Что такое бесщеточный двигатель? Исчерпывающее руководство по технологии BLDC

Предисловие

В последние годы в дискуссиях об электродвигателях преобладают бесщеточные двигатели. Это объясняется тем, что они обладают лучшими характеристиками, надежностью и эффективностью по сравнению с щеточными двигателями. Бесщеточный двигатель постоянного тока или ECM (electrically commutated motor) - это тип двигателя, работающий на постоянном токе. Они изменили автомобильную промышленность, робототехнику, электронику и системы охлаждения. Необходимость в щетке и вращающемся коммутаторе, устанавливающем электрический контакт, отпала, что, в свою очередь, позволило уменьшить механический износ, повысить эффективность и срок службы бесщеточных двигателей.

В этой статье мы подробно рассмотрим определение бесщеточного двигателя, его устройство, принцип работы и сферу применения в различных отраслях промышленности.

Согласно исследованию Grand View Research Markets, по состоянию на 2020 год стоимость мирового рынка бесщеточных двигателей постоянного тока достигла 8,7 миллиарда долларов, и ожидается, что его объем будет увеличиваться с совокупным годовым темпом роста (CAGR) 7,5% в период с 2021 по 2028 год. Эта тенденция объясняется растущей интеграцией электродвигателей в различные пространства. Другой причиной этой тенденции является поворот ротора, благодаря которому двигатели BLDC обеспечивают лучшее управление.

Что такое бесщеточный двигатель?

Бесщеточный двигатель - это тип двигателя, в котором для получения скорости вращения и, как следствие, вращательного движения используются электромагнитные катушки в статоре и постоянный магнит в роторе. В отличие от традиционных щеточных двигателей, бесщеточный двигатель не содержит ни физических щеток, ни щеток, ни коммутатора. Вместо этого они используют электронную коммутацию, но всегда управляются электронным регулятором скорости или ESC.

Бесщеточные двигатели имеют ряд преимуществ, поскольку в них отсутствуют щетки. К ним относятся низкий износ, высокая эффективность и низкая стоимость обслуживания. Кроме того, благодаря усовершенствованной системе управления бесщеточные двигатели достигают более высоких скоростей и создают больший крутящий момент, чем их аналоги того же размера с щеточным управлением.

Почему бесщеточные двигатели пользуются большей популярностью, чем щеточные?

Бесщеточные двигатели получили широкое распространение во многих отраслях промышленности благодаря своим преимуществам перед другими двигателями. Однако этот рост популярности можно объяснить несколькими ключевыми факторами, в том числе.

Высокая эффективность: Бесщеточный двигатель отличается более высокой энергоэффективностью, поскольку в нем нет трения и потерь механической энергии из-за щеток и коммутаторов, как во многих других устройствах. Это позволяет лучше экономить энергию и увеличивает срок службы аккумулятора в портативных устройствах.

Не требует особого ухода: Отсутствие щеток в бесщеточных двигателях устраняет необходимость в регулярном обслуживании, таком как износ щеток. Таким образом, затраты на обслуживание ниже, а надежность выше.

Точное управление: Точная скорость вращения и крутящий момент обеспечиваются бесщеточными двигателями с помощью электронной коммутации и передовых алгоритмов управления. Поэтому они могут использоваться в приложениях, требующих высокой точности и прецизионности движения при одновременной плавности работы.

Компактный размер: Бесщеточные двигатели обладают большей удельной мощностью, чем щеточные, что позволяет уменьшить размер бесщеточного двигателя. Это особенно выгодно в тех случаях, когда пространство ограничено, например, в беспилотниках и портативных гаджетах.

Атрибут	Бесщеточные двигатели	Щеточные двигатели
Эффективность	Высокая эффективность благодаря отсутствию трения щеток, что позволяет лучше использовать энергию.	Низкий КПД из-за потерь энергии на трение щеток и коммутацию.
Техническое обслуживание	Не требует особого ухода, так как не нужно заменять щетки.	Повышенный уровень технического обслуживания из-за износа щеток и необходимости их замены.
Точность управления	Точное управление благодаря электронной коммутации и передовым алгоритмам управления.	Менее точное управление, ограниченное физическими щетками и коммутатором.
Размер и плотность мощности	Компактность и высокая плотность мощности позволяют использовать более компактные и мощные двигатели.	Как правило, более крупные и менее мощные при том же размере из-за механических ограничений.
Долговечность	Увеличенный срок службы, так как механический износ значительно снижен.	Сокращение срока службы из-за износа щеток и коммутаторов.
Шум и электромагнитные помехи	Низкий уровень шума и электромагнитных помех, подходит для чувствительных приложений.	Повышенный уровень шума и возможность возникновения электромагнитных помех.

Принцип работы бесщеточных двигателей

Бесщеточные двигатели работают по принципу, известному как электромагнитная индукция. Статор бесщеточного двигателя состоит из нескольких электромагнитных катушек, а ротор оснащен встроенными постоянными магнитами. Подача электрического тока на катушки статора приводит к образованию магнитного поля, которое взаимодействует с постоянными магнитами ротора, в результате чего ротор вращается, преобразуя электрическую энергию в механическую.

Роль магнитов и электромагнитных полей

Ротор бесщеточного двигателя оснащен постоянными магнитами. Эти магниты, состоящие из редкоземельных материалов, включая неодим или кобальт самария, расположены определенным образом, чтобы сформировать чередующиеся северные и южные полюса, которые играют решающую роль в создании вращательного движения.

Катушки представляют собой часть статора и снабжаются током в определенном порядке, так что он образует вращающееся магнитное поле. Это поле действует на ротор с постоянными магнитами и создает вращающий момент, который стремится повернуть ротор.

Изменяя порядок подачи тока в катушки статора, можно регулировать скорость и направление вращения ротора.

Электронный контроль скорости (ESC) - объяснение

В бесщеточных двигателях используются электронные регуляторы скорости, известные как ESC, для процесса коммутации. Эти ESC отвечают за преобразование входных команд, поступающих от пользователя или системы управления, в правильную синхронизацию импульсов тока, подаваемых на обмотки статора.

Электрический регулятор скорости (ESC) управляет током через комбинацию широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и управления с ориентацией на поле (FOC) для регулирования числа оборотов в минуту (RPM) и крутящего момента двигателя. Такая схема также основана на элементах обратной связи, таких как датчики на основе эффекта Холла или обратного ЭДС, поскольку время коммутации регулируется в зависимости от положения ротора. Такой уровень управления двигателем также является одной из основных причин широкого применения бесщеточных двигателей в различных отраслях.

Применение бесщеточных двигателей в различных отраслях промышленности

Бесщеточные двигатели нашли применение в различных отраслях благодаря высокой эффективности, надежности и производительности. Некоторые из основных секторов и областей применения, в которых широко используются бесщеточные двигатели, включают:

Бесщеточные двигатели в различных отраслях промышленности

Автомобильные инновации с бесщеточными двигателями

В автомобильном мире бесщеточные двигатели нашли свое применение во многих областях, включая электроусилители руля, топливные насосы и системы охлаждения двигателя. Эти бесщеточные двигатели способны обеспечить высокую плотность крутящего момента, точное управление и большую топливную эффективность по сравнению с другими гидравлическими или механическими системами, которые использовались в прошлом.

Аналогичным образом, бесщеточные двигатели занимают все большее место в производстве электрических и гибридных транспортных средств. Их использование постоянно растет, поскольку бесщеточные двигатели подходят для тяговых двигателей, систем рекуперативного торможения и систем охлаждения батарей, чтобы повысить эффективность и производительность таких автомобилей.

Влияние на бытовую электронику и робототехнику

Бесщеточные двигатели принесли огромную пользу индустрии бытовой электроники, поскольку они позволили уменьшить размеры высокопроизводительных гаджетов, таких как дроны, смартфоны, носимые устройства и другие устройства. Использование бесщеточных двигателей в этих машинах выгодно благодаря высокой плотности мощности и точному управлению, которое они обеспечивают. Эти качества делают их хорошо подходящими для применения в тех случаях, когда требуется плавная работа машины с длительным временем работы от аккумулятора.

Робототехника - это область, в которой среди множества механизмов используются сервоприводы в специализированных моторах. Это бесщеточные двигатели, которые находят применение в промышленных роботах, роботах для совместной работы (коботах) и сервисных роботах. Они обеспечивают необходимую точность, крутящий момент и скорость, что очень важно для выполнения задач по перемещению, сварке и даже перемещению материалов.

Бесщеточные двигатели в электромобилях

Появление бесщеточных двигателей в электромобилях (EV) изменило автомобильное пространство. В первую очередь бесщеточные двигатели, в частности, двигатели BLDC. Как таковые, они обладают значительными преимуществами для таких приложений.

Начнем с того, что BLDC-двигатель обладает высокой удельной мощностью, что позволяет ему обеспечивать большую мощность на единицу объема по сравнению с щеточными двигателями, что позволяет создавать компактные и легкие конструкции двигателей, минимизировать общую массу транспортного средства и тем самым повысить энергоэффективность автомобиля в целом.

Кроме того, двигатели BLDC обладают высоким КПД в диапазоне от 85% до 95%. Это очень важно, особенно для электромобилей, поскольку высокий КПД позволяет увеличить дальность поездки и снизить потребление энергии.

Наконец, управление BLDC-двигателями позволяет исключительно точно контролировать характеристики скорости и крутящего момента, делая ускорение, рекуперативное торможение и эффективное управление мощностью в EV плавными и отзывчивыми. Это также приводит к улучшению управляемости и устойчивости автомобиля.

Бесщеточные двигатели для вентиляторов охлаждения

В системах охлаждения нагрев устройств и систем предотвращается с помощью охлаждающих вентиляторов, при этом обеспечивается эффективная работа устройств. Использование бесщеточных двигателей, в частности двигателей вентиляторов BLDC, становится все более распространенным в системах охлаждения благодаря их эффективности по сравнению с более традиционными вентиляторами.

Вентиляторы BLDC в сравнении с традиционными охлаждающими вентиляторами

Щеточные двигатели постоянного тока или асинхронные двигатели переменного тока используются в качестве двигателей вентиляторов охлаждения практически во всех конструкциях в стандартном исполнении. Раньше эти двигатели были широко распространены из-за их надежности, но теперь у них есть несколько недостатков по сравнению с двигателями вентиляторов BLDC.

Традиционные вентиляторы постоянного тока, использующие щеточные двигатели постоянного тока, связаны с ранним выходом из строя, поскольку эти двигатели имеют щетки и коммутаторы, которые вызывают механический износ. Таким образом, эти двигатели имеют относительно короткий срок службы, более требовательны к обслуживанию и склонны к поломкам.

Кроме того, щеточные двигатели создают электрические шумы и электромагнитные помехи для работы электронных схем и компонентов, которые приводятся в движение, что может затруднить работу чувствительных систем.

В отличие от них, двигатели вентиляторов BLDC имеют ряд преимуществ перед обычными вентиляторами:

Улучшенная производительность: Поскольку отсутствуют потери в щетках и коммутаторе, эффективность двигателей вентиляторов BLDC выше. Следовательно, они потребляют меньше энергии и повышают эффективность охлаждения.

Увеличенный срок службы: Отсутствие щеточных компонентов в моторах вентиляторов BLDC исключает механический износ, присущий щеточным аналогам. Это привело к увеличению срока службы и уменьшению необходимости технического обслуживания.

Низкий уровень шума и электромагнитных помех: эмиссия электрического шума и электромагнитных помех от двигателей вентиляторов BLDC минимальна, поэтому их можно использовать в чувствительных электронных приложениях.

Точное управление скоростью: Использование ШИМ-сигнала для управления двигателем вентилятора BLDC довольно просто и позволяет точно регулировать скорость в соответствии с потребностями конкретной задачи охлаждения.

Применение охлаждающих вентиляторов BLDC

Охлаждающие вентиляторы BLDC широко используются в различных отраслях промышленности и продуктах, таких как:

Бытовая электроника: Охлаждающие вентиляторы BLDC находят применение в ноутбуках, настольных компьютерах и игровых консолях, а также в любой другой электронике, для нормального функционирования которой требуется тщательная терморегуляция.

Автомобиль: Системы охлаждения аккумуляторов, системы климат-контроля автомобилей, а также охлаждение силовой электроники - вот некоторые области применения охлаждающих вентиляторов BLDC в автомобилестроении.

Промышленное оборудование: Такие вентиляторы также применяются на станках с ЧПУ, промышленных панелях управления, блоках питания и другом промышленном оборудовании для рассеивания тепла и предотвращения разрушения оборудования.

Медицинские изделия: Медицинские инструменты, такие как аппараты искусственной вентиляции легких, мониторы пациента и системы визуализации, также используют охлаждающие вентиляторы BLDC для обеспечения надежной работы и безопасности пациентов.

Выбор стандартов для охлаждающих вентиляторов BLDC

Существует множество стандартов и спецификаций, которые необходимо учитывать при выборе вентилятора, например, вентилятора охлаждения BLDC. Это необходимо для обеспечения совместимости компонентов и повышения производительности системы, а также ее надежности. Некоторые из ключевых стандартов и спецификаций, которые необходимо учитывать, включают:

Размер и конфигурация: Размеры и разновидности, доступные в конструкции этих охлаждающих вентиляторов BLDC, включают воздуходувки, центробежные вентиляторы и осевые вентиляторы. В зависимости от потребности в тепле и технических характеристик помещения, размеры и тип крепления должны быть соответствующими.

Номинальная мощность: Различные вентиляторы могут иметь разную мощность. Например, охлаждающий вентилятор BLDC может быть на 12, 24 или даже 48 В. Такие вентиляторы необходимо выбирать в соответствии со спецификациями источника питания, необходимого для системы.

Эффективность: эффективность охлаждения вентилятора во многом зависит от скорости и воздушного потока, которыми он обладает. Поэтому необходимо выбрать вентилятор с подходящей скоростью вращения, измеряемой в оборотах в минуту, и воздушным потоком, измеряемым в CFM или м³/ч, в соответствии с возможностями системы по рассеиванию тепла.

Звук: Для облегчения поиска и определения характеристик производительность охлаждающего вентилятора BLDC можно определить по количеству децибел (дБ) шума, который он производит. На уровень шума вентилятора следует обращать внимание, особенно в тех случаях, когда необходимо поддерживать низкий уровень шума, например, в медицинских учреждениях или офисах.

Экологические аспекты: на охлаждающий вентилятор BLDC могут влиять различные характеристики окружающей среды, такие как температура, влажность, пыль и вибрация. Стоит выбирать вентилятор, который предназначен для работы в особых условиях окружающей среды.

Учитывая эти стандарты и спецификации, инженеры и конструкторы могут выбрать оптимальный тип охлаждающего вентилятора BLDC для конкретного применения и, таким образом, добиться хорошей производительности, надежности и совместимости со всей системой.

Заключение

Бесщеточный двигатель, также называемый бесщеточным двигателем постоянного тока (BLDC) или двигателем с электронной коммутацией, нашел применение в различных отраслях промышленности, поскольку он более совершенен, более эффективен и более надежен, чем щеточные двигатели. Отсутствие щеток и использование электронной коммутации в бесщеточных двигателях обеспечивает ряд преимуществ, включая меньший механический износ, большую эффективность, точность управления и уменьшенный размер. Вышеизложенное означает, что в двигателях BLDC практически нет контакта с питанием, поэтому техническое обслуживание минимально.

Бесщеточные двигатели используются в различных отраслях промышленности, включая автомобилестроение, робототехнику, электронные приборы и системы охлаждения. Они играют важную роль в современных электромобилях, где требуются компактные эффективные тяговые двигатели и системы охлаждения аккумуляторов. В новых вентиляторах охлаждения двигатели вентиляторов BLDC более эффективны, чем традиционные вентиляторы, и поэтому их легче интегрировать в различные электронные устройства и системы.

В связи с постоянным развитием технологий ожидается, что для компрессоров, двигателей BLDC и бесщеточных вентиляторов постоянного тока будет разработано еще больше применений, которые станут движущей силой дальнейших инноваций в различных областях. Использование технологии бесщеточных двигателей приведет к созданию высоконадежных, эффективных и производительных систем, стимулируя прогресс в области электромобильности, автоматизации и решений для охлаждения.

Вопросы и ответы:

Как выбрать бесщеточный двигатель нужного размера для своего проекта?

При выборе бесщеточного двигателя с подходящими физическими ограничениями для проекта необходимо оценить несколько критериев:

Требования к крутящему моменту: Определите крутящий момент, который потребуется для управления вашим приложением. Исходя из требований к нагрузке, ускорению и скорости, определите крутящий момент, который потребуется для такой системы.

Диапазон скоростей: Определите диапазон скоростей, в котором должен работать двигатель. Бесщеточные двигатели позволяют работать на высоких скоростях, но конструкция двигателя и требования конкретного приложения будут определять конкретный диапазон.

Необходимая мощность: Используйте требуемые скорость и крутящий момент при расчете выходной мощности для вашего приложения. Приобретите бесщеточный двигатель с номинальной мощностью не менее рассчитанной ранее.

Номинальные значения напряжения и тока: Используйте бесщеточный двигатель, номинальные значения напряжения и тока которого соответствуют используемому источнику питания. Учитывайте максимальное напряжение и ток, потребляемые двигателем под нагрузкой.

Соображения, связанные с пространством и весом: Определите доступное пространство и максимальный вес, который может быть допустим в вашем приложении. Выберите бесщеточный двигатель с такими габаритами и весом, которые будут удобно вписываться в ограничения, накладываемые вашей конструкцией.

Условия окружающей среды: Оцените условия работы двигателя, включая температуру, влажность и вибрацию. Используйте бесщеточный двигатель с соответствующими экологическими характеристиками и средствами защиты.

Каковы преимущества использования бесщеточного двигателя по сравнению с традиционными двигателями?

По сравнению с традиционными щеточными двигателями, бесщеточные двигатели имеют следующие преимущества:

Потери можно свести к минимуму: В бесщеточном двигателе отсутствуют потери в щетках и коммутаторе, поэтому он имеет более высокий КПД. КПД может достигать 95%, что делает бесщеточный двигатель энергоэффективным, а портативные приложения требуют меньшего расхода батареи.

Продолжительность жизни увеличена: Бесщеточный двигатель - это бесщеточный двигатель, что означает, что его моторы не ложатся сердцем на мышцы, увеличивают срок службы двигателей и сокращают общее техническое обслуживание.

Высокая точность: Бесщеточные двигатели обладают высокой инерционной эффективностью и точностью крутящего момента благодаря интеграции с различными передовыми методами управления, такими как широтно-импульсная модуляция или управление с ориентацией на поле. Это обеспечивает плавность работы, точность позиционирования и высочайший уровень производительности в различных областях применения.

Высокая скорость и крутящий момент: Бесщеточные двигатели генерируют больший крутящий момент и позволяют развивать большую скорость, чем щеточные двигатели того же размера, поскольку считается, что щеточные двигатели механически ограничены в своих возможностях. Но с бесщеточными двигателями, которые преодолевают свои ограничения благодаря алмазному дизайну, чистка щетками не является проблемой.

Низкий уровень шума и электромагнитных помех: Бесщеточные двигатели работают практически без шума и электромагнитных помех (ЭМП) по сравнению с щеточными двигателями. Это делает их пригодными для использования в деликатных электронных средах и приложениях, где требуется низкий уровень шума.

Компактный размер и высокая плотность мощности: Бесщеточные двигатели могут легко достигать высокой плотности мощности, что дает возможность создавать компактные и легкие конструкции. Это очень полезно в приложениях с ограниченным пространством, таких как беспилотники, робототехника и портативные устройства.

Более низкий уровень обслуживания: Использование бесщеточных двигателей избавляет от необходимости регулярного технического обслуживания, связанного с износом щеток. Таким образом, расходы на обслуживание становятся дешевле, а надежность повышается.

Широкий диапазон скоростей: Бесщеточные двигатели способны работать в широком диапазоне скоростей, от низких до высоких, поддерживая при этом постоянный крутящий момент. Эта особенность делает их идеальными для различных приложений с разными требованиями к скорости.

Хотя первоначальная стоимость бесщеточных двигателей выше, чем щеточных, долгосрочная экономия, а также более высокая производительность и долговечность с лихвой компенсируют эти затраты. Фактическая выгода от использования бесщеточного двигателя зависит от качественных и количественных требований поставленной задачи и конструктивных особенностей двигателя.

Каковы общие проблемы обслуживания и устранения неисправностей бесщеточных двигателей?

Несмотря на то, что бесщеточные двигатели имеют более низкие требования к техническому обслуживанию, при работе с ними все же могут возникнуть некоторые проблемы, связанные с обслуживанием и устранением неисправностей:

Износ подшипников: Нет никаких сомнений в том, что бесщеточные двигатели оснащены подшипниками, которые со временем изнашиваются. Это приведет к появлению дополнительных уровней шума и вибрации наряду с теми, которые уже присутствуют в двигателе. Все эти факторы в целом помогут решить, нужно ли проводить ремонт или замена подшипников является лучшим вариантом.

Повреждение изоляционных систем также может произойти, особенно в случае обмоток статора, которые часто находятся в условиях повышенной влажности или высокой температуры. Эта проблема может еще больше усугубляться пробоем изоляции, поскольку в результате может возникнуть короткое замыкание. Избежать этой проблемы можно, регулярно контролируя сопротивление обмоток и меняя мотор-редукторы по мере необходимости.

Любой тип двигателя, и бесщеточные двигатели не исключение, работает в рамках заданных параметров, и обычно это зависит от использования датчиков типа эффекта Холла или энкодера для обеспечения соответствующей обратной связи при позиционировании. Эти датчики жизненно важны для правильной работы двигателя, и если они выйдут из строя, весь двигатель может работать некорректно или не работать вообще. Чаще всего для решения различных проблем, связанных с датчиками, необходимо выполнить несколько действий, которые могут включать в себя проверку проводки, соединений датчиков, а в некоторых редких ситуациях требуется замена самих датчиков.

Перегрев: Бесщеточный двигатель может перегреться при работе сверх номинальных характеристик или при отсутствии охлаждения. В результате перегрева могут быть повреждены обмотки, магниты и другие устройства. Чтобы избежать перегрева, рекомендуется обеспечить достаточную вентиляцию, использовать соответствующие методы охлаждения и ограничить работу двигателя в пределах его номинальных параметров.

Правильная эксплуатация бесщеточных двигателей, а также своевременный осмотр и ремонт помогут избежать и распознать любые потенциальные проблемы, которые могут привести к поломке двигателя. Если процедуры по устранению неисправностей не помогли решить проблему, следующим шагом будет обращение к производителю или квалифицированным специалистам по обслуживанию.