Бесщеточные электродвигатели постоянного тока: как они работают и как выбрать

Как работают бесщеточные двигатели постоянного тока

Бесщеточный электродвигатель постоянного тока (BLDC) генерирует вращательную силу по тому же фундаментальному принципу, что и любой двигатель постоянного тока — взаимодействие между магнитным полем и проводниками с током — но исключает механический коммутатор и узел угольной щетки, который определяет щеточные конструкции. Вместо этого, электронная коммутация через специальный контроллер двигателя переключает ток через обмотки статора в точно рассчитанной последовательности, вращая магнитное поле и увлекая за собой ротор с постоянными магнитами.

Ротор оснащен постоянными магнитами (обычно неодим-железо-бор в высокопроизводительных конструкциях) и не имеет обмоток, контактных колец или щеток. Массив датчиков Холла — или, в бездатчиковых конструкциях, мониторинг обратной ЭДС — передает данные о положении ротора в контроллер, который определяет, на какие фазы обмотки подавать питание в любой данный момент. Результатом является непрерывная и плавная передача крутящего момента без дугового разряда и потерь на трение, присущих щеточному контакту. КПД 85–95% типичны для всего рабочего диапазона по сравнению с 75–85% для эквивалентных коллекторных двигателей.

Бесщеточные и коллекторные двигатели постоянного тока: ключевые различия

Архитектурные различия между щеточными и бесщеточными конструкциями приводят к значительным последствиям для производительности, обслуживания и затрат на протяжении всего жизненного цикла продукта.

Отсутствие искрения делает двигатели BLDC единственным приемлемым выбором для взрывоопасные или чистые помещения , где разряд щеточной дуги может либо создать опасность пожара, либо привести к загрязнению твердыми частицами. В стандартных промышленных условиях при расчете общей стоимости владения обычно предпочтение отдается бесщеточным конструкциям, если приложение работает более нескольких тысяч часов в год — экономия на трудозатратах на замену щеток и времени простоя компенсирует более высокие первоначальные затраты на двигатель и контроллер в течение 12–24 месяцев.

Конфигурации внутреннего ротора и внешнего ротора

Двигатели BLDC выпускаются в двух принципиально разных механических конфигурациях, и выбор между ними зависит от применения, а не от иерархии производительности.

Внутренний ротор (внутренний ротор) В двигателях ротор с постоянными магнитами размещается внутри обмоток статора. Масса ротора мала и сконцентрирована вблизи оси, создавая низкий момент инерции и быстрый отклик на ускорение. Инраннеры работают на высоких оборотах (обычно 5 000–50 000 об/мин) и работают в паре с редукторами, когда необходим высокий крутящий момент при более низких скоростях вала. Они доминируют в робототехнике, шпинделях с ЧПУ, медицинском оборудовании и высокопроизводительных электроинструментах.

Внешний ротор (аутраннер) двигатели оборачивают ротор вокруг статора снаружи, размещая магнитную массу на максимально возможном радиусе от оси. Эта геометрия по своей сути порождает высокий крутящий момент на низких оборотах , делая приложения с прямым приводом — вентиляторы, пропеллеры дронов, электрические велосипедные втулки и стиральные машины с прямым приводом — естественными. Выдвижные колеса обычно шире и короче, чем внутренние колеса эквивалентной мощности, и обеспечивают более плавный крутящий момент на низких скоростях, не требуя ступени понижения.

Безсенсорное и сенсорное управление

Обратная связь по положению ротора является важнейшим входным сигналом, который позволяет контроллеру двигателя правильно рассчитать время переключения фазы. Способ получения этой обратной связи разделяет реализации BLDC на два лагеря, каждый из которых имеет свои компромиссы.

Сенсорные двигатели BLDC встроить в статор три датчика Холла, расположенные под углом 120° друг от друга. Датчики обнаруживают, когда проходит магнит ротора, и подают сигнал контроллеру о необходимости переключения фаз. Такой подход обеспечивает надежный пусковой момент с нулевых оборотов в минуту и ​​точное управление на низкой скорости, что важно для сервоприводов, роботизированных соединений и тяговых электродвигателей, которые должны развивать полный крутящий момент в неподвижном состоянии.

Бездатчиковые двигатели BLDC полностью исключите датчики Холла и вместо этого измеряйте противо-ЭДС (противоэлектродвижущую силу), создаваемую обмоткой без напряжения при движении ротора. Обратная ЭДС пропорциональна скорости, поэтому ниже минимального порога — обычно 10–15 % от максимальных оборотов в минуту — сигнал слишком слаб для надежного измерения. Поэтому бездатчиковые конструкции имеют короткую фазу запуска с разомкнутым контуром и не подходят для приложений, требующих плавного, контролируемого запуска из состояния покоя при полной нагрузке. Преимущество заключается в более низкой стоимости двигателя, уменьшении сложности проводки и большей экологической устойчивости. — отсутствие датчиков Холла, приводящих к коррозии или поломке. По этой причине высокоскоростные вентиляторы, воздуходувки HVAC и приводы насосов обычно используют BLDC без датчиков.

Выбор двигателя BLDC: важные параметры спецификации

Таблицы данных двигателя содержат ряд параметров; не все они одинаково важны для каждого приложения. Ниже приведены не подлежащие обсуждению входные данные для любого процесса выбора двигателя BLDC.

• Номинал КВ (об/мин на вольт) : скорость двигателя на холостом ходу на входной вольт. Двигатель на 1000 кВ при напряжении 24 В работает со скоростью примерно 24 000 об/мин без нагрузки. Меньшее значение KV означает больший крутящий момент на ампер при более низкой скорости; более высокое KV подходит для высокоскоростных применений с низким крутящим моментом.
• Номинальный непрерывный и пиковый ток : тепловой предел двигателя определяет непрерывный ток, который он может пропускать неопределенное время, не превышая температуру класса изоляции обмотки. Пиковый ток обычно в 2–3 раза непрерывен и допустим только короткими всплесками. Выбор номинала для пикового тока, а не для непрерывного, является распространенной ошибкой спецификации, которая приводит к преждевременному выходу из строя обмотки.
• Класс изоляции : Класс B (130°C), класс F (155°C) и класс H (180°C) определяют максимально допустимую температуру обмотки. Повышенная температура окружающей среды, плохая вентиляция или высокие рабочие циклы приводят к повышению температуры двигателя; недостаточно указанный класс изоляции приводит к постепенному ухудшению качества обмотки до появления какого-либо очевидного вида отказа.
• IP-рейтинг : защита от пыли и влаги. IP54 является базовым уровнем для легкой промышленности; IP65 (пыленепроницаемый, водостойкий) — минимальный уровень для использования вне помещений или при промывке; IP67 и IP68 рассчитаны на временное и постоянное погружение соответственно.
• Количество полюсов : большее количество полюсов обеспечивает более плавный крутящий момент на низких оборотах, но снижает максимальную скорость. В высокоскоростных шпиндельных двигателях обычно используются 2–4 полюса; Тихоходные двигатели с прямым приводом могут использовать 12, 24 или даже 48 полюсов.

Согласование двигателя с контроллером так же важно, как и сама спецификация двигателя. Номинальное напряжение контроллера должно превышать напряжение питания с запасом не менее 20 %. , а номинальный ток должен соответствовать продолжительному потреблению двигателя при максимальной нагрузке, а не пиковому номиналу двигателя. Несовпадающие контроллеры являются основной причиной раннего отказа системы BLDC в OEM-приложениях.