Объяснение бесщеточных двигателей постоянного тока: как они работают, схемы и использование дрели

Что такое электродвигатель постоянного тока?

Электродвигатель постоянного тока — это машина, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию вращения. Когда ток течет через проводник, помещенный внутри магнитного поля, на этот проводник действует сила — это сила Лоренца, и это физический принцип, лежащий в основе каждого существующего двигателя постоянного тока. Размещая несколько токоведущих проводников (обмоток) симметрично вокруг вращающегося вала и управляя направлением тока через них, двигатель постоянного тока обеспечивает непрерывное, контролируемое вращение.

Двигатели постоянного тока используются везде, где требуется привод с регулируемой скоростью, высоким крутящим моментом или питанием от аккумулятора: электроинструменты, электромобили, промышленные конвейеры, робототехника, вентиляторы HVAC и бытовая техника. Их определяющей характеристикой является то, что скорость вращения прямо пропорциональна приложенному напряжению, а крутящий момент прямо пропорционален току, что упрощает электронное управление по сравнению с двигателями переменного тока.

Двумя основными категориями двигателей постоянного тока являются коллекторные двигатели постоянного тока и бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) . Оба работают на одних и тех же электромагнитных принципах, но фундаментально различаются тем, как они управляют переключением тока через обмотки двигателя — функцией, называемой коммутацией.

Как работает электродвигатель постоянного тока: основные принципы

Каждый двигатель постоянного тока содержит два основных магнитных компонента: статор (неподвижная внешняя часть, обеспечивающая фиксированное магнитное поле) и ротор (вращающаяся внутренняя часть, также называемая якорем). Взаимодействие между магнитным полем статора и магнитным полем, создаваемым токоведущими обмотками ротора, создает вращающую силу — крутящий момент, — которая приводит в движение вал.

Чтобы вращение было непрерывным, а не одним полуоборотом, направление тока через обмотки ротора должно быть изменено на противоположное в нужный момент при вращении ротора. Без этого переключения, называемого коммутацией, магнитные силы изменили бы направление и вернули ротор в исходное положение. В коллекторном двигателе постоянного тока коммутация осуществляется механически. сегментированным медным кольцом (коллектором), установленным на валу ротора, и подпружиненными угольными блоками (щетками), которые прижимаются к нему. Когда ротор вращается, щетки вступают в скользящий контакт с последовательными сегментами коллектора, автоматически меняя направление тока в нужной точке при каждом вращении.

Простая схема двигателя постоянного тока: ключевые компоненты

Упрощенный коллекторный двигатель постоянного тока содержит следующие элементы, расположенные вокруг центрального вала:

• Статор (магниты поля): Постоянные магниты или электромагниты, закрепленные на внешнем корпусе, создают постоянное магнитное поле через воздушный зазор ротора.
• Ротор (якорь): Многослойный железный сердечник, намотанный витками из изолированной медной проволоки; проводит рабочий ток и генерирует вращающееся магнитное поле.
• Коммутатор: Сегментированное медное кольцо, прикрепленное к валу ротора; переключает направление тока в обмотках при вращении ротора.
• Кисти: Подпружиненные угольные контакты, которые прижимаются к коммутатору и передают ток от внешней цепи к вращающимся обмоткам.
• Вал и подшипники: Передача вращательного сигнала на нагрузку; подшипники поддерживают вал и минимизируют трение.

Щетки и коллектор являются механически слабыми местами коллекторного двигателя. Угольные щетки постепенно изнашиваются из-за трения, выделяя тепло, электрический шум и угольную пыль. На высоких скоростях или при большой нагрузке контакт щетки может вызвать дугу, что приведет к дополнительному износу. Большинство коллекторных двигателей требуют замены щеток через 500–2000 часов работы в зависимости от условий нагрузки и скорости.

Что такое бесщеточный двигатель?

Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) — это электродвигатель постоянного тока, в котором полностью отсутствует коллектор и щеточный узел, заменяя механическую коммутацию электронной коммутацией, управляемой специальным контроллером двигателя. В результате получается двигатель без физического контакта между неподвижными и вращающимися частями: нет изнашиваемых щеток, нет коллектора, образующего дугу, и нет угольной пыли, загрязняющей внутренние детали двигателя.

В бесщеточном двигателе роли ротора и статора фактически меняются местами по сравнению с щеточным двигателем. Постоянные магниты установлены на роторе. , в то время как намотанные медные катушки (обмотки) закреплены на статоре . Контроллер двигателя считывает угловое положение ротора с помощью датчиков Холла, встроенных в статор, и переключает ток через обмотки статора в правильной последовательности, чтобы ротор продолжал вращаться. Это электронное переключение происходит тысячи раз в секунду и незаметно для пользователя — но оно заменяет всю механическую систему коммутации коллекторного двигателя полупроводниковой электроникой.

Поскольку обмотки расположены на статоре (неподвижной части), тепло, выделяемое потоком тока, может рассеиваться непосредственно через корпус двигателя, который находится в контакте с окружающим воздухом или радиатором. В коллекторных двигателях тепло выделяется внутри вращающегося якоря, откуда его сложнее удалить. Это тепловое преимущество позволяет бесщеточным двигателям работать дольше и без перегрева.

Как работает бесщеточный двигатель: электронная коммутация

Работа бесщеточного двигателя зависит от трех взаимодействующих систем: ротора с постоянными магнитами, трехфазных обмоток статора и электронного регулятора скорости (ESC) или драйвера двигателя.

Бесщеточные двигатели обычно изготавливаются с три комплекта статорных обмоток, расположенных под углом 120° друг от друга. (трехэтапное строительство). Контроллер двигателя подает напряжение на эти обмотки во вращающейся последовательности, создавая вращающееся магнитное поле в статоре. Ротор с постоянным магнитом преследует это вращающееся поле — всегда пытаясь выровняться с ближайшим магнитным полюсом статора — и это преследование вращающегося поля и обеспечивает непрерывное вращение.

Контроллер должен всегда знать точное положение ротора, чтобы в нужный момент подать питание на правильную обмотку. Датчики Холла Встроенный в статор датчик определяет положение магнитов ротора и отправляет сигналы положения на контроллер в каждой точке вращения. В некоторых современных бесщеточных двигателях используется бездатчиковая коммутация — положение ротора определяется по противо-ЭДС (напряжению, генерируемому вращающимся ротором), а не по физическим датчикам — что уменьшает количество компонентов и повышает надежность в высокоскоростных приложениях.

Эффективность бесщеточного двигателя: почему это важно

Бесщеточные двигатели обычно достигают Электромеханический КПД 85–95 % по сравнению с 75–85% для эквивалентных коллекторных двигателей. Повышение эффективности достигается за счет устранения потерь на трение щеток, снижения электрического сопротивления в точках коммутации и обеспечения более точного управления током посредством электронного переключения. В приложениях с батарейным питанием — электроинструментах, электромобилях, дронах — эта разница в эффективности напрямую приводит к увеличению времени работы на одной зарядке. Бесщеточная дрель, выполняющая ту же задачу, что и щеточная дрель, разряжает батарею значительно медленнее даже при одинаковой мощности.

Что такое бесщеточная дрель?

Дрель с бесщеточным двигателем — это аккумуляторная дрель или дрель-шуруповерт с приводом от бесщеточного двигателя постоянного тока, а не от обычного щеточного двигателя. Бесщеточные дрели впервые появились в инструментах профессионального уровня примерно в 2009–2012 годах и с тех пор стали стандартом для всех уровней производительности, от домашнего до промышленного использования.

Практические преимущества дрелей с бесщеточными двигателями по сравнению с эквивалентами со щеточными двигателями существенны и напрямую связаны с различиями в конструкции двигателей, описанными выше:

• Более длительное время автономной работы: Более высокий КПД двигателя означает больше работы на одну зарядку. Бесщеточные дрели обычно обеспечивают на 25–50 % больше времени автономной работы, чем модели со щетками, работающие от того же аккумуляторного блока.
• Более высокая выходная мощность: Без потерь на трение щеток большая часть энергии аккумулятора достигает патрона. Бесщеточные дрели производят больший крутящий момент на ампер, потребляемый от аккумулятора.
• Увеличенный срок службы инструмента: Отсутствие изнашивающихся щеток и отсутствие искрения в коллекторе означает, что сам двигатель имеет практически неограниченный срок службы при нормальном использовании. Ограничивающими факторами становятся подшипники и коробка передач, а не двигатель.
• Адаптивная подача мощности: Контроллер двигателя бесщеточной дрели может регулировать подачу тока в реальном времени в зависимости от нагрузки. При небольших нагрузках двигатель потребляет минимальный ток; при большой нагрузке он увеличивается. Такое поведение при определении нагрузки улучшает управление и снижает расход заряда батареи при выполнении простых задач.
• Низкое техническое обслуживание: Отсутствие необходимости проверки щеток и интервалов замены. Щеточные дрели при интенсивном профессиональном использовании обычно требуют замены щеток каждые один-два года; бесщеточные дрели не имеют аналогичных требований к обслуживанию.

Основным компромиссом является стоимость: электронный регулятор скорости усложняет производство, делая бесщеточные дрели более дорогими, чем их эквиваленты с щетками при эквивалентном уровне мощности. Однако, ценовая премия резко упала по мере увеличения объемов производства — Бесщеточные дрели начального уровня теперь доступны по ценам, которые раньше были доступны только для щеточных двигателей, что делает преимущество бесщеточных двигателей доступным для людей с любым бюджетом.

Щеточная или бесщеточная дрель: когда это имеет значение?

Для нерегулярного использования — развешивания картин, сборки плоской мебели — подойдет и экономичная дрель с щеткой. Преимущества бесщеточных двигателей в эффективности и долговечности наиболее ценны в приложениях с высокой нагрузкой: рабочие используют свою дрель по несколько часов в день, в приложениях, требующих максимального времени работы на одной зарядке, или в задачах, требующих постоянного крутящего момента в течение длительных периодов времени, таких как завинчивание большого количества шурупов или сверление плотной древесины и каменной кладки. Для любой аккумуляторной дрели, которая будет регулярно использоваться профессионально или полупрофессионально, правильным выбором будет бесщеточная дрель.

Матовый против Бесщеточный двигатель постоянного тока : Техническое сравнение

Бесщеточные двигатели постоянного тока в настоящее время доминируют в приложениях, где эффективность, долговечность или точное электронное управление являются приоритетами. Коллекторные двигатели по-прежнему производятся для экономичных приложений с малым рабочим циклом или простоты, где их более низкая удельная стоимость и более простые схемы привода перевешивают их недостатки в производительности. В частности, в сегменте электроинструментов рынок решительно сместился в сторону бесщеточных инструментов. большинство крупных производителей инструментов теперь предлагают бесщеточные варианты во всей линейке аккумуляторных инструментов. от компактных отверток до мощных ударных дрелей и угловых шлифовальных машин.