Что такое бесщеточный двигатель? Как это работает, пояснения к диаграммам и типам постоянного тока

Что такое бесщеточный двигатель?

Бесщеточный двигатель — это электродвигатель, который генерирует вращательную силу посредством магнитных полей, коммутируемых электроникой, без необходимости использования физических угольных щеток и механического коллекторного кольца, используемых в обычных щеточных двигателях. Вместо того, чтобы полагаться на скользящие электрические контакты для переключения направления тока через обмотки ротора, бесщеточный двигатель использует специальный электронный контроллер — ESC (электронный регулятор скорости) или драйвер BLDC — для упорядочения тока через неподвижные обмотки статора в точном соответствии с положением ротора. Сам ротор оснащен постоянными магнитами и вообще не имеет электрических соединений.

Этот сдвиг в архитектуре имеет три непосредственных последствия. Во-первых, отсутствует трение щетки или образование дуги — основной источник тепла, износа и потери эффективности в щеточных конструкциях. Во-вторых, тепловыделяющие обмотки находятся на статоре, который непосредственно контактирует с корпусом двигателя и может охлаждаться пассивно или активно; в щеточном двигателе тепло накапливается внутри вращающегося ротора, откуда его трудно рассеивать. В-третьих, время коммутации можно оптимизировать программно для любых условий эксплуатации, что позволяет двигателю работать с максимальной эффективностью в широком диапазоне оборотов и нагрузки. Бесщеточные двигатели обычно достигают эффективности 85–95%. по сравнению с 75–80% для эквивалентных конструкций с щеткой.

Термин «бесщеточный двигатель» чаще всего относится к бесщеточному двигателю постоянного тока (BLDC), который питается от постоянного напряжения и использует электронную коммутацию для приближения к вращающемуся магнитному полю двигателя переменного тока. Бесщеточные двигатели переменного тока, в том числе синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM), работают по тому же физическому принципу, но приводятся в движение синусоидальными сигналами переменного тока, а не трапециевидным переключением постоянного тока. В повседневном использовании «бесщеточный двигатель» и «двигатель BLDC» взаимозаменяемы в бытовой электронике, электроинструментах, дронах, электромобилях и промышленной автоматизации.

Схема Бесщеточный двигатель постоянного тока : Внутренняя структура

Для понимания схемы бесщеточного двигателя постоянного тока необходимо определить пять функциональных элементов: статор, ротор, постоянные магниты, датчики Холла и внешний контроллер. В отличие от схемы коллекторного двигателя, на которой показаны щетки, прижимающиеся к сегментированному коллекторному кольцу на вращающемся валу, схема BLDC показывает всю электрическую сложность на неподвижном внешнем корпусе с простым магнитным узлом, вращающимся внутри или снаружи него.

Статор (стационарные обмотки)

Статор представляет собой фиксированную внешнюю конструкцию двигателя BLDC с внутренним ротором (или внутреннее кольцо в бегунке). Он состоит из ламинированных сердечников из кремниевой стали, отштампованных в форме звезды или явнополюсного типа, намотанных медными катушками, расположенными в три фазы: фаза A, фаза B и фаза C. Эти три фазы соединены либо в конфигурации звезды (Y), где все три обмотки имеют общую нейтральную точку, либо в конфигурации треугольника (Δ), где обмотки соединяются встык в треугольнике. Схема подключения звездой встречается чаще. в двигателях BLDC, поскольку он создает более высокий крутящий момент при низких оборотах и упрощает конструкцию контроллера; Соединение треугольником предпочтительнее там, где приоритетом является максимальная высокоскоростная мощность.

Количество пазов статора и полюсов ротора определяет фундаментальный характер двигателя. Конфигурация с 12 пазами и 14 полюсами (распространенная в дроновых двигателях) обеспечивает плавный крутящий момент с низким уровнем зубцов. 12-полюсная конструкция с 9 пазами популярна в электроинструментах благодаря балансу плотности крутящего момента и простоты изготовления. Количество слотов и полюсов также определяет частоту электрического цикла — 14-полюсный двигатель совершает 7 электрических циклов за один механический оборот, а это означает, что его контроллер должен переключать ток в 7 раз быстрее за один оборот вала, чем 2-полюсный двигатель при той же частоте вращения.

Ротор (постоянные магниты)

В двигателе BLDC с внутренним ротором — стандартной конфигурации в электроинструментах, жестких дисках и большинстве промышленных двигателей — ротор расположен внутри отверстия статора. Он состоит из стального вала с постоянными магнитами, установленными на его поверхности или встроенными в него. Магнитные роторы поверхностного монтажа (SPM) проще в изготовлении и доминируют в недорогих конструкциях; Роторы с внутренними постоянными магнитами (IPM) встраивают магниты внутрь пластин ротора, что обеспечивает более высокий реактивный момент и лучшее ослабление магнитного потока в расширенном диапазоне скоростей. В тяговых двигателях электромобилей почти повсеместно используются конструкции ротора IPM.

В двигателях Outrunner BLDC эта геометрия изменена: узел постоянного магнита вращается вокруг фиксированного статора снаружи. Это дает опережающим колесам больший момент для создания крутящего момента и делает их естественным образом подходящими для применения в приложениях с прямым приводом — пропеллеры дронов и электродвигатели-колеса велосипедов передают нагрузку непосредственно на вращающуюся внешнюю оболочку, устраняя необходимость в коробках передач. Outrunners производят более высокий крутящий момент при более низких оборотах чем эквивалентные направляющие, в то время как направляющие вращаются быстрее и лучше подходят для высокоскоростных приложений с редуктором.

Датчики Холла

Большинство двигателей BLDC оснащены тремя датчиками Холла, установленными в статоре с интервалом 120 ° (или 60 ° в некоторых конфигурациях). Каждый датчик обнаруживает магнитное поле проходящих магнитов ротора и выдает двоичный сигнал — высокий или низкий — в зависимости от того, северный или южный полюс находится рядом. Три датчика вместе создают 3-битный код положения (например, 101, 001, 011, 010, 110, 100), который циклически проходит через шесть уникальных состояний за электрический цикл, что дает контроллеру достаточное разрешение положения, чтобы определить, на какую фазу статора подавать питание в любой момент. Это суть логики коммутации бесщеточного двигателя: Выход датчика Холла → контроллер расшифровывает положение ротора → переключает правильную пару фаз. .

В двигателях BLDC без датчиков датчики Холла полностью отсутствуют, а вместо этого они определяют положение ротора, отслеживая противо-ЭДС (электродвижущую силу), генерируемую в обесточенной фазной обмотке, когда магниты ротора проносятся мимо. Бессенсорные конструкции проще, компактнее и дешевле — они преобладают в дронах, вентиляторах охлаждения ПК и бытовой технике — но требуют, чтобы ротор уже вращался, прежде чем можно будет обнаружить обратную ЭДС. Вот почему бездатчиковым двигателям необходима последовательность запуска (принудительная коммутация с разомкнутым контуром) перед переключением на отслеживание обратной ЭДС с замкнутым контуром, и почему они могут колебаться или не запускаться надежно при большой нагрузке.

Как работают бесщеточные двигатели: последовательность коммутации

Принцип работы бесщеточного двигателя заключается в электромагнитном притяжении и отталкивании между переключаемыми электромагнитами статора и фиксированными постоянными магнитами ротора. Контроллер непрерывно создает вращающееся магнитное поле в статоре, подавая напряжение на обмотки в определенной последовательности; постоянные магниты ротора преследуют это вращающееся поле, преобразуя магнитный момент во вращение механического вала.

В трехфазном двигателе BLDC с трапециевидной коммутацией (стандартный подход для двигателей, оснащенных датчиком Холла) в любой момент только две из трех фаз находятся под напряжением. Шестиступенчатая последовательность коммутации контроллера работает следующим образом:

1. Шаг 1: Фаза A положительная, фаза B отрицательная, фаза C выключена. Возникающее магнитное поле притягивает ближайший магнит ротора к паре полюсов статора AB.
2. Шаг 2: Фаза A положительная, фаза C отрицательная, фаза B выключена. Поле электрически вращается на 60°; ротор следует за ним.
3. Шаг 3: Фаза B положительная, Фаза C отрицательная, Фаза A выключена. Поле поворачивается еще на 60°.
4. Шаг 4: Фаза B положительная, Фаза A отрицательная, Фаза C выключена. Ротация продолжается.
5. Шаг 5: Фаза C положительная, Фаза A отрицательная, Фаза B выключена.
6. Шаг 6: Фаза C положительная, Фаза B отрицательная, Фаза A выключена. Завершен один полный электрический цикл; последовательность повторяется.

Каждый шаг удерживает возбужденное поле немного впереди текущего положения ротора — как морковка, постоянно находящаяся перед ротором. Ротор никогда не догоняет, потому что как только он приближается к текущему положению поля, контроллер переходит к следующему шагу. Скорость регулируется путем изменения напряжения, подаваемого на обмотки. , обычно посредством ШИМ (широтно-импульсной модуляции) на переключателях верхнего плеча трехфазного инверторного моста контроллера. Крутящий момент регулируется величиной фазного тока. Взаимосвязь между этими двумя переменными и их оптимизация в реальном времени — это то, что отличает базовый драйвер BLDC от сложной системы ориентированного на поле управления (FOC).

Полеориентированное управление против трапециевидной коммутации

Трапециевидная коммутация резко переключается между шестью ступенями, создавая пульсацию крутящего момента — периодическое изменение выходного крутящего момента — с частотой, в шесть раз превышающей электрическую частоту. На низких скоростях эта пульсация создает слышимый шум и вибрацию; на высоких скоростях он становится незначительным. Полево-ориентированное управление (FOC), также называемое синусоидальной коммутацией или векторным управлением, подает постоянно изменяющиеся синусоидальные токи ко всем трем фазам одновременно, создавая идеально плавное вращающееся магнитное поле. Результат почти нулевая пульсация крутящего момента, более тихая работа и повышение эффективности на 5–15 %. при частичных нагрузках. FOC требует большей вычислительной мощности (микроконтроллер DSP или ARM Cortex, работающий на частоте в десятки МГц) и точного измерения тока на всех трех фазах, поэтому он является стандартным для электроинструментов премиум-класса, электромобилей и промышленных сервоприводов, но менее распространен в недорогих потребительских товарах.

Бесщеточный двигатель против коллекторного двигателя: важные различия в производительности

Схема бесщеточного электродвигателя по сравнению со схемой коллекторного двигателя показывает основной компромисс: коллекторные двигатели являются механически самокоммутируемыми (более простая электроника привода, более низкая стоимость системы), в то время как бесщеточные двигатели переносят сложность на контроллер и взамен получают существенные преимущества в производительности.

Образование дуги на щетках особенно важно в тех случаях, когда возникают проблемы с электромагнитными помехами (электромагнитными помехами) — в медицинских приборах, прецизионном измерительном оборудовании и радиочастотных системах. Коллектор коллекторного двигателя генерирует широкополосный электрический шум во всем частотном спектре, который может передаваться в близлежащие чувствительные цепи. Бесщеточные двигатели, напротив, создают шум переключения только на частоте ШИМ и ее гармониках — управляемом и предсказуемом источнике помех, который можно отфильтровать с помощью стандартных компонентов подавления электромагнитных помех.

Основные характеристики бесщеточного двигателя постоянного тока

Выбор бесщеточного двигателя постоянного тока для конкретного применения требует интерпретации нескольких взаимозависимых характеристик, которые не указаны в технических характеристиках коллекторного двигателя. Понимание этих цифр предотвращает неправильное применение, в частности недооценку требований контроллера, что является наиболее распространенной ошибкой спецификации при проектировании систем бесщеточных двигателей.

• Номинал КВ (об/мин/В) — Скорость двигателя на холостом ходу на вольт приложенного постоянного тока, без необходимости преобразования единиц. Двигатель на 1000 кВ при напряжении 12 В без нагрузки вращается со скоростью примерно 12 000 об/мин. Более высокое KV = быстрее, меньший крутящий момент; ниже KV = медленнее, выше крутящий момент. Мощность двигателей дронов обычно варьируется от 300 кВ (большие, медленные винты) до 2500 кВ (маленькие, быстрые винты).
• Непрерывный и пиковый ток (А) — Непрерывный ток — это постоянная нагрузка, которую двигатель может выдерживать без перегрева; пиковый ток — это мгновенный максимум во время ускорения или остановки. Номинальный ток контроллера должен превышать пиковый ток двигателя. — занижение размера ESC приводит к выходу из строя полевого транзистора во время резкого ускорения.
• Фазовое сопротивление (мОм) — Сопротивление обмотки между любыми двумя фазными клеммами. Более низкое сопротивление означает меньшие потери в меди (нагрев I²R) при данном токе, но также означает более высокий ток остановки, который может повредить контроллер, если он не ограничен по току.
• Постоянный крутящий момент (Нм/А) — Выходной крутящий момент, создаваемый на ампер фазного тока, напрямую связан с KV обратной зависимостью Kt = 60/(2π × KV). Этот показатель определяет, какой ток требуется приложению при максимальном крутящем моменте.
• Количество полюсов — Требуется контроллером для расчета правильной частоты коммутации. 14-полюсный двигатель со скоростью 3000 об/мин требует, чтобы контроллер выполнял 7 × 3000/60 = 350 электрических циклов в секунду — минимум 2100 переключений в секунду при трапециевидной коммутации.
• Сенсорный или безсенсорный — Есть ли в двигателе датчики Холла. Для сенсорных двигателей требуется контроллер с входами датчика Холла; бездатчиковым двигателям необходим контроллер с обнаружением противо-ЭДС. Смешение этих факторов — запуск двигателя с датчиком на контроллере без датчика — приводит к ненадежному запуску и потенциальному размагничиванию.

Где используются бесщеточные двигатели: области применения по отраслям

За последние два десятилетия бесщеточные двигатели вытеснили коллекторные конструкции практически во всех критически важных приложениях, что было вызвано снижением стоимости контроллеров и необходимостью увеличения интервалов обслуживания и более высокой удельной мощности.

Бытовая электроника и бытовая техника

Двигатели шпинделей жестких дисков были одними из первых бесщеточных устройств массового рынка — требования к точному контролю скорости и длительному сроку службы шпинделей жестких дисков с самого начала сделали коллекторные двигатели непрактичными. Сегодня вентиляторы охлаждения ПК, барабанные двигатели стиральных машин, роботы-пылесосы и беспроводные электроинструменты в стандартной комплектации используют двигатели BLDC. Аккумуляторная дрель премиум-класса с бесщеточным двигателем обеспечивает На 25–50 % больше времени работы на одной зарядке по сравнению с щеточным эквивалентом того же напряжения, поскольку более высокая эффективность преобразует больше энергии батареи в полезную работу, а не в тепло.

Дроны и радиоуправляемые приложения

Мультироторные дроны полностью зависят от двигателей BLDC с опережением — обычно трехфазных, бездатчиковых и с прямым приводом — для создания тяги. Сочетание высокого соотношения мощности и веса, точного электронного контроля скорости и отсутствия щеток, требующих обслуживания, делает BLDC единственной жизнеспособной силовой технологией для потребительских и коммерческих БПЛА. Типичный 5-дюймовый двигатель гоночного дрона FPV (размер корпуса 2306, 2400 кВ) весит менее 35 г и производит более 1 кг тяги при пиковом токе — плотность мощности, к которой не могут приблизиться коллекторные двигатели.

Электромобили

Тяговые электродвигатели преимущественно представляют собой конструкции BLDC (или PMSM) с внутренними постоянными магнитами, управляемые инверторами FOC, питающимися от высоковольтного аккумуляторного блока. Задний двигатель Tesla в Модели 3 представляет собой переключаемую реактивную конструкцию, а передний двигатель представляет собой PMSM, выбранный из-за его эффективности во всем диапазоне скоростей движения по шоссе. В BMW i3 и большинстве моделей Hyundai/Kia EV используются двигатели IPM BLDC. Пиковая выходная мощность варьируется от 150 кВт в компактных электромобилях до более 500 кВт в высокопроизводительных приложениях, и все они управляются трехфазными инверторами автомобильного класса с точностью переключения на уровне микросекунд.

Промышленная автоматизация и робототехника

Серводвигатели в станках с ЧПУ, роботизированных манипуляторах и конвейерных системах почти исключительно бесщеточные — сочетание управления FOC, энкодеров высокого разрешения и обратной связи с обратной связью обеспечивает точность позиционирования с точностью до микрона и регулировку скорости с точностью до 0,01% при изменении нагрузки. В средах с взрывоопасными газами или мелкой пылью (переработка зерна, химические заводы, горнодобывающая промышленность) бесщеточные двигатели с герметичным корпусом исключают риск возгорания дуги на щетках, что дает им право на получение сертификатов ATEX и IECEx для опасных зон, которым не могут соответствовать коллекторные двигатели.