Безчетковите двигатели са различни електрически двигатели, които, за разлика от конвенционалните двигатели с четка или въглища, премахването на въглен в безчетковите двигатели увеличава ефективността и дълготрайността на тези двигатели в сравнение с конвенционалните двигатели с въглен.
Поради многобройните предимства на безчетковите двигатели, нашите много инструменти използват безчеткови двигатели, за да ви придружават с уникалната си мощност във всяка ситуация. По-дългият живот, лекото тегло и по-малкото производство на шум са сред характеристиките, които отличават тези двигатели от двигателите, работещи с въглища.
Двигателите са машини за доставка на енергия
Когато инженерите са изправени пред предизвикателството да проектират електрическо оборудване за изпълнение на механични задачи, те могат да помислят как електрическите сигнали се преобразуват в енергия. Така че задвижващите механизми и двигателите са сред устройствата, които преобразуват електрическите сигнали в движение. Двигателите обменят електрическа енергия с механична енергия.
Най-простият тип двигател е четковият DC двигател. При този тип двигател електрическият ток преминава през намотки, които са разположени във фиксирано магнитно поле. Токът генерира магнитни полета в намотките; това кара модула на намотката да се върти, тъй като всяка намотка се отблъсква от подобния полюс и се издърпва към противоположния полюс на фиксираното поле. За да се поддържа въртенето, е необходимо непрекъснато да се обръща токът - така че полярностите на намотките непрекъснато да се обръщат, карайки намотките да продължат да "преследват" различни неподвижни полюси. Захранването на намотките се доставя чрез фиксирани проводими четки, които влизат в контакт с въртящ се комутатор; това е въртенето на комутатора, което причинява обръщане на тока през намотките. Комутаторът и четките са ключовите компоненти, отличаващи четковия DC двигател от другите типове двигатели. Фигура 1 илюстрира общия принцип на двигателя с четка.
Фигура 1: Работа на постояннотоков двигател с четка.
Фиксираните четки доставят електрическа енергия към въртящия се комутатор. Докато комутаторът се върти, той непрекъснато обръща посоката на тока в намотките, обръщайки полярността на намотките, така че намотките да поддържат въртене надясно. Комутаторът се върти, защото е прикрепен към ротора, на който са монтирани бобините.
Двигателите се различават според своя тип мощност (AC или DC) и техния метод за генериране на въртене (Фигура 2). По-долу разглеждаме накратко характеристиките и употребите на всеки тип.
Различни видове двигатели
Полираните постояннотокови двигатели, отличаващи се с прост дизайн и лесно управление, се използват широко за отваряне и затваряне на тави за дискове. В автомобилите те често се използват за прибиране, разширяване и позициониране на електрически задвижвани странични прозорци. Ниската цена на тези двигатели ги прави подходящи за много приложения. Един недостатък обаче е, че четките и комутаторите са склонни да се износват сравнително бързо в резултат на техния продължителен контакт, което изисква честа смяна и периодична поддръжка.
Стъпковият двигател се задвижва от импулси; той се завърта под определен ъгъл (стъпка) с всеки импулс. Тъй като въртенето се контролира прецизно от броя на получените импулси, тези двигатели се използват широко за извършване на позиционни настройки. Те често се използват, например, за контрол на подаването на хартия във факс машини и принтери - тъй като тези устройства подават хартия на фиксирани стъпки, които лесно се свързват с броя на импулсите. Паузата също може лесно да се контролира, тъй като въртенето на двигателя спира незабавно, когато импулсният сигнал бъде прекъснат.
При синхронните двигатели въртенето е синхронно с честотата на захранващия ток. Тези двигатели често се използват за задвижване на въртящите се тави в микровълновите фурни; редукторите в моторния блок могат да се използват за получаване на подходящите скорости на въртене за загряване на храната. При асинхронните двигатели също скоростта на въртене варира в зависимост от честотата; но движението не е синхронно. В миналото тези двигатели често са били използвани в електрически вентилатори и перални машини.
Има различни типове двигатели, които се използват често. В тази сесия разглеждаме предимствата и приложенията на безчетковите постояннотокови двигатели.
Защо BLDC двигателите се въртят?
Както подсказва името им, безчетковите постояннотокови двигатели не използват четки. При двигателите с четка четките доставят ток през комутатора в намотките на ротора. И така, как безчетковият двигател пропуска ток към намотките на ротора? Не е, защото намотките не са разположени на ротора. Вместо това роторът е постоянен магнит; намотките не се въртят, а вместо това са фиксирани на място върху статора. Тъй като намотките не се движат, няма нужда от четки и комутатор. (Вижте Фигура 3.)
При двигателя с четка въртенето се постига чрез контролиране на магнитните полета, генерирани от намотките на ротора, докато магнитното поле, генерирано от неподвижните магнити, остава фиксирано. За да промените скоростта на въртене, трябва да промените напрежението на намотките. При BLDC мотор постоянният магнит е този, който се върти; въртенето се постига чрез промяна на посоката на магнитните полета, генерирани от заобикалящите стационарни бобини. За да контролирате въртенето, регулирате големината и посоката на тока в тези бобини.
Тъй като роторът е постоянен магнит, той не се нуждае от ток, което елиминира необходимостта от четки и комутатор. Токът към фиксираните намотки се контролира отвън.
Предимства на BLDC двигатели
BLDC двигател с три намотки на статора ще има шест електрически проводника (по два към всяка намотка), простиращи се от тези намотки. В повечето изпълнения три от тези проводници ще бъдат свързани вътрешно, като останалите три проводника се простират от тялото на двигателя (за разлика от двата проводника, простиращи се от мотора с четка, описан по-рано). Окабеляването в корпуса на BLDC двигателя е по-сложно от простото свързване на положителните и отрицателните клеми на захранващата клетка; ще разгледаме по-отблизо как работят тези двигатели във втората сесия от тази серия. По-долу завършваме, като разглеждаме предимствата на BLDC двигателите.
Едно голямо предимство е ефективността, тъй като тези двигатели могат да управляват непрекъснато при максимална сила на въртене (въртящ момент). Четковите двигатели, за разлика от тях, достигат максимален въртящ момент само в определени точки от въртенето. За да може двигател с четка да осигури същия въртящ момент като модел без четка, той ще трябва да използва по-големи магнити. Ето защо дори малки BLDC двигатели могат да осигурят значителна мощност.
Второто голямо предимство - свързано с първото - е контролируемостта. BLDC двигателите могат да се управляват с помощта на механизми за обратна връзка, за да осигурят точно желания въртящ момент и скорост на въртене. Прецизното управление на свой ред намалява консумацията на енергия и генерирането на топлина и - в случаите, когато двигателите се захранват от батерии - удължава живота на батерията.
BLDC двигателите също предлагат висока издръжливост и ниско генериране на електрически шум, благодарение на липсата на четки. При двигателите с четки четките и комутаторът се износват в резултат на непрекъснат движещ се контакт и също така произвеждат искри там, където има контакт. Електрическият шум, по-специално, е резултат от силните искри, които са склонни да се появяват в зоните, където четките преминават през процепите в комутатора. Ето защо BLDC двигателите често се считат за предпочитани в приложения, където е важно да се избегне електрически шум.
Идеални приложения за BLDC двигатели
Видяхме, че BLDC двигателите предлагат висока ефективност и управляемост и че имат дълъг експлоатационен живот. И така, за какво са полезни? Поради тяхната ефективност и дълъг живот, те се използват широко в устройства, които работят непрекъснато. Те отдавна се използват в перални машини, климатици и друга потребителска електроника; и напоследък те се появяват във вентилатори, където тяхната висока ефективност е допринесла за значително намаляване на консумацията на енергия.
Те се използват и за задвижване на вакуумни машини. В един случай промяна в програмата за управление доведе до голям скок в скоростта на въртене - пример за превъзходната управляемост, предлагана от тези двигатели.
BLDC двигателите също се използват за въртене на твърди дискове, където тяхната издръжливост поддържа устройствата да работят надеждно в дългосрочен план, докато тяхната енергийна ефективност допринася за намаляване на енергията в област, където това става все по-важно.
Към по-широко използване в бъдеще
Можем да очакваме да видим BLDC двигатели, използвани в по-широк диапазон от приложения в бъдеще. Например, те вероятно ще бъдат широко използвани за задвижване на обслужващи роботи - малки роботи, които предоставят услуги в области, различни от производството. Може да се мисли, че стъпковите двигатели биха били по-подходящи в този тип приложения, където импулсите могат да се използват за прецизен контрол на позиционирането. Но BLDC двигателите са по-подходящи за контролиране на силата. А със стъпков двигател задържането на позицията на структура като ръка на робот би изисквало относително голям и непрекъснат ток. С BLDC мотор, всичко, което би било необходимо, е ток, пропорционален на външната сила, което позволява по-енергийно ефективен контрол. Моторите BLDC може също да заменят обикновените мотори с постоянен ток с четка в колички за голф и колички за мобилност. В допълнение към по-добрата си ефективност, BLDC двигателите могат да осигурят и по-прецизен контрол, което от своя страна може допълнително да удължи живота на батерията.
BLDC двигателите също са идеални за дронове. Способността им да осигурят прецизен контрол ги прави особено подходящи за многороторни дронове, където позицията на дрона се контролира чрез прецизно контролиране на скоростта на въртене на всеки ротор.
В тази сесия видяхме как BLDC двигателите предлагат отлична ефективност, управляемост и дълъг живот. Но внимателният и правилен контрол е от съществено значение, за да се възползвате напълно от потенциала на тези двигатели. В следващата ни сесия ще разгледаме как работят тези двигатели.
Време на публикуване: 21 август 2023 г