Введение в продукты BLDC и анализ сценариев применения

Введение в продукты BLDC и анализ сценариев применения

I. Введение в BLDC

Бесщёточный двигатель постоянного тока (BLDC) — это тип двигателя постоянного тока, в котором не используются механические коммутирующие контакты (угольные щётки). Вместо этого коммутация осуществляется с помощью электронного контроллера, что позволяет заменить традиционный коллекторный двигатель постоянного тока.

Его аналогом является базовый «двигатель постоянного тока (коллекторный двигатель)». Катушка размещается в магнитном поле. При протекании тока катушка отталкивается от одного магнитного полюса и притягивается к другому, что вызывает её непрерывное вращение под действием этой силы. Во время вращения направление тока в катушке меняется, обеспечивая её дальнейшее вращение.

В постоянном токе (коллекторный двигатель) магнитное поле, создаваемое неподвижными постоянными магнитами, является стационарным. Вращение достигается за счёт управления магнитным полем, создаваемым обмоткой (ротором) внутри двигателя. Скорость вращения изменяется путём регулирования напряжения. В бесщёточном двигателе постоянного тока (BLDC) ротор состоит из постоянных магнитов. Вращение достигается изменением направления магнитного поля, создаваемого окружающими обмотками. Вращение ротора управляется путём регулирования направления и величины тока, протекающего через обмотки.

Бесщёточные двигатели постоянного тока имеют три конфигурации: однофазную, двухфазную и трёхфазную. Среди них наиболее распространённой является трёхфазная BLDC-конфигурация. Как правило, однофазные и трёхфазные бесщёточные двигатели часто применяются в бытовых электроприборах. Основной принцип работы этих двух конфигураций одинаков, однако их методы управления несколько различаются.

В однофазном бесщеточном двигателе все внутренние обмотки выполнены с использованием одного провода. Направление тока в обмотках различается. Изменяя направление тока в соответствующих положениях и в нужные моменты времени, можно управлять вращением двигателя. Метод управления для такой конфигурации относительно прост, поэтому он широко применяется, например, в вентиляторах радиаторов.

В отличие от однофазной конструкции, внутренние обмотки трёхфазного бесщеточного двигателя разделены на три группы. Внешне они выглядят как три независимых набора обмоток, однако внутри они соединены между собой. По сравнению с однофазной конструкцией такая конфигурация двигателя обеспечивает преимущества в управлении скоростью и снижении общего уровня шума, что расширяет спектр её применений.

II. Характеристики бесщеточных двигателей

1. Может заменить регулирование скорости постоянного тока, регулирование скорости с помощью инвертора и асинхронного двигателя с частотным преобразователем, а также регулирование скорости асинхронного двигателя с редуктором ;

2. Сохраняет преимущества традиционных постоянного тока двигателей, одновременно устраняя конструкцию угольных щёток и контактных колец ;

3. Способен работать на низких скоростях при высокой мощности; может напрямую приводить в движение крупные нагрузки без редуктора ;

4небольшие габариты, лёгкий вес, высокая выходная мощность;

5отличные характеристики крутящего момента, хорошая производительность на средних и низких скоростях, высокий пусковой момент, низкий пусковой ток;

6. Бесступенчатое регулирование скорости, широкий диапазон скоростей, высокая перегрузочная способность ;

7. Плавный пуск/останов, хорошие тормозные характеристики, позволяет отказаться от оригинальных механических или электромагнитных тормозных устройств ;

8. Высокий КПД: сам двигатель не имеет потерь на возбуждение и потерь на угольных щётках, устраняет энергопотребление, связанное с многоступенчатым замедлением, обеспечивая общую экономию энергии на 20–60 % ;

9. Высокая надёжность, хорошая стабильность, высокая адаптивность, простое техническое обслуживание и ремонт;

10. Устойчив к вибрациям и ударам, низкий уровень шума, низкая вибрация, плавная работа, длительный срок службы ;

11. Отсутствие искрообразования, особенно подходит для взрывоопасных сред; доступны взрывозащищённые модели ;

12. В зависимости от требований можно выбрать двигатели с трапецеидальной формой кривой магнитного поля или двигатели с синусоидальной формой кривой магнитного поля .

III. Сценарии применения бесщёточных двигателей

Применение при постоянной нагрузке

Такой тип применения используется в основном в областях, где требуется определённая частота вращения, однако требования к точности поддержания этой частоты невысоки — например, вентиляторы, водяные насосы и фены. Подобные применения, как правило, характеризуются относительно низкой стоимостью и часто используют разомкнутую систему управления.

Применение при переменной нагрузке

Эти области применения в основном связаны с задачами, где скорость двигателя должна изменяться в определённом диапазоне. Для таких применений предъявляются повышенные требования к высокоскоростным характеристикам двигателя и его динамическому отклику. Хорошими примерами являются бытовые приборы, такие как стиральные машины, центрифуги для отжима белья и компрессоры. В автомобильной промышленности к числу отличных примеров относятся управление масляным насосом, электронные контроллеры, управление двигателем и электрические инструменты. Много подобных применений также существует в аэрокосмической отрасли — например, центрифуги, насосы, роботизированные манипуляторы и гироскопы. В этой области часто используются устройства обратной связи двигателей для реализации полуразомкнутого и замкнутого управления. Это требует применения сложных алгоритмов управления, что повышает сложность контроллера и стоимость всей системы.

Применения для позиционирования

Большинство промышленных систем управления и автоматизации относятся к этой категории. Такие системы зачастую связаны с передачей энергии, например, посредством зубчатых передач или конвейерных лент. Соответственно, к двигателю предъявляются специфические требования в отношении динамического отклика скорости и крутящего момента. Кроме того, в этих приложениях может требоваться частая смена направления вращения двигателя. Двигатель может работать в режимах разгона, постоянной скорости или торможения, а нагрузка также может изменяться в ходе каждого из этих режимов. Это предъявляет повышенные требования к контроллеру.