Бесщеточный электродвигатель постоянного тока ( BLDC ), также известный как электронно-коммутируемый двигатель , представляет собой синхронный двигатель, использующий источник постоянного тока ( DC ) . Он использует электронный контроллер для переключения постоянного тока на обмотки двигателя, создавая магнитные поля, которые эффективно вращаются в пространстве и которым следует ротор с постоянным магнитом. Контроллер регулирует фазу и амплитуду импульсов тока, которые управляют скоростью и крутящим моментом двигателя. Это усовершенствование механического коммутатора (щеток), используемого во многих обычных электродвигателях.
Конструкция бесщеточной двигательной системы обычно похожа на синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM), но также может быть вентильным реактивным двигателем или индукционным (асинхронным) двигателем . Они также могут использовать неодимовые магниты [1] и быть внешними ( статор окружен ротором), внутренними (ротор окружен статором) или осевыми (ротор и статор плоские и параллельные). [2]
Преимущества бесщеточного двигателя перед щеточным двигателем — высокое отношение мощности к весу, высокая скорость, почти мгновенное управление скоростью (об/мин) и крутящим моментом, высокая эффективность и низкие эксплуатационные расходы. Бесщеточные двигатели находят применение в таких местах, как периферийные устройства компьютеров (дисководы, принтеры), ручные электроинструменты и транспортные средства, начиная от моделей самолетов и заканчивая автомобилями. В современных стиральных машинах бесщеточные двигатели постоянного тока позволили заменить резиновые ремни и коробки передач на конструкцию с прямым приводом. [3]
Щеточные двигатели постоянного тока были изобретены в 19 веке и до сих пор распространены. Бесщеточные двигатели постоянного тока стали возможны благодаря развитию твердотельной электроники в 1960-х годах. [4]
Электродвигатель развивает крутящий момент , сохраняя магнитные поля ротора ( вращающейся части машины) и статора (неподвижной части машины) невыровненными. Один или оба набора магнитов являются электромагнитами , изготовленными из катушки провода, намотанного вокруг железного сердечника. Постоянный ток, проходящий через обмотку провода, создает магнитное поле , обеспечивая мощность, которая приводит в действие двигатель. Невыровненность создает крутящий момент, который пытается выровнять поля. По мере того, как ротор движется, и поля приходят в соответствие, необходимо перемещать поле ротора или статора, чтобы поддерживать невыровненность и продолжать генерировать крутящий момент и движение. Устройство, которое перемещает поля в зависимости от положения ротора, называется коммутатором . [ 5] [6] [7]
В щеточных двигателях это делается с помощью поворотного переключателя на валу двигателя, называемого коммутатором. [5] [7] [6] Он состоит из вращающегося цилиндра или диска, разделенного на несколько металлических контактных сегментов на роторе. Сегменты соединены с проводящими обмотками на роторе. Два или более неподвижных контакта, называемых щетками , изготовленные из мягкого проводника, такого как графит , прижимаются к коммутатору, создавая скользящий электрический контакт с последовательными сегментами по мере вращения ротора. Щетки выборочно подают электрический ток на обмотки. По мере вращения ротора коммутатор выбирает различные обмотки, и направленный ток подается на заданную обмотку таким образом, что магнитное поле ротора остается невыровненным со статором и создает крутящий момент в одном направлении.
Щеточный коллектор имеет недостатки, которые привели к снижению использования щеточных двигателей. Эти недостатки: [5] [7] [6]
За последние сто лет мощные щеточные двигатели постоянного тока, некогда являвшиеся основой промышленности, были заменены синхронными двигателями переменного тока (AC) . Сегодня щеточные двигатели используются только в маломощных приложениях или там, где доступен только постоянный ток, но вышеуказанные недостатки ограничивают их использование даже в этих приложениях.
В бесщеточных двигателях постоянного тока электронный контроллер заменяет контакты щеточного коммутатора. [5] [7] [6] Электронный датчик определяет угол ротора и управляет полупроводниковыми переключателями, такими как транзисторы , которые переключают ток через обмотки, либо изменяя направление тока на противоположное, либо, в некоторых двигателях, отключая его, под правильным углом, чтобы электромагниты создавали крутящий момент в одном направлении. Устранение скользящего контакта позволяет бесщеточным двигателям иметь меньшее трение и более длительный срок службы; их срок службы ограничен только сроком службы их подшипников .
Коллекторные двигатели постоянного тока развивают максимальный крутящий момент в неподвижном состоянии, линейно уменьшаясь с ростом скорости. [8] Некоторые ограничения коллекторных двигателей могут быть преодолены бесколлекторными двигателями; они включают более высокую эффективность и меньшую восприимчивость к механическому износу. Эти преимущества достигаются ценой потенциально менее прочной, более сложной и более дорогой управляющей электроники.
Типичный бесщеточный двигатель имеет постоянные магниты, которые вращаются вокруг неподвижного якоря , устраняя проблемы, связанные с подключением тока к подвижному якорю. Электронный контроллер заменяет узел коммутатора щеточного двигателя постоянного тока, который непрерывно переключает фазу на обмотки, чтобы поддерживать вращение двигателя. Контроллер выполняет аналогичное распределение мощности по времени, используя твердотельную схему вместо системы коммутатора.
Бесщеточные двигатели обладают рядом преимуществ по сравнению с щеточными двигателями постоянного тока, включая высокое отношение крутящего момента к весу, повышенную эффективность, производящую больший крутящий момент на ватт , повышенную надежность, пониженный уровень шума, более длительный срок службы за счет устранения эрозии щеток и коммутатора, устранения ионизирующих искр от коммутатора и общее снижение электромагнитных помех (ЭМП). При отсутствии обмоток на роторе они не подвергаются воздействию центробежных сил, а поскольку обмотки поддерживаются корпусом, они могут охлаждаться за счет теплопроводности, не требуя потока воздуха внутри двигателя для охлаждения. Это, в свою очередь, означает, что внутренние части двигателя могут быть полностью закрыты и защищены от грязи или других посторонних веществ.
Коммутация бесщеточного двигателя может быть реализована в программном обеспечении с использованием микроконтроллера или может быть альтернативно реализована с использованием аналоговых или цифровых схем. Коммутация с помощью электроники вместо щеток обеспечивает большую гибкость и возможности, недоступные для щеточных двигателей постоянного тока, включая ограничение скорости, микрошаговую работу для медленного и точного управления движением и удерживающий момент в неподвижном состоянии. Программное обеспечение контроллера может быть настроено на конкретный двигатель, используемый в приложении, что приводит к большей эффективности коммутации.
Максимальная мощность, которую можно приложить к бесщеточному двигателю, ограничивается почти исключительно теплом; [ необходима ссылка ] слишком большое количество тепла ослабляет магниты и повреждает изоляцию обмоток.
При преобразовании электроэнергии в механическую энергию бесщеточные двигатели более эффективны, чем щеточные, в первую очередь из-за отсутствия щеток, что снижает потери механической энергии из-за трения. Повышение эффективности наиболее заметно в областях холостого хода и малой нагрузки на кривой производительности двигателя. [9]
Условия и требования, в которых производители используют бесщеточные двигатели постоянного тока, включают эксплуатацию без технического обслуживания, высокие скорости и эксплуатацию, в которой искрение опасно (например, взрывоопасные среды) или может повлиять на чувствительное к электронике оборудование.
Конструкция бесщеточного двигателя напоминает шаговый двигатель , но двигатели имеют важные различия из-за различий в реализации и эксплуатации. В то время как шаговые двигатели часто останавливаются с ротором в определенном угловом положении, бесщеточный двигатель обычно предназначен для создания непрерывного вращения. Оба типа двигателей могут иметь датчик положения ротора для внутренней обратной связи. Как шаговый двигатель, так и хорошо спроектированный бесщеточный двигатель могут удерживать конечный крутящий момент при нулевом числе оборотов в минуту.
Поскольку контроллер реализует функциональность традиционных щеток, ему необходимо знать ориентацию ротора относительно катушек статора. Это происходит автоматически в щеточном двигателе из-за фиксированной геометрии вала ротора и щеток. Некоторые конструкции используют датчики Холла или вращающийся энкодер для непосредственного измерения положения ротора. Другие измеряют обратную ЭДС в неприводных катушках, чтобы определить положение ротора, устраняя необходимость в отдельных датчиках Холла. Поэтому их часто называют контроллерами без датчиков .
Контроллеры, которые определяют положение ротора на основе обратной ЭДС, имеют дополнительные проблемы при запуске движения, поскольку обратная ЭДС не создается, когда ротор неподвижен. Обычно это достигается путем начала вращения с произвольной фазы, а затем перехода к правильной фазе, если она оказывается неправильной. Это может привести к тому, что двигатель на короткое время начнет работать в обратном направлении, что еще больше усложнит последовательность запуска. Другие контроллеры без датчиков способны измерять насыщение обмотки, вызванное положением магнитов, чтобы определить положение ротора. [10]
Типичный контроллер содержит три выхода с обратной полярностью, управляемые логической схемой. Простые контроллеры используют компараторы, работающие от датчиков ориентации, чтобы определить, когда выходная фаза должна быть продвинута. Более продвинутые контроллеры используют микроконтроллер для управления ускорением, контроля скорости двигателя и тонкой настройки эффективности.
Два основных параметра производительности бесщеточных двигателей постоянного тока — это константы двигателя (константа крутящего момента) и (константа противо-ЭДС, также известная как константа скорости ). [11]
Бесщеточные двигатели могут быть сконструированы в нескольких различных физических конфигурациях. В обычной конфигурации inrunner постоянные магниты являются частью ротора. Три обмотки статора окружают ротор. В конфигурации outrunner с внешним ротором радиальное соотношение между катушками и магнитами меняется на противоположное; катушки статора образуют центр (сердечник) двигателя, в то время как постоянные магниты вращаются внутри нависающего ротора, который окружает сердечник. Outrunner обычно имеют больше полюсов, установленных в триплетах для поддержания трех групп обмоток, и имеют более высокий крутящий момент на низких оборотах. В плоском осевом типе потока , используемом там, где есть ограничения по пространству или форме, пластины статора и ротора устанавливаются лицом к лицу. Во всех бесщеточных двигателях катушки неподвижны.
Существует две общие конфигурации электрических обмоток: конфигурация треугольника соединяет три обмотки друг с другом в треугольной схеме, и питание подается на каждое из соединений. Конфигурация звезды ( Y -образная), иногда называемая обмоткой звезды, соединяет все обмотки в центральной точке, и питание подается на оставшийся конец каждой обмотки. Двигатель с обмотками в конфигурации треугольника дает низкий крутящий момент на низкой скорости, но может дать более высокую максимальную скорость. Конфигурация звезды дает высокий крутящий момент на низкой скорости, но не такую высокую максимальную скорость. [ сомнительно – обсудить ] Обмотка звезды обычно более эффективна. Обмотки, соединенные треугольником, могут позволить высокочастотным паразитным электрическим токам циркулировать полностью внутри двигателя. Обмотка, соединенная звездой, не содержит замкнутого контура, в котором могут течь паразитные токи, предотвращая такие потери. Помимо более высокого импеданса конфигурации звезды, с точки зрения контроллера, две конфигурации обмоток можно рассматривать совершенно одинаково. [12]
Бесщеточные двигатели выполняют множество функций, изначально выполняемых щеточными двигателями постоянного тока, но стоимость и сложность управления не позволяют бесщеточным двигателям полностью заменить щеточные двигатели в самых дешевых областях. Тем не менее, бесщеточные двигатели стали доминировать во многих приложениях, особенно в таких устройствах, как жесткие диски компьютеров и проигрыватели CD/DVD. Небольшие охлаждающие вентиляторы в электронном оборудовании питаются исключительно от бесщеточных двигателей. Их можно найти в беспроводных электроинструментах, где повышенная эффективность двигателя приводит к более длительным периодам использования до того, как потребуется зарядка аккумулятора. Низкоскоростные, маломощные бесщеточные двигатели используются в проигрывателях с прямым приводом для граммофонных пластинок . [13] Бесщеточные двигатели также можно найти в морских приложениях, таких как подводные подруливающие устройства . [14] Бесщеточные двигатели также используются в дронах для повышения их производительности.
Бесщеточные двигатели используются в электромобилях , гибридных автомобилях , персональных транспортных средствах и электрических самолетах . [15] Большинство электрических велосипедов используют бесщеточные двигатели, которые иногда встроены в саму ступицу колеса, при этом статор жестко закреплен на оси, а магниты прикреплены к колесу и вращаются вместе с ним. [16] Тот же принцип применяется в самобалансирующихся колесах самокатов. Большинство радиоуправляемых моделей с электрическим приводом используют бесщеточные двигатели из-за их высокой эффективности.
Бесщеточные двигатели используются во многих современных беспроводных инструментах, включая некоторые триммеры , воздуходувки , пилы ( циркулярные и возвратно-поступательные ) и дрели / шуруповерты . Преимущества бесщеточных двигателей по сравнению со щеточными в весе и эффективности более важны для ручных инструментов с питанием от аккумуляторов, чем для больших стационарных инструментов, подключаемых к розетке переменного тока.
В отопительной, вентиляционной и кондиционирующей (HVAC) и холодильной промышленности наблюдается тенденция к использованию бесщеточных двигателей вместо различных типов двигателей переменного тока . Наиболее значимой причиной перехода на бесщеточный двигатель является снижение мощности, необходимой для их работы по сравнению с типичным двигателем переменного тока. [17] Помимо более высокой эффективности бесщеточного двигателя, системы HVAC, особенно те, которые имеют переменную скорость или модуляцию нагрузки, используют бесщеточные двигатели, чтобы обеспечить встроенному микропроцессору непрерывный контроль над охлаждением и потоком воздуха. [18]
Применение бесщеточных двигателей постоянного тока в промышленном машиностроении в первую очередь сосредоточено на машиностроении или проектировании промышленной автоматизации . Бесщеточные двигатели идеально подходят для производственных приложений из-за их высокой плотности мощности, хороших характеристик крутящего момента, высокой эффективности, широкого диапазона скоростей и низкого обслуживания. Наиболее распространенными применениями бесщеточных двигателей постоянного тока в промышленном машиностроении являются управление движением , линейные приводы , серводвигатели , приводы для промышленных роботов, двигатели приводов экструдеров и приводы подачи для станков с ЧПУ . [19]
Бесщеточные двигатели обычно используются в качестве насосных, вентиляторных и шпиндельных приводов в регулируемых или переменных скоростях, поскольку они способны развивать высокий крутящий момент с хорошим скоростным откликом. Кроме того, их можно легко автоматизировать для дистанционного управления. Благодаря своей конструкции они обладают хорошими тепловыми характеристиками и высокой энергоэффективностью . [20] Для получения переменного скоростного отклика бесщеточные двигатели работают в электромеханической системе, которая включает электронный контроллер двигателя и датчик обратной связи по положению ротора. [21] Бесщеточные двигатели постоянного тока широко используются в качестве серводвигателей для сервоприводов станков. Серводвигатели используются для механического перемещения, позиционирования или точного управления движением. Шаговые двигатели постоянного тока также могут использоваться в качестве серводвигателей; однако, поскольку они работают с управлением по разомкнутому контуру , они обычно демонстрируют пульсации крутящего момента. [22]
Бесщеточные двигатели используются в промышленных приложениях позиционирования и приведения в действие. [23] Для сборочных роботов, [24] Бесщеточные технологии могут использоваться для создания линейных двигателей . [25] Преимущество линейных двигателей заключается в том, что они могут производить линейное движение без необходимости в системе трансмиссии , такой как шариковые винты , ходовой винт , реечная передача , кулачок , шестерни или ремни, которые были бы необходимы для роторных двигателей. Известно, что системы трансмиссии вносят меньшую отзывчивость и уменьшают точность. Бесщеточные линейные двигатели постоянного тока с прямым приводом состоят из щелевого статора с магнитными зубцами и подвижного привода, который имеет постоянные магниты и катушечные обмотки. Чтобы получить линейное движение, контроллер двигателя возбуждает катушечные обмотки в приводе, вызывая взаимодействие магнитных полей, приводящее к линейному движению. [19] Трубчатые линейные двигатели являются другой формой конструкции линейного двигателя, работающей аналогичным образом.
Бесщеточные двигатели стали популярным выбором двигателей для моделей самолетов, включая вертолеты и беспилотники . Их благоприятное соотношение мощности и веса и широкий диапазон доступных размеров произвели революцию на рынке электрических моделей, вытеснив практически все щеточные электродвигатели, за исключением маломощных недорогих, часто игрушечных самолетов. [ требуется ссылка ] Они также способствовали росту простых, легких электрических моделей самолетов, а не предыдущих двигателей внутреннего сгорания, приводящих в действие более крупные и тяжелые модели. Повышенное соотношение мощности и веса современных батарей и бесщеточных двигателей позволяет моделям подниматься вертикально, а не подниматься постепенно. Низкий уровень шума и отсутствие массы по сравнению с небольшими двигателями внутреннего сгорания на калильном топливе являются еще одной причиной их популярности.
Правовые ограничения на использование моделей самолетов с двигателями внутреннего сгорания в некоторых странах [ требуется ссылка ] чаще всего связаны с потенциальным шумовым загрязнением — даже несмотря на то, что в последние десятилетия практически для всех моделей двигателей стали доступны специально разработанные глушители — также способствовали переходу на мощные электрические системы.
Их популярность также возросла в области радиоуправляемых (RC) автомобилей . Бесщеточные двигатели были легализованы в североамериканских гонках на радиоуправляемых автомобилях в соответствии с Radio Operated Auto Racing (ROAR) с 2006 года. Эти двигатели обеспечивают гонщикам RC большую мощность, и в сочетании с соответствующей передачей и высокоразрядными литий-полимерными (Li-Po) или литий-железо-фосфатными (LiFePO4) батареями эти автомобили могут развивать скорость более 160 километров в час (99 миль в час). [26]
Бесщеточные двигатели способны производить больший крутящий момент и имеют более высокую пиковую скорость вращения по сравнению с нитро- или бензиновыми двигателями. Пик нитродвигателей составляет около 46 800 об/мин и 2,2 киловатта (3,0 л. с.), в то время как меньший бесщеточный двигатель может достигать 50 000 об/мин и 3,7 киловатта (5,0 л. с.). Более крупные бесщеточные двигатели RC могут достигать более 10 киловатт (13 л. с.) и 28 000 об/мин для питания моделей в масштабе одной пятой. [27]
касается САМОЙ быстрой RC Cars, доступной для продажи, то это Traxxas XO-1 Supercar. XO-1 разгоняется до 100 миль в час с надлежащими батареями LiPos.В технических характеристиках производителя указано использование «бесщеточного двигателя Traxxas Big Block».
