Безщіточні двигуни – це різновид електродвигунів, які, на відміну від звичайних щіткових або вугільних двигунів, видалення деревного вугілля в безщіткових двигунах підвищують ефективність і довговічність цих двигунів порівняно зі звичайними двигунами на вугіллі.
Завдяки численним перевагам безщіткових двигунів, наші численні інструменти використовують безщіточні двигуни, щоб супроводжувати вас своєю унікальною потужністю в будь-якій ситуації. Довший термін служби, легка вага та низький рівень шуму є одними з особливостей, які відрізняють ці двигуни від двигунів, що працюють на вугіллі.
Двигуни є машинами доставки енергії
Коли інженери стикаються з проблемою розробки електричного обладнання для виконання механічних завдань, вони можуть подумати про те, як електричні сигнали перетворюються на енергію. Таким чином, приводи та двигуни належать до пристроїв, які перетворюють електричні сигнали в рух. Двигуни обмінюють електричну енергію на механічну.
Найпростішим типом двигуна є щітковий двигун постійного струму. У цьому типі двигуна електричний струм пропускається через котушки, розташовані в фіксованому магнітному полі. Струм створює магнітні поля в котушках; це змушує котушку обертатися, оскільки кожна котушка відштовхується від подібного полюса і тягнеться до протилежного полюса фіксованого поля. Щоб підтримувати обертання, необхідно постійно змінювати струм, щоб полярності котушок постійно змінювалися, змушуючи котушки продовжувати «переслідувати» різні фіксовані полюси. Живлення котушок подається через нерухомі провідні щітки, які контактують з обертовим комутатором; саме обертання комутатора спричиняє реверсування струму через котушки. Комутатор і щітки є ключовими компонентами, які відрізняють щітковий двигун постійного струму від інших типів двигунів. Рисунок 1 ілюструє загальний принцип щіткового двигуна.
Рисунок 1: Робота щіткового двигуна постійного струму.
Нерухомі щітки подають електричну енергію на обертовий комутатор. Коли комутатор обертається, він постійно змінює напрямок струму в котушках, змінюючи полярність котушок, щоб котушки зберігали обертання вправо. Комутатор обертається, тому що він прикріплений до ротора, на якому встановлені котушки.
Двигуни відрізняються залежно від типу живлення (змінного або постійного струму) і методу генерування обертання (рис. 2). Нижче ми коротко розглянемо особливості та використання кожного типу.
Різні типи двигунів
Матові двигуни постійного струму, що відрізняються простою конструкцією та легким керуванням, широко використовуються для відкриття та закриття лотків для дисків. В автомобілях вони часто використовуються для втягування, висування та позиціонування бокових вікон з електроприводом. Низька вартість цих двигунів робить їх придатними для багатьох цілей. Один недолік, однак, полягає в тому, що щітки та колектори, як правило, відносно швидко зношуються в результаті їх постійного контакту, вимагаючи частої заміни та періодичного обслуговування.
Кроковий двигун приводиться в рух імпульсами; він обертається на певний кут (крок) з кожним імпульсом. Оскільки обертання точно контролюється кількістю отриманих імпульсів, ці двигуни широко використовуються для здійснення позиційних коригувань. Вони часто використовуються, наприклад, для керування подачею паперу в факсимільних машинах і принтерах, оскільки ці пристрої подають папір фіксованими кроками, які легко співвідносяться з підрахунком імпульсів. Паузою також можна легко керувати, оскільки обертання двигуна зупиняється миттєво, коли імпульсний сигнал переривається.
У синхронних двигунів обертання відбувається синхронно з частотою струму живлення. Ці двигуни часто використовуються для приводу обертових лотків у мікрохвильових печах; редуктори в моторному блоці можна використовувати для отримання відповідної швидкості обертання для нагрівання їжі. У асинхронних двигунів також швидкість обертання змінюється з частотою; але рух не синхронний. У минулому ці двигуни часто використовувалися в електричних вентиляторах і пральних машинах.
Існують різні типи двигунів, які широко використовуються. У цій сесії ми розглянемо переваги та застосування безщіткових двигунів постійного струму.
Чому двигуни BLDC обертаються?
Як випливає з назви, безщіточні двигуни постійного струму не використовують щіток. У щіткових двигунах щітки подають струм через комутатор до котушок на роторі. Отже, як безщітковий двигун пропускає струм до котушок ротора? Це не так, тому що котушки не розташовані на роторі. Натомість ротор є постійним магнітом; котушки не обертаються, а закріплені на місці статора. Оскільки котушки не рухаються, щітки та комутатор не потрібні. (Див. Малюнок 3.)
У щітковому двигуні обертання досягається шляхом керування магнітними полями, створюваними котушками на роторі, тоді як магнітне поле, створюване стаціонарними магнітами, залишається фіксованим. Щоб змінити швидкість обертання, ви змінюєте напругу для котушок. У двигуні BLDC обертається постійний магніт; обертання досягається зміною напрямку магнітних полів, створюваних навколишніми нерухомими котушками. Щоб контролювати обертання, ви регулюєте величину та напрямок струму в цих котушках.
Оскільки ротор є постійним магнітом, йому не потрібен струм, усуваючи потребу в щітках і комутаторі. Струм до нерухомих котушок контролюється ззовні.
Переваги двигунів BLDC
Двигун BLDC із трьома котушками на статорі матиме шість електричних проводів (по два до кожної котушки), що відходять від цих котушок. У більшості реалізацій три з цих дротів будуть з’єднані всередині, а три інші дроти відходять від корпусу двигуна (на відміну від двох дротів, що відходять від щіткового двигуна, описаного раніше). Електропроводка в корпусі двигуна BLDC є складнішою, ніж просто з’єднання позитивних і негативних клем елемента живлення; ми детальніше розглянемо, як працюють ці двигуни, у другій сесії цієї серії. Нижче ми закінчуємо розглядом переваг двигунів BLDC.
Однією з великих переваг є ефективність, оскільки ці двигуни можуть безперервно керувати максимальною силою обертання (крутним моментом). Щіткові двигуни, навпаки, досягають максимального крутного моменту лише в певних точках обертання. Щоб щітковий двигун забезпечував такий же крутний момент, як безщіточна модель, йому знадобляться більші магніти. Ось чому навіть маленькі двигуни BLDC можуть забезпечити значну потужність.
Другою великою перевагою, пов’язаною з першою, є керованість. Електродвигунами BLDC можна керувати за допомогою механізмів зворотного зв’язку, щоб забезпечити саме потрібний крутний момент і швидкість обертання. Точне керування, у свою чергу, зменшує споживання енергії та виділення тепла, а у випадках, коли двигуни живляться від батареї, подовжує термін служби батареї.
Двигуни BLDC також забезпечують високу довговічність і низький рівень електричного шуму завдяки відсутності щіток. У щіткових двигунах щітки та комутатор зношуються в результаті постійного рухомого контакту, а також утворюють іскри в місцях контакту. Електричний шум, зокрема, є результатом сильних іскор, які, як правило, виникають у місцях, де щітки проходять над зазорами в комутаторі. Ось чому двигуни BLDC часто вважаються кращими в додатках, де важливо уникнути електричного шуму.
Ідеальне застосування для двигунів BLDC
Ми побачили, що двигуни BLDC пропонують високу ефективність і керованість, а також мають тривалий термін служби. Тож чим вони корисні? Завдяки своїй ефективності та довговічності вони широко використовуються в пристроях, які працюють безперервно. Вони давно використовуються в пральних машинах, кондиціонерах та іншій побутовій електроніці; а останнім часом вони з'являються у вентиляторах, де їх висока ефективність сприяла значному зниженню енергоспоживання.
Вони також використовуються для приводу вакуумних машин. В одному випадку зміна програми керування призвела до значного стрибка швидкості обертання — приклад чудової керованості, яку пропонують ці двигуни.
Двигуни BLDC також використовуються для обертання жорстких дисків, де їх довговічність забезпечує надійну роботу накопичувачів у довгостроковій перспективі, а їх енергоефективність сприяє зниженню енергії в області, де це стає все більш важливим.
До ширшого використання в майбутньому
Ми можемо очікувати, що двигуни BLDC будуть використовуватися в більш широкому діапазоні застосувань у майбутньому. Наприклад, вони, ймовірно, будуть широко використовуватися для керування обслуговуючими роботами — невеликими роботами, які надають послуги в інших галузях, окрім виробництва. Можна подумати, що крокові двигуни будуть більш придатними для цього типу застосування, де імпульси можуть використовуватися для точного керування позиціонуванням. Але двигуни BLDC краще підходять для контролю сили. А за допомогою крокового двигуна для утримання такої конструкції, як рука робота, знадобиться відносно великий і безперервний струм. З двигуном BLDC усе, що буде потрібно, це струм, пропорційний зовнішній силі, що забезпечує більш ефективне керування. Двигуни BLDC також можуть замінити прості щіткові двигуни постійного струму в візках для гольфу та мобільних візках. Окрім кращої ефективності, двигуни BLDC також можуть забезпечувати більш точне керування, що, у свою чергу, може додатково подовжити термін служби батареї.
Двигуни BLDC також ідеально підходять для дронів. Їх здатність забезпечувати точне керування робить їх особливо придатними для багатороторних дронів, де положення дрона контролюється шляхом точного контролю швидкості обертання кожного ротора.
У цій сесії ми побачили, як двигуни BLDC забезпечують чудову ефективність, керованість і довговічність. Але ретельний і правильний контроль необхідний для повного використання потенціалу цих двигунів. У наступному занятті ми розглянемо, як працюють ці двигуни.
Час публікації: 21 серпня 2023 р