В индустрии миниатюрного контроля жидкости бесщеточные двигатели являются основным источником энергии для основного оборудования, включая миниатюрные водяные насосы и миниатюрные вакуумные насосы. Небольшие электромагнитные клапаны взаимодействуют с двигателями для автоматического регулирования расхода. В последнее время многие покупатели оборудования сосредоточили внимание на производительности BLDC; поэтому мы выпускаем серийную научно-популярную статью, чтобы раскрыть основные знания об этом высокоэффективном двигателе.
Понимание принципов и применения высокоэффективных двигателей: Электродвигатели преобразуют подаваемую электрическую энергию в механическую энергию. Широко используются различные типы электродвигателей. Среди них бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) обладают высокой эффективностью, отличной управляемостью и широко используются во многих приложениях. По сравнению с другими типами двигателей двигатели BLDC обладают преимуществами в области энергосбережения.
Электродвигатели – это машины с электрической передачей.
Когда инженеры сталкиваются с проблемой проектирования электрического оборудования для выполнения механических задач, они могут задуматься о том, как электрические сигналы преобразуются в энергию. Таким образом, приводы и двигатели относятся к числу устройств, преобразующих электрические сигналы в движение. Двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую.
Самый простой электродвигатель — бесщеточный двигатель постоянного тока. В двигателе этого типа ток течет через катушки, помещенные в фиксированное магнитное поле. Ток создает магнитное поле в катушках; это заставляет узел катушки вращаться, поскольку каждая катушка отталкивается от своего полюса и притягивается к полюсу фиксированного магнитного поля. Чтобы поддерживать вращение, ток необходимо постоянно менять, заставляя полярность катушки постоянно меняться, в результате чего катушки продолжают «преследовать» полюс противоположного магнитного поля. Питание на катушки подается с помощью фиксированных проводящих щеток, контактирующих с вращающимся коллектором; вращение коммутатора заставляет ток течь через катушки в противоположном направлении. Коллектор и щетки являются ключевыми компонентами, которые отличают коллекторные двигатели постоянного тока от других двигателей.
На рисунке 1 показан общий принцип работы коллекторного двигателя постоянного тока.
На рисунке 1 показан общий принцип работы коллекторного двигателя постоянного тока.
Рисунок 1: Работа коллекторного двигателя постоянного тока.
Неподвижные щетки подают электрическую энергию на вращающийся коллектор. По мере вращения коммутатора он постоянно меняет направление тока, протекающего в катушки, тем самым меняя полярность катушек и сохраняя их вращение вправо. Коллектор вращается, потому что он соединен с ротором, на котором установлены катушки.
Распространенные типы двигателей
Двигатели различаются по типу мощности (переменного или постоянного тока) и способу создания вращения (рис. 2). Ниже мы кратко представляем характеристики и области применения каждого типа.
Рисунок 2. Различные типы двигателей.
Коллекторные двигатели постоянного тока просты по конструкции, просты в управлении и широко используются для открытия и закрытия лотков для дисков. В автомобилях они обычно используются для складывания, выдвижения и положения боковых стекол с электроприводом. Низкая стоимость этих двигателей делает их пригодными для многих применений. Однако недостатком является то, что щетки и коммутатор имеют тенденцию относительно быстро изнашиваться из-за постоянного контакта, что требует частой замены и регулярного технического обслуживания.
Шаговые двигатели приводятся в движение импульсами; за каждый полученный импульс он поворачивается на определенный угол (шаг). Поскольку процесс вращения полностью контролируется количеством полученных импульсов, эти двигатели широко используются для регулировки положения. Их часто используют для управления процессом подачи бумаги в факсах и принтерах, поскольку эти устройства подают бумагу фиксированными шагами, и эти шаги легко коррелируются с количеством импульсов. Управление паузой также легко реализовать, поскольку вращение двигателя прекращается сразу же при прерывании импульсного сигнала.
При использовании синхронных двигателей вращение синхронизируется с частотой тока источника питания. Эти двигатели обычно используются для привода вращающихся противней в микроволновых печах; редукторы в моторном блоке обеспечивают необходимую скорость вращения для разогрева пищи. У асинхронных двигателей скорость вращения меняется в зависимости от частоты, но движения асинхронные. Раньше эти двигатели обычно использовались в электрических вентиляторах и стиральных машинах.
Обычно используются различные типы двигателей; в этом разделе мы рассмотрим преимущества и применение бесщеточных двигателей постоянного тока.
Почему двигатели BLDC вращаются?
Как следует из названия, в бесщеточных двигателях постоянного тока щетки не используются. В коллекторных двигателях щетки передают ток на катушки ротора через коммутатор. Итак, как бесщеточный двигатель передает ток на катушки ротора? Нет — поскольку катушки не расположены на роторе. Ротор представляет собой постоянный магнит; катушки не вращаются, а закреплены на статоре. Поскольку катушки не двигаются, щетки и коммутатор не нужны. (См. рисунок 3) В щеточных двигателях вращение достигается за счет управления магнитным полем, создаваемым катушками на роторе, в то время как магнитное поле, создаваемое неподвижным магнитом, остается постоянным. Для изменения скорости вращения необходимо изменить напряжение на катушках. В двигателе BLDC вращается постоянный магнит; вращение достигается за счет изменения направления электромагнитного поля, создаваемого окружающими неподвижными катушками. Для управления вращением необходимо регулировать величину и направление тока, протекающего в эти катушки.
Рисунок 3: Двигатель BLDC.
Поскольку ротор представляет собой постоянный магнит, он не требует тока, что устраняет необходимость в щетках и коммутаторах. Ток в неподвижных катушках контролируется извне.
Преимущества двигателей BLDC
Двигатель BLDC с тремя катушками на статоре будет иметь шесть проводов (по два на каждую катушку), отходящих от этих катушек. В большинстве реализаций три из этих проводов будут соединены внутри, а остальные три выходят из корпуса двигателя (в отличие от двух проводов коллекторного двигателя, описанных ранее). Монтаж проводки внутри корпуса двигателя BLDC более сложен, чем простое соединение положительных и отрицательных клемм блока питания; мы рассмотрим работу этих двигателей более подробно во второй части этой серии. Ниже мы завершаем понимание преимуществ двигателей BLDC.
Существенным преимуществом является эффективность, поскольку эти двигатели могут работать непрерывно с максимальным крутящим моментом. Напротив, коллекторные двигатели могут достигать максимального крутящего момента только в определенных точках вращения. Чтобы обеспечить тот же крутящий момент, что и бесщеточный двигатель, коллекторным двигателям требуются магниты большего размера. Вот почему даже небольшие двигатели BLDC могут обеспечивать значительную мощность.
Второе важное преимущество, связанное с первым, — управляемость. Двигателями BLDC можно управлять с помощью механизмов обратной связи, точно обеспечивая необходимый крутящий момент и скорость. Точное управление, в свою очередь, снижает потребление энергии и выделение тепла, а в случаях, когда двигатель работает от аккумулятора, продлевает срок его службы.
Поскольку щетки отсутствуют, двигатели BLDC также обеспечивают высокую долговечность и низкий уровень электрического шума. В коллекторных двигателях щетки и коллектор изнашиваются из-за постоянного подвижного контакта, что приводит к образованию искр в точках контакта. Электрический шум, в частности, возникает из-за сильных искр, легко возникающих при прохождении щеток через коллекторный зазор. Вот почему двигатели BLDC обычно считаются лучшим выбором в приложениях, где необходимо избегать электрических шумов.
Идеальное применение двигателей BLDC
Мы увидели, что двигатели BLDC обладают высокой эффективностью и управляемостью, а также имеют длительный срок службы. Так каково их использование? Благодаря своей эффективности и сроку службы они широко применяются в непрерывно работающем оборудовании. Они уже давно используются в стиральных машинах, кондиционерах и другой бытовой электронике; совсем недавно они появились и в вентиляторах, где их высокий КПД значительно снижает энергопотребление.
Они также используются для привода вакуумных машин. В одном случае изменение программы управления привело к резкому скачку скорости — пример высокого уровня управляемости, который предлагают эти двигатели.
Двигатели BLDC также используются для привода жестких дисков; их долговечность позволяет приводам работать надежно в течение продолжительных периодов времени, а их энергоэффективность помогает снизить потребление энергии в этом все более важном секторе.
На пути к более широкому будущему применению
Мы можем ожидать, что в будущем двигатели BLDC будут широко использоваться в более широком спектре приложений. Например, они могут широко использоваться для управления сервисными роботами — небольшими роботами, которые предоставляют услуги в секторах за пределами производства. Можно подумать, что шаговые двигатели лучше подходят для такого типа приложений, поскольку для точного управления позиционированием можно использовать импульсы. Однако двигатели BLDC лучше подходят для управления силой. При использовании шаговых двигателей для поддержания положения таких конструкций, как манипуляторы роботов, требуется относительно большой и непрерывный ток. В двигателях BLDC требуемый ток пропорционален внешней силе, что обеспечивает более энергоэффективное управление. Двигатели BLDC также могут заменить простые коллекторные двигатели постоянного тока в гольф-карах и мобильных транспортных средствах. Помимо более высокой эффективности, двигатели BLDC обеспечивают более точное управление, что, в свою очередь, может еще больше продлить срок службы батареи.
Двигатели BLDC также идеально подходят для дронов. Их способность обеспечивать точное управление делает их особенно подходящими для многороторных дронов, позволяя точно контролировать положение дрона, контролируя скорость вращения каждого ротора.