Бесщеточный электродвигатель постоянного тока ( BLDC ), также известный как двигатель с электронной коммутацией , представляет собой синхронный двигатель, использующий источник электропитания постоянного тока (DC) . Он использует электронный контроллер для переключения постоянного тока на обмотки двигателя, создавая магнитные поля, которые эффективно вращаются в пространстве и за которыми следует ротор с постоянными магнитами. Контроллер регулирует фазу и амплитуду импульсов тока, которые управляют скоростью и крутящим моментом двигателя. Это усовершенствованная версия механического коллектора (щеток), используемого во многих обычных электродвигателях.
Конструкция системы бесщеточного двигателя обычно аналогична синхронному двигателю с постоянными магнитами (PMSM), но также может представлять собой переключаемый реактивный двигатель или асинхронный двигатель . Они также могут использовать неодимовые магниты и быть направляющими ( статор окружен ротором), направляющими (ротор окружен статором) или осевыми (ротор и статор плоские и параллельные). [1]
Преимуществами бесщеточного двигателя перед коллекторными являются высокое соотношение мощности и веса, высокая скорость, почти мгновенное регулирование скорости (об/мин) и крутящего момента, высокая эффективность и низкие эксплуатационные расходы. Бесщеточные двигатели находят применение в таких областях, как компьютерная периферия (дисководы, принтеры), ручные электроинструменты и транспортные средства, от моделей самолетов до автомобилей. В современных стиральных машинах бесщеточные двигатели постоянного тока позволили заменить резиновые ремни и редукторы конструкцией с прямым приводом. [2]
Коллекторные двигатели постоянного тока были изобретены в 19 веке и до сих пор широко распространены. Бесщеточные двигатели постоянного тока стали возможными благодаря развитию твердотельной электроники в 1960-х годах. [3]
Электродвигатель развивает крутящий момент , удерживая магнитные поля ротора ( вращающейся части машины) и статора (неподвижной части машины) несоосными. Один или оба набора магнитов представляют собой электромагниты , состоящие из катушки с проволокой, намотанной на железный сердечник. Постоянный ток , проходящий через проволочную обмотку, создает магнитное поле , обеспечивающее мощность, приводящую в движение двигатель. Несоосность создает крутящий момент, который пытается перестроить поля. Когда ротор движется и поля выравниваются, необходимо перемещать поле ротора или статора, чтобы поддерживать несоосность и продолжать генерировать крутящий момент и движение. Устройство, которое перемещает поля в зависимости от положения ротора, называется коммутатором . [4] [5] [6]
В коллекторных двигателях это делается с помощью поворотного переключателя на валу двигателя, называемого коммутатором. [4] [6] [5] Он состоит из вращающегося цилиндра или диска, разделенного на несколько металлических контактных сегментов на роторе. Сегменты соединены с проводящими обмотками ротора. Два или более неподвижных контакта, называемых щетками , изготовленных из мягкого проводника, такого как графит , прижимаются к коммутатору, создавая скользящий электрический контакт с последовательными сегментами при вращении ротора. Щетки избирательно подают электрический ток на обмотки. Когда ротор вращается, коммутатор выбирает разные обмотки, и к данной обмотке подается направленный ток, так что магнитное поле ротора остается несовмещенным со статором и создает крутящий момент в одном направлении.
Коллектор имеет недостатки, которые привели к сокращению использования коллекторных двигателей. Этими недостатками являются: [4] [6] [5]
За последние сто лет мощные коллекторные двигатели постоянного тока, которые когда-то были основой промышленности, были заменены синхронными двигателями переменного тока (AC) . Сегодня коллекторные двигатели используются только в устройствах малой мощности или там, где доступен только постоянный ток, но вышеуказанные недостатки ограничивают их использование даже в этих приложениях.
В бесщеточных двигателях постоянного тока электронная сервосистема заменяет механические контакты коммутатора. [4] [6] [5] Электронный датчик определяет угол поворота ротора и управляет полупроводниковыми переключателями, такими как транзисторы , которые переключают ток через обмотки, либо меняя направление тока, либо, в некоторых двигателях, отключая его, в правильный угол, чтобы электромагниты создавали крутящий момент в одном направлении. Устранение скользящего контакта позволяет бесщеточным двигателям иметь меньшее трение и более длительный срок службы; срок их службы ограничен только сроком службы подшипников .
Коллекторные двигатели постоянного тока развивают максимальный крутящий момент в неподвижном состоянии, линейно уменьшающийся по мере увеличения скорости. [7] Некоторые ограничения коллекторных двигателей можно преодолеть с помощью бесщеточных двигателей; они включают более высокую эффективность и меньшую подверженность механическому износу. Эти преимущества достигаются за счет потенциально менее надежной, более сложной и дорогой управляющей электроники.
Типичный бесщеточный двигатель имеет постоянные магниты, которые вращаются вокруг неподвижного якоря , что устраняет проблемы, связанные с подключением тока к движущемуся якорю. Электронный контроллер заменяет коллекторный узел коллекторного двигателя постоянного тока, который постоянно переключает фазу на обмотки, чтобы двигатель продолжал вращаться. Контроллер выполняет аналогичное распределение мощности по времени, используя полупроводниковую схему, а не систему коммутаторов.
Бесщеточные двигатели имеют ряд преимуществ перед коллекторными двигателями постоянного тока, в том числе высокое соотношение крутящего момента к весу, повышенную эффективность, обеспечивающую больший крутящий момент на ватт , повышенную надежность, снижение шума, более длительный срок службы за счет устранения эрозии щеток и коллектора, исключения ионизирующих искр из коллектора и общее снижение электромагнитных помех (EMI). Поскольку на роторе нет обмоток, они не подвергаются воздействию центробежных сил, а поскольку обмотки поддерживаются корпусом, их можно охлаждать за счет проводимости, не требуя для охлаждения потока воздуха внутри двигателя. Это, в свою очередь, означает, что внутренние детали двигателя могут быть полностью закрыты и защищены от грязи и других посторонних веществ.
Коммутация бесщеточного двигателя может быть реализована программно с помощью микроконтроллера или альтернативно может быть реализована с использованием аналоговых или цифровых схем. Коммутация с помощью электроники вместо щеток обеспечивает большую гибкость и возможности, недоступные для коллекторных двигателей постоянного тока, включая ограничение скорости, микрошаговый режим для медленного и точного управления движением, а также удерживающий момент в неподвижном состоянии. Программное обеспечение контроллера можно настроить для конкретного двигателя, используемого в приложении, что приводит к повышению эффективности коммутации.
Максимальная мощность, которую можно подать на бесщеточный двигатель, ограничена почти исключительно теплом; [ нужна цитата ] слишком большое количество тепла ослабляет магниты и повреждает изоляцию обмоток.
При преобразовании электроэнергии в механическую энергию бесщеточные двигатели более эффективны, чем коллекторные, прежде всего за счет отсутствия щеток, что снижает потери механической энергии на трение. Повышенный КПД является наибольшим в областях холостого хода и низкой нагрузки кривой производительности двигателя. [8]
Среды и требования, в которых производители используют бесщеточные двигатели постоянного тока, включают работу без технического обслуживания, высокие скорости и работу, в которой искрообразование опасно (например, во взрывоопасных средах) или может повлиять на чувствительное электронное оборудование.
Конструкция бесщеточного двигателя напоминает шаговый двигатель , однако двигатели имеют важные различия, обусловленные различиями в реализации и эксплуатации. В то время как шаговые двигатели часто останавливаются с ротором в определенном угловом положении, бесщеточный двигатель обычно предназначен для обеспечения непрерывного вращения. Оба типа двигателей могут иметь датчик положения ротора для внутренней обратной связи. И шаговый двигатель, и хорошо спроектированный бесщеточный двигатель могут выдерживать конечный крутящий момент при нулевых оборотах в минуту.
Поскольку контроллер реализует функциональность традиционных щеток, ему необходимо знать ориентацию ротора относительно катушек статора. В коллекторном двигателе это происходит автоматически благодаря фиксированной геометрии вала ротора и щеток. В некоторых конструкциях используются датчики Холла или поворотный энкодер для непосредственного измерения положения ротора. Другие измеряют противо-ЭДС в неведомых катушках, чтобы определить положение ротора, устраняя необходимость в отдельных датчиках Холла. Поэтому их часто называют бездатчиковыми контроллерами.
Контроллеры, которые определяют положение ротора на основе противо-ЭДС, сталкиваются с дополнительными проблемами при инициировании движения, поскольку противо-ЭДС не создается, когда ротор неподвижен. Обычно это достигается путем начала вращения с произвольной фазы, а затем перехода к правильной фазе, если оказывается, что она неправильная. Это может привести к кратковременному запуску двигателя назад, что еще больше усложнит последовательность запуска. Другие бездатчиковые контроллеры способны измерять насыщение обмотки, вызванное положением магнитов, чтобы определить положение ротора. [9]
Типичный контроллер содержит три выхода с реверсивной полярностью, управляемые логической схемой. В простых контроллерах используются компараторы , работающие от датчиков ориентации, чтобы определить, когда необходимо опережать выходную фазу. В более продвинутых контроллерах используется микроконтроллер для управления ускорением, скоростью двигателя и точной настройкой эффективности.
Двумя ключевыми параметрами производительности бесщеточных двигателей постоянного тока являются константы двигателя (постоянная крутящего момента) и (постоянная противо-ЭДС, также известная как константа скорости ). [10]
Бесщеточные двигатели могут иметь несколько различных физических конфигураций. В традиционной конфигурации с внутренним ротором постоянные магниты являются частью ротора. Три обмотки статора окружают ротор. В конфигурации с внешним ротором радиальное соотношение между катушками и магнитами меняется на противоположное; катушки статора образуют центр (сердечник) двигателя, а постоянные магниты вращаются внутри нависающего ротора, окружающего сердечник. Выносные бегунки обычно имеют больше полюсов, расположены тройками для поддержания трех групп обмоток и имеют более высокий крутящий момент на низких оборотах. В типе с плоским осевым магнитным потоком , используемом там, где существуют ограничения по пространству или форме, пластины статора и ротора устанавливаются лицом к лицу. Во всех бесщеточных двигателях катушки неподвижны.
Существует две распространенные конфигурации электрических обмоток; конфигурация треугольника соединяет три обмотки друг с другом по схеме треугольника, и питание подается на каждое из соединений. Конфигурация звезды ( Y -образная), иногда называемая звездообразной обмоткой, соединяет все обмотки с центральной точкой, а питание подается на оставшийся конец каждой обмотки. Двигатель с обмотками в схеме треугольника обеспечивает низкий крутящий момент на низкой скорости, но может обеспечить более высокую максимальную скорость. Конфигурация «звезда» обеспечивает высокий крутящий момент на низкой скорости, но не такую высокую максимальную скорость. Обмотка звездой обычно более эффективна. Обмотки, соединенные треугольником, могут позволить высокочастотным паразитным электрическим токам полностью циркулировать внутри двигателя. Обмотка, соединенная звездой, не содержит замкнутого контура, в котором могут протекать паразитные токи, предотвращая такие потери. Помимо более высокого импеданса схемы «звезда», с точки зрения контроллера, обе конфигурации обмоток можно рассматривать одинаково. [11]
Бесщеточные двигатели выполняют многие функции, первоначально выполняемые коллекторными двигателями постоянного тока, но стоимость и сложность управления не позволяют бесщеточным двигателям полностью заменить коллекторные двигатели в регионах с наименьшими затратами. Тем не менее, бесщеточные двигатели стали доминировать во многих приложениях, особенно в таких устройствах, как жесткие диски компьютеров и проигрыватели CD/DVD. Небольшие вентиляторы охлаждения в электронном оборудовании приводятся в действие исключительно бесщеточными двигателями. Их можно найти в аккумуляторных электроинструментах, где повышенная эффективность двигателя приводит к более длительному использованию без необходимости зарядки аккумулятора. Низкоскоростные бесщеточные двигатели малой мощности используются в проигрывателях с прямым приводом для граммофонных пластинок . [12] Бесщеточные двигатели также можно найти в морских устройствах, например, в подводных подруливающих устройствах . [13]
Бесщеточные двигатели используются в электромобилях , гибридных транспортных средствах , личных транспортерах и электрических самолетах . [14] В большинстве электрических велосипедов используются бесщеточные двигатели, которые иногда встроены в саму ступицу колеса, при этом статор прочно прикреплен к оси, а магниты прикреплены к колесу и вращаются вместе с ним. [15] Тот же принцип применяется в самобалансирующихся колесах самоката. В большинстве радиоуправляемых моделей с электрическим приводом используются бесщеточные двигатели из-за их высокого КПД.
Бесщеточные двигатели встречаются во многих современных аккумуляторных инструментах, в том числе в некоторых триммерах , воздуходувках , пилах ( циркулярных и возвратно-поступательных ), а также дрелях / отвертках . Преимущества бесщеточных двигателей по сравнению с щеточными двигателями в весе и эффективности более важны для ручных инструментов с батарейным питанием, чем для больших стационарных инструментов, подключенных к розетке переменного тока.
В системах отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха (HVAC) и холодильной промышленности наблюдается тенденция использования бесщеточных двигателей вместо различных типов двигателей переменного тока . Наиболее важной причиной перехода на бесщеточные двигатели является снижение мощности, необходимой для их работы, по сравнению с обычным двигателем переменного тока. [16] В дополнение к более высокой эффективности бесщеточного двигателя, системы HVAC, особенно те, которые имеют регулируемую скорость или модуляцию нагрузки, используют бесщеточные двигатели, чтобы обеспечить встроенный микропроцессор непрерывный контроль над охлаждением и воздушным потоком. [17]
Применение бесщеточных двигателей постоянного тока в промышленном строительстве в первую очередь сосредоточено на проектировании производства или промышленной автоматизации . Бесщеточные двигатели идеально подходят для промышленного применения из-за их высокой удельной мощности, хороших скоростно-моментных характеристик, высокого КПД, широкого диапазона скоростей и низких эксплуатационных расходов. Наиболее распространенными применениями бесщеточных двигателей постоянного тока в промышленном машиностроении являются управление движением , линейные приводы , серводвигатели , приводы для промышленных роботов, приводные двигатели экструдеров и приводы подачи для станков с ЧПУ . [18]
Бесщеточные двигатели обычно используются в качестве приводов насосов, вентиляторов и шпинделей в устройствах с регулируемой или регулируемой скоростью, поскольку они способны развивать высокий крутящий момент с хорошей реакцией на скорость. Кроме того, их можно легко автоматизировать для дистанционного управления. Благодаря своей конструкции они обладают хорошими тепловыми характеристиками и высокой энергоэффективностью . [19] Чтобы получить реакцию переменной скорости, бесщеточные двигатели работают в электромеханической системе, которая включает в себя электронный контроллер двигателя и датчик обратной связи по положению ротора. [20] 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 можно использовать в качестве серводвигателей; однако, поскольку они работают с управлением с разомкнутым контуром , они обычно демонстрируют пульсации крутящего момента. [21]
Бесщеточные двигатели используются в промышленных приложениях позиционирования и приведения в действие. [22] Для сборочных роботов [23] Бесщеточные технологии могут использоваться для создания линейных двигателей . [24] Преимущество линейных двигателей заключается в том, что они могут производить линейное движение без необходимости использования системы передачи , такой как шариковые винты , ходовой винт , реечная передача , кулачок , шестерни или ремни, которые были бы необходимы для роторных двигателей. Известно, что системы передачи имеют меньшую отзывчивость и меньшую точность. Бесщеточные линейные двигатели постоянного тока с прямым приводом состоят из статора с пазами и магнитными зубьями и подвижного привода с постоянными магнитами и катушечной обмоткой. Чтобы получить линейное движение, контроллер двигателя возбуждает обмотки катушки привода, вызывая взаимодействие магнитных полей, приводящее к линейному движению. [18] Трубчатые линейные двигатели — это еще одна форма конструкции линейного двигателя, работающая аналогичным образом.
Бесщеточные двигатели стали популярным выбором для моделей самолетов, включая вертолеты и дроны . Их выгодное соотношение мощности к весу и широкий диапазон доступных размеров произвели революцию на рынке летных моделей с электрическим приводом, вытеснив практически все коллекторные электродвигатели, за исключением маломощных недорогих самолетов, часто игрушечных. [ нужна цитата ] Они также стимулировали рост производства простых, легких электрических моделей самолетов, а не предыдущих двигателей внутреннего сгорания , приводивших в действие более крупные и тяжелые модели. Повышенная удельная мощность современных аккумуляторов и бесщеточных двигателей позволяет моделям подниматься вертикально, а не постепенно. Низкий уровень шума и малая масса по сравнению с небольшими двигателями внутреннего сгорания на тлеющем топливе являются еще одной причиной их популярности.
Правовые ограничения на использование моделей самолетов с двигателем внутреннего сгорания в некоторых странах, чаще всего из-за потенциального шумового загрязнения - даже несмотря на то , что в последние десятилетия были доступны специально разработанные глушители почти для всех моделей двигателей - также поддержали переход к электрическим системам большой мощности.
Их популярность также выросла в области радиоуправляемых (RC) автомобилей . Бесщеточные двигатели разрешены в гонках на радиоуправляемых автомобилях в Северной Америке в соответствии с правилами радиоуправляемых автогонок (ROAR) с 2006 года. Эти двигатели обеспечивают большую мощность радиоуправляемым гонщикам и, в сочетании с соответствующей передачей и литий-полимерным (литий- полимерным) с высоким разрядом, -Po) или литий-железо-фосфатных (LiFePO4) батареях, эти автомобили могут развивать скорость более 160 километров в час (99 миль в час). [25]
Бесщеточные двигатели способны развивать больший крутящий момент и имеют более высокую пиковую скорость вращения по сравнению с двигателями, работающими на нитро или бензине. Нитродвигатели достигают максимальной скорости около 46 800 об/мин и мощности 2,2 киловатта (3,0 л.с.), тогда как бесщеточный двигатель меньшего размера может достигать 50 000 об/мин и 3,7 киловатта (5,0 л.с.). Более крупные бесщеточные RC-двигатели могут достигать мощности более 10 киловатт (13 л.с.) и 28 000 об/мин для моделей масштаба в одну пятую. [26]
Что касается САМОГО быстрого радиоуправляемого автомобиля, доступного в продаже, то это суперкар Traxxas XO-1. XO-1 развивает скорость 100 миль в час с соответствующими батареями LiPos.В спецификациях производителя указано использование «бесщеточного двигателя Traxxas Big Block».
