (около 75%-85%) | Выше (примерно 80%-90%) |
| Шум и гладкость | Среднее | Умеренный | Превосходно |
| Типовые применения | Охлаждающие вентиляторы, мелкая бытовая техника | Небольшие водяные насосы, низкоскоростные двигатели | Беспилотники, электромобили, промышленное оборудование |
| Стоимость | Нижний | Умеренный | Выше |
Изначально в двигателях BLDC преимущественно использовалась ШИМ с квадратной волной - простой метод, но при этом он мог вызывать вибрацию и шум. В настоящее время в современных системах предпочтение отдается синусоидальной ШИМ или управлению с ориентацией на поле, поскольку оба этих метода стали преобладать в приводе над ШИМ с квадратной волной. SPWM и FOC имитируют плавные синусоидальные волны, что приводит к оптимизации выходного тока.
Применение двигателей BLDC
Двигатель BLDC известен своими преимуществами, такими как высокая эффективность, низкий уровень шума и долгий срок службы. Это привело к расширению области применения двигателей BLDC до автомобильной промышленности, промышленного управления, автоматизации, аэрокосмической промышленности и повседневной бытовой электроники. Три типа BLDC с типичными областями применения различаются по типу нагрузки и требованиям к управлению: приложения с постоянной нагрузкой, приложения с переменной нагрузкой и приложения для позиционирования.
Этот тип применения лучше всего подходит для умеренных скоростей, но предполагает стабильное, устойчивое и долговременное функционирование и, как правило, управление с открытым контуром для обеспечения простоты и экономичности.
1. Применение при непрерывной нагрузке
Упомянутые приложения обычно используются в тех случаях, когда машина работает с низким энергопотреблением, а доступность основана на скорости, которая является умеренной и постоянной. В таком режиме работы надежность имеет первостепенное значение. Чаще всего эти системы управляются по методу разомкнутого контура, что делает их конструкцию простой и экономичной; следовательно, это простой и подходящий выбор для общих требований.
2. Приложения с переменной нагрузкой
Это преимущественно энергосберегающие контроллеры, используемые в системах управления с открытым контуром, с простой и экономичной конструкцией, удовлетворяющей основные потребности большинства пользователей. Между тем, такие системы могут не только изменять ток и напряжение, но и использоваться в частичном замкнутом или разомкнутом контуре в соответствии с потребностями пользователя в энергии, что обеспечивает экологичность и относительно высокую полезность.
3. Приложения для позиционирования
Эти устройства, помимо проектирования изделий, также занимаются регулированием скорости всего изделия с помощью двигателя. Новейшие технологии управления с замкнутым контуром, включая такие инновационные методики, как управление с ориентацией на поле, позволяют решать самые сложные и точные задачи благодаря значительному повышению производительности, которую гарантируют системы управления с замкнутым контуром.
Характеристики и преимущества бесщеточных двигателей постоянного тока
Бесщеточные двигатели постоянного тока признаны идеальным решением для бытового и промышленного использования, поскольку их исключительная конструкция и производительность превосходят традиционные щеточные, частотно-регулируемые и асинхронные двигатели.
Без механической компенсации
Благодаря отсутствию потерь на возбуждение и потерь на трение от угольных катышков, двигатели BLDC достигают КПД 85%-90%, что значительно превосходит КПД щеточных двигателей 60%-70%. В зависимости от условий нагрузки общая экономия энергии может составлять 20%-60%.
Высокая эффективность и экономия энергии
Двигатели постоянного тока могут легко заменить традиционные системы регулирования скорости вращения двигателей постоянного тока, комбинации частотно-регулируемых двигателей с инверторами и асинхронные двигатели в паре с редукторами. Аналогичным образом, бытовые приборы могут быть модернизированы с помощью двигателей постоянного тока для упрощения конструкции и снижения энергопотребления.
Высокая универсальность и потенциал замены
Компактные по размеру и легкие по весу, двигатели BLDC обеспечивают высокую выходную мощность. Они обеспечивают большой пусковой момент, низкий пусковой ток, широкий диапазон скоростей и высокую перегрузочную способность.
Превосходная производительность
Поддерживая плавный пуск и плавную остановку, двигатели BLDC обеспечивают превосходные характеристики торможения, при этом уровень шума не превышает 30-40 децибел, а вибрация минимальна. Это делает бытовые приборы более тихими, а промышленное оборудование - более стабильным, продлевая срок службы и значительно повышая удобство использования.
Я занимаюсь научно-популярной литературой о магнитах. Мои статьи в основном посвящены принципам их действия, применению и анекдотам. Наша цель - предоставить читателям ценную информацию, помочь каждому лучше понять очарование и значение магнитов. В то же время мы будем рады услышать ваши мнения о потребностях, связанных с магнитами. Не стесняйтесь следовать за нами и сотрудничать с нами, ведь мы вместе исследуем бесконечные возможности магнитов!
Элитная рассылка: Эксклюзивная доставка высококлассного контента
Статьи, которые могут вас заинтересовать
