Въведение в продуктите BLDC и анализ на сценариите за приложение

Въведение в продуктите BLDC и анализ на сценариите за приложение

I. Въведение в постояннотоковите двигатели без щетки (BLDC)

Постояннотоковият двигател без щетки (BLDC) е вид двигател с постоянно напрежение, който не използва механични комутационни контакти (въглеродни щетки). Вместо това той използва електронен контролер за осъществяване на комутацията, като по този начин заменя традиционния постояннотоков двигател с щетки.

Аналогът на този двигател е основният "постояннотоков двигател (двигател с щетки)". В магнитно поле е поставена намотка. Когато през нея протече ток, намотката се отблъсква от единия магнитен полюс и привлича от другия, което води до непрекъснато въртене под това въздействие. По време на въртенето посоката на тока, протичащ през намотката, се обръща, което позволява на двигателя да продължи да се върти.

В еднотоковия двигател (двигател с четки) магнитното поле, генерирано от неподвижните постоянни магнити, е стационарно. Въртенето се постига чрез управление на магнитното поле, създавано от намотката (ротора) вътре в него. Ъгловата скорост се променя чрез изменение на напрежението. В безчетковия постояннотоков двигател (BLDC) роторът се състои от постоянни магнити. Въртенето се постига чрез промяна на посоката на магнитното поле, генерирано от заобикалящите го намотки. Въртенето на ротора се управлява чрез регулиране на посоката и големината на тока, протичащ през намотките.

Безчетковите постояннотокови двигатели имат три конфигурации: еднофазни, двуфазни и трифазни. От тях най-разпространени са трифазните BLDC двигатели. Обикновено еднофазните и трифазните безчеткови двигатели често се използват в битовите електроуреди. Основният принцип на работа на тези две конфигурации е един и същ, но методите за тяхното управление се различават леко.

В еднофазен безщетков двигател всички вътрешни намотки се изпълняват с единичен проводник. Посоката на тока е различна между намотките. Чрез промяна на посоката на тока в подходящи положения и моменти може да се осъществи управление на въртенето на двигателя. Методът за управление при тази конфигурация е относително прост, поради което той намира широко приложение, например в радиаторни вентилатори.

В отличие от еднофазната конструкция, вътрешните намотки на трифазен безщетков двигател са разделени на три групи. Повърхностно те изглеждат като три независими набора намотки, но вътрешно са свързани помежду си. В сравнение с еднофазната конструкция тази конфигурация на двигателя предлага предимства по отношение на регулирането на скоростта и намаляването на общия шум, което води до по-широк спектър от приложения.

II. Характеристики на безщетковите двигатели

1. Могат да заменят регулирането на скоростта на постояннотокови двигатели, регулирането на скоростта чрез инвертор + двигател с променлива честота и регулирането на скоростта на асинхронни двигатели с редуктор ;

2. Запазва предимствата на традиционните постояннотокови двигатели, като елиминира конструкцията с въглени четки и пръстенови контакти ;

3. Способен е на работа при ниска скорост и висока мощност; може да задвижва големи товари директно, без редуктор ;

4малки размери, лека конструкция, висока изходна мощност;

5отлични въртящи моменти, добра производителност при средни/ниски скорости, висок стартов въртящ момент, нисък стартов ток;

6. Безстъпен регулатор на скоростта, широк диапазон на скорости, голяма способност за претоварване ;

7. Мек старт/спиране, добри характеристики на спиране; може да отстрани необходимостта от оригинални механични или електромагнитни спирачни устройства ;

8. Висока ефективност: самият двигател няма загуби от възбуждане или загуби от въглени четки; елиминира се консумацията при многостепенна намаляване на скоростта, постигайки комплексна икономия на енергия от 20 % до 60 % ;

9. Висока надеждност, добра стабилност, силна адаптивност, проста поддръжка и ремонт;

10. Устойчив на вибрации и удари, нисък шум, ниска вибрация, плавна работа, дълъг срок на експлоатация ;

11. Липса на искрогенериране, особено подходящо за експлозивни среди; налични са взривобезопасни модели ;

12. В зависимост от изискванията могат да се избират двигатели с трапецовидна вълнова форма на полето и двигатели с синусоидна вълнова форма на полето .

III. Сценарии за приложение на безщетковите двигатели

Приложения с постоянна натовареност

Този тип приложение се използва предимно в области, където се изисква определена скорост на въртене, но с ниски изисквания към точността на тази скорост, например вентилатори, водни помпи и фенове. Такива приложения обикновено имат относително ниска стойност и често използват управление в отворен контур.

Приложения с променлива натовареност

Тези приложения главно се отнасят до случаи, при които скоростта на двигателя трябва да се променя в определен диапазон. Тези приложения изискват по-високи характеристики на двигателя при високи скорости и по-добра динамична реакция. Добри примери са битовите електроуреди като перални машини, центрофуги за изсушаване и компресори. В автомобилната промишленост контролът на маслени помпи, електронните контролери, управлението на двигателя и електронните инструменти също са отлични примери. Има и множество приложения в аерокосмическата област, като центрофуги, помпи, роботизирани ръце и гироскопи. В тази област често се използват обратни връзки от двигателя, за да се осъществи полуотворен или затворен контур на управление. Това изисква сложни алгоритми за управление, което увеличава сложността на контролера и разходите за системата.

Приложения за позициониране

Повечето промишлени системи за управление и автоматизация попадат в тази категория. Тези приложения често включват предаване на енергия, например чрез зъбчати предавки или транспортни ленти. Следователно системата има специфични изисквания към динамичния отклик по скорост и въртящия момент на двигателя. Освен това тези приложения може да изискват чести промени в посоката на въртене на двигателя. Двигателят може да работи в режими на ускорение, постоянно въртене или забавяне, а натоварването също може да варира по време на тези режими. Това поставя по-високи изисквания към контролера.