Щеточные и бесщеточные двигатели: работа, конструкция и применение

Электродвигатели стали огромной частью нашей жизни. Они встречаются во всех видах устройств, от электромобилей до дронов, роботов и других электронных устройств. В общем, электродвигатель - это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Их обычно называют полной противоположностью генераторов, поскольку они работают по схожим принципам и теоретически могут быть преобразованы в генераторы. В основном они используются в ситуациях, когда необходимо вращательное движение, и находят применение в бытовой технике (вибрационные двигатели), роботах, медицинском оборудовании, игрушках и многом другом.

Электродвигатели можно разделить на две большие категории в зависимости от типа используемого для них источника энергии: двигатели переменного тока и двигатели постоянного тока. Как следует из названия, двигатели переменного тока обычно питаются от источников переменного тока (однофазных или трехфазных) и в основном используются в промышленных и тяжелых приложениях, где требуется большой крутящий момент. С другой стороны, двигатели постоянного тока (которые являются нашим фокусом на сегодняшний день) обычно меньше по размеру и используются в приложениях, основанных на батареях (или подключенных к источникам постоянного тока), где требуется значительно меньший объем работы по сравнению с двигателями переменного тока. Они находят применение в нескольких устройствах, от повседневных устройств, таких как машинки для стрижки бритья, до игрушек для детей, роботов и дронов.

Требования к двигателям постоянного тока различаются от одного приложения к другому, поскольку одно приложение может потребовать большего крутящего момента и снижения скорости, в то время как другое может потребовать большей скорости и меньшего крутящего момента, поэтому двигатели постоянного тока иногда классифицируются продавцами на основе этого. Однако двигатели постоянного тока можно разделить на три различных категории или типа, включая:

Матовый двигатель постоянного тока
Бесщеточные двигатели постоянного тока
Сервомоторы.

В сегодняшней статье мы сосредоточимся на бесщеточных и щеточных двигателях постоянного тока, поскольку мы исследуем разницу между ними по принципу действия, конструкции, применению, преимуществам и недостаткам. Для третьего типа вы можете просмотреть подробную статью о сервомоторе.

Принцип работы и конструкция

Работа всех двигателей, как правило, основаны на двух принципах, которые являются ; Закон Ампера и закон Фарадея. В первый закон гласит, что электрический проводник, помещенный в магнитное поле, будет испытывать силу, если какой - либо ток, протекающий через проводник имеет компонент под прямым углом к этой области. В втором принципе гласит, что если проводник перемещается через магнитное поле, то любой компонент движение перпендикулярно к этой области будет генерировать разность потенциалов между концами проводника.

Согласно этим законам электродвигатели состоят из двух основных частей; Постоянный магнит и связка проводников, скрученных в катушку. Подавая электричество на катушку, она становится магнитом, и, основываясь на том факте, что магниты отталкиваются на одинаковых полюсах и притягиваются на разных полюсах, достигается вращательное движение.

Матовый двигатель постоянного тока

Щеточный двигатель постоянного тока известен как один из самых ранних и простых двигателей, поскольку он реализует законы, описанные выше, самым простым способом. Как описано на изображении ниже, конструкция щеточного двигателя постоянного тока состоит из неподвижного статора, состоящего из постоянного магнита и подвижного якоря (ротора), на котором такие компоненты, как коммутатор, щетки и разрезное кольцо, размещены вокруг двигателя. вал.

Когда питание подается на двигатель (через батарею или через источник переменного тока в постоянный, подключенный к источнику), электричество течет от источника к якорю через щетки, которые обычно расположены на противоположных сторонах вала двигателя. Щетки (присутствие которых в конструкции является основным фактором, определяющим название двигателя), передают электрический ток на якорь посредством физического контакта с коммутатором. Как только якорь (катушка с проволокой) находится под напряжением, он начинает вести себя как магнит, и в этот момент его полюса начинают отталкивать полюса постоянного магнита, составляющего статор. Когда полюса отталкиваются, вал двигателя, к которому прикреплен якорь, начинает вращаться со скоростью и крутящим моментом, которые зависят от силы магнитного поля вокруг якоря.

Сила магнитного поля обычно является функцией напряжения, приложенного к щеткам, и силы постоянного магнита, используемого для статора.

Бесщеточные двигатели постоянного тока

Несмотря на то, что они используют тот же принцип электромагнетизма, с другой стороны, бесщеточные двигатели более сложны. Они являются прямым результатом усилий, направленных на повышение эффективности щеточных двигателей постоянного тока, и их можно просто описать как двигатели, в которых для коммутации не используются щетки. Однако упрощенный характер этого описания приводит к вопросам о том, как двигатель получает питание и как достигается движение без щеток, которые я попытаюсь объяснить.

В отличие от конструкции щеточных двигателей, в бесщеточных двигателях все наоборот. Якорь, который в случае щеточного двигателя вращается внутри статора, в бесщеточных двигателях неподвижен, а постоянный магнит, который в щеточных двигателях неподвижен, служит ротором в бесщеточном двигателе. Проще говоря, статор бесщеточных двигателей постоянного тока состоит из катушек, а его ротор (к которому прикреплен вал двигателя) состоит из постоянного магнита.

Поскольку бесщеточный двигатель исключает использование щеток для подачи питания на якорь, переключение (коммутация) становится более сложным и выполняется электронным способом с использованием дополнительного набора электронных компонентов (например, усилителя, запускаемого коммутирующим компонентом, таким как оптический энкодер) для достижения движения.. Алгоритмы коммутации для бесщеточных двигателей постоянного тока можно разделить на два; Сенсорная и бессмысленная коммутация.

При коммутации на основе датчиков датчики (например, датчик Холла) размещаются вдоль полюсов двигателя, чтобы обеспечить обратную связь для схемы управления, чтобы помочь ей оценить положение ротора. Для коммутации на основе датчиков используются три популярных алгоритма;

Трапецеидальная коммутация
Синусоидальная коммутация
Векторное (или полевое) управление.

Каждый из этих алгоритмов управления имеет свои плюсы и минусы, и алгоритмы могут быть реализованы по-разному в зависимости от программного обеспечения и конструкции электронного оборудования для внесения необходимых изменений.

С другой стороны, при бессенсорной коммутации, вместо того, чтобы размещать датчики внутри двигателей, схема управления предназначена для измерения обратной ЭДС для оценки положения ротора.

Этот алгоритм работает довольно хорошо и имеет меньшую стоимость, поскольку не требует затрат на датчики Холла, но его реализация намного сложнее по сравнению с алгоритмами на основе датчиков.

Преимущества и недостатки

В щеточных двигателях постоянного тока щетки находятся в постоянном контакте с вращающимся коммутатором. Это приводит к возникновению значительного трения, что, в свою очередь, приводит к потере энергии на нагрев и постепенному износу щеток. Таким образом, щеточные двигатели постоянного тока имеют низкий КПД и требуют периодического обслуживания. Это создает большое трение, а трение равняется теплу (потере энергии) и износу. С другой стороны, бесщеточные двигатели постоянного тока практически не имеют трения и, следовательно, имеют действительно высокий КПД, не требуют обслуживания и служат дольше, чем щеточные двигатели постоянного тока.

Однако щеточные двигатели постоянного тока очень дешевы по сравнению со своими бесщеточными аналогами из-за простой конструкции. С другой стороны, бесщеточные двигатели постоянного тока довольно дороги из-за их сложной конструкции и дополнительных затрат на дополнительные электронные компоненты (контроллеры), необходимые для их привода.

Приложения

В то время как бесщеточные двигатели постоянного тока более популярны в наши дни, щеточные двигатели постоянного тока все еще используются в повседневной бытовой технике, детских игрушках и в промышленных приложениях из-за легкости, с которой можно изменять соотношение их скорости к крутящему моменту. Из-за их низкой стоимости они используются в приложениях, где главное устройство могло выйти из строя раньше двигателей.

С другой стороны, бесщеточные двигатели постоянного тока нашли применение во всех видах устройств, от медицинского оборудования, роботов и дронов до электромобилей, электроинструментов и т. Д. Они в основном используются в приложениях, требующих высокой эффективности, долговечности и оправдывающих затраты.

Факторы, которые следует учитывать при выборе между бесщеточным и щеточным двигателями постоянного тока

Помимо скорости, крутящего момента, номинальной мощности и других основных требований к вашему приложению, ниже есть три фактора, которые, как мне кажется, также следует учитывать при принятии решения о типе двигателя, который будет использоваться для вашего приложения.

Рабочий цикл / срок службы
Эффективность
Управление / срабатывание
Стоимость

Рабочий цикл / срок службы

Срок службы описывает, как долго двигатель должен работать до выхода из строя и в каком рабочем цикле. Это важно, потому что щеточный двигатель постоянного тока, как упоминалось ранее, подвержен износу из-за трения между щетками и коммутатором. Таким образом, важно убедиться, что это приложение, в котором двигатель будет работать в течение всего срока службы, или приложение, в котором обслуживание двигателя будет считаться нормальным и недорогим, если будут использоваться щеточные двигатели постоянного тока. Хорошим примером этого являются детские игрушки, где игрушки обычно выбрасываются или повреждаются до того, как двигатель изнашивается. В приложениях с длительным сроком службы и обслуживанием двигателя нецелесообразно использовать бесщеточные двигатели постоянного тока.

Эффективность

Как правило, бесщеточные двигатели постоянного тока имеют более высокий общий КПД по сравнению с щеточными двигателями постоянного тока, но были случаи, когда щеточные двигатели без железа с сердечником имели более высокий КПД по сравнению с эквивалентными бесщеточными двигателями. Однако перед принятием решения важно оценить общую требуемую эффективность и сравнить ее с КПД каждого двигателя. В большинстве случаев, когда решающим фактором является эффективность, бесщеточные двигатели постоянного тока обычно выигрывают.

Управление / срабатывание

Обычно это одна из основных проблем, когда речь идет об использовании бесщеточных двигателей постоянного тока. Дополнительные требования, такие как контроллеры и т. Д., Делают приведение в действие более сложным по сравнению с щеточными двигателями постоянного тока, которые могут приводиться в действие / приводиться такими же тривиальными методами, как подключение батареи к ее клеммам. Вы должны убедиться, что объем сложности, связанный с использованием бесщеточного двигателя постоянного тока для проекта, оправдан, а вспомогательная электроника, такая как контроллеры, легко доступна. Несмотря на простоту щеточных двигателей постоянного тока, они иногда не подходят для высокоточных приложений. Хотя щеточный двигатель постоянного тока можно легко подключить к контроллеру, например к Arduino, очень сложно подключить BLDC к Arduino Uno, однако ESC (электронный контроллер скорости) упрощает взаимодействие BLDC с микроконтроллером.

Стоимость

Сложность конструкции бесщеточных двигателей постоянного тока делает их действительно дорогими по сравнению с щеточными двигателями постоянного тока. Прежде чем переходить на бесщеточные двигатели постоянного тока, убедитесь, что дополнительные затраты находятся в пределах допустимых для проекта. Также рассмотрите стоимость других аксессуаров, необходимых для использования BLDC, прежде чем принимать решение.