Бесщеточные двигатели — это разновидность электродвигателей, которые, в отличие от обычных щеточных или угольных двигателей, удаление древесного угля в бесщеточных двигателях повышает эффективность и долговечность этих двигателей по сравнению с обычными угольными двигателями.
Благодаря многочисленным преимуществам бесщеточных двигателей, многие наши инструменты используют бесщеточные двигатели, чтобы сопровождать вас своей уникальной мощностью в любой ситуации.Более длительный срок службы, малый вес и меньший уровень шума являются отличительными чертами этих двигателей от двигателей, работающих на угле.
Двигатели — это машины для передачи энергии
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 обменивают электрическую энергию на механическую.
Самый простой тип двигателя — коллекторный двигатель постоянного тока.В двигателе этого типа электрический ток проходит через катушки, расположенные внутри фиксированного магнитного поля.Ток создает магнитные поля в катушках;это заставляет узел катушки вращаться, поскольку каждая катушка отталкивается от одинакового полюса и притягивается к противоположному полюсу фиксированного поля.Чтобы поддерживать вращение, необходимо постоянно менять направление тока, чтобы полярность катушек постоянно менялась, заставляя катушки продолжать «гнаться» за разными фиксированными полюсами.Питание на катушки подается через неподвижные проводящие щетки, контактирующие с вращающимся коллектором;именно вращение коммутатора вызывает изменение направления тока через катушки.Коллектор и щетки являются ключевыми компонентами, отличающими коллекторный двигатель постоянного тока от других типов двигателей.Рисунок 1 иллюстрирует общий принцип работы коллекторного двигателя.
Рисунок 1: Работа коллекторного двигателя постоянного тока.
Неподвижные щетки подают электрическую энергию к вращающемуся коллектору.По мере вращения коммутатора он постоянно меняет направление тока в катушках, меняя полярность катушек так, чтобы катушки сохраняли вращение вправо.Коллектор вращается, потому что он прикреплен к ротору, на котором установлены катушки.
Двигатели различаются по типу мощности (переменного или постоянного тока) и методу создания вращения (рис. 2).Ниже мы кратко рассмотрим особенности и использование каждого типа.
Различные типы двигателей
Коллекторные двигатели постоянного тока, имеющие простую конструкцию и удобное управление, широко используются для открытия и закрытия лотков для дисков.В автомобилях они часто используются для складывания, выдвижения и позиционирования боковых стекол с электроприводом.Низкая стоимость этих двигателей делает их пригодными для многих применений.Однако одним недостатком является то, что щетки и коммутаторы имеют тенденцию относительно быстро изнашиваться в результате постоянного контакта, что требует частой замены и периодического обслуживания.
Шаговый двигатель приводится в движение импульсами;он поворачивается на определенный угол (шаг) с каждым импульсом.Поскольку вращение точно контролируется количеством полученных импульсов, эти двигатели широко используются для регулировки положения.Их часто используют, например, для управления подачей бумаги в факсах и принтерах, поскольку эти устройства подают бумагу фиксированными шагами, которые легко коррелируются с количеством импульсов.Паузой также можно легко управлять, поскольку вращение двигателя мгновенно прекращается при прерывании импульсного сигнала.
У синхронных двигателей вращение синхронно с частотой питающего тока.Эти двигатели часто используются для привода вращающихся противней в микроволновых печах;Редукторы в моторном блоке могут использоваться для получения соответствующих скоростей вращения для разогрева пищи.У асинхронных двигателей скорость вращения также зависит от частоты;но движение не синхронно.Раньше эти двигатели часто использовались в электрических вентиляторах и стиральных машинах.
Обычно используются различные типы двигателей.На этом занятии мы рассмотрим преимущества и применение бесщеточных двигателей постоянного тока.
Почему двигатели BLDC вращаются?
Как следует из названия, в бесщеточных двигателях постоянного тока не используются щетки.В коллекторных двигателях щетки подают ток через коллектор в катушки ротора.Так как же бесщеточный двигатель передает ток на катушки ротора?Это не так, потому что катушки не расположены на роторе.Вместо этого ротор представляет собой постоянный магнит;катушки не вращаются, а фиксируются на статоре.Поскольку катушки не двигаются, нет необходимости в щетках и коллекторе.(См. рис. 3.)
Вращение коллекторного двигателя достигается за счет управления магнитными полями, создаваемыми катушками ротора, в то время как магнитное поле, создаваемое неподвижными магнитами, остается постоянным.Чтобы изменить скорость вращения, вы меняете напряжение на катушках.В двигателе BLDC вращается постоянный магнит;вращение достигается за счет изменения направления магнитных полей, создаваемых окружающими неподвижными катушками.Чтобы контролировать вращение, вы регулируете величину и направление тока в этих катушках.
Поскольку ротор представляет собой постоянный магнит, ему не нужен ток, что устраняет необходимость в щетках и коллекторе.Ток на неподвижных катушках контролируется снаружи.
Преимущества двигателей BLDC
Двигатель BLDC с тремя катушками на статоре будет иметь шесть электрических проводов (по два на каждую катушку), отходящих от этих катушек.В большинстве реализаций три из этих проводов будут подключены внутри, а три оставшихся провода отходят от корпуса двигателя (в отличие от двух проводов, отходящих от коллекторного двигателя, описанного ранее).Монтаж проводки в корпусе двигателя BLDC сложнее, чем простое соединение положительных и отрицательных клемм силового элемента;мы более подробно рассмотрим, как работают эти двигатели, во втором уроке этой серии.Ниже мы завершаем рассмотрение преимуществ двигателей BLDC.
Одним из больших преимуществ является эффективность, поскольку эти двигатели могут непрерывно управлять с максимальной силой вращения (крутящим моментом).Коллекторные двигатели, напротив, достигают максимального крутящего момента только в определенных точках вращения.Чтобы коллекторный двигатель обеспечивал тот же крутящий момент, что и бесщеточная модель, ему необходимо использовать магниты большего размера.Вот почему даже небольшие двигатели BLDC могут обеспечивать значительную мощность.
Второе большое преимущество, связанное с первым, — это управляемость.Двигателями BLDC можно управлять с помощью механизмов обратной связи для обеспечения точно желаемого крутящего момента и скорости вращения.Точное управление, в свою очередь, снижает потребление энергии и выделение тепла, а в случаях, когда двигатели питаются от батареи, продлевает срок ее службы.
Двигатели BLDC также отличаются высокой долговечностью и низким уровнем электрического шума благодаря отсутствию щеток.В коллекторных двигателях щетки и коллектор изнашиваются в результате постоянного подвижного контакта, а также образуют искры в местах контакта.Электрический шум, в частности, является результатом сильных искр, которые обычно возникают в местах, где щетки проходят через зазоры в коллекторе.Вот почему двигатели BLDC часто считаются предпочтительными в приложениях, где важно избежать электрических шумов.
Идеальное применение для двигателей BLDC
Мы убедились, что двигатели BLDC обладают высокой эффективностью и управляемостью, а также имеют длительный срок службы.Так чем же они хороши?Благодаря своей эффективности и долговечности они широко используются в устройствах, работающих непрерывно.Они уже давно используются в стиральных машинах, кондиционерах и другой бытовой электронике;а в последнее время они появляются в вентиляторах, где их высокий КПД способствовал значительному снижению энергопотребления.
Они также используются для привода вакуумных машин.В одном случае изменение программы управления привело к значительному скачку скорости вращения — пример превосходной управляемости, обеспечиваемой этими двигателями.
Двигатели BLDC также используются для вращения жестких дисков, где их долговечность обеспечивает надежную работу накопителей в течение длительного времени, а их энергоэффективность способствует снижению энергопотребления в области, где это становится все более важным.
К более широкому использованию в будущем
Мы можем ожидать, что в будущем двигатели BLDC будут использоваться в более широком спектре применений.Например, они, вероятно, будут широко использоваться для управления сервисными роботами — небольшими роботами, которые предоставляют услуги в других областях, помимо производства.Можно подумать, что шаговые двигатели будут более подходящими для такого типа приложений, где импульсы могут использоваться для точного управления позиционированием.Но двигатели BLDC лучше подходят для управления силой.А при использовании шагового двигателя удержание положения такой конструкции, как рука робота, потребует относительно большого и постоянного тока.Для двигателя BLDC все, что потребуется, — это ток, пропорциональный внешней силе, что позволяет обеспечить более энергоэффективное управление.Двигатели BLDC также могут заменить простые коллекторные двигатели постоянного тока в гольф-карах и мобильных тележках.Помимо большей эффективности, двигатели BLDC также 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, где положение дрона контролируется путем точного контроля скорости вращения каждого ротора.
На этом занятии мы увидели, как двигатели BLDC обеспечивают превосходную эффективность, управляемость и долговечность.Но тщательный и правильный контроль необходим для полного использования потенциала этих двигателей.На следующем занятии мы рассмотрим, как работают эти двигатели.
Время публикации: 21 августа 2023 г.