Вступ до продуктів BLDC та аналіз сценаріїв їх застосування

Вступ до продуктів BLDC та аналіз сценаріїв їх застосування

I. Вступ до BLDC

Безщітковий постійного струму двигун (BLDC) — це тип двигуна постійного струму, який не використовує механічні комутаційні контакти (вугільні щітки). Замість цього він використовує електронний контролер для здійснення комутації, замінюючи традиційний двигун постійного струму з щітками.

Його аналогом є базовий «двигун постійного струму (щітковий двигун)». Котушка розміщена в магнітному полі. Коли через неї проходить струм, котушку відштовхує один магнітний полюс і притягує інший, що призводить до неперервного обертання під дією цього ефекту. Під час обертання напрямок струму, що проходить через котушку, змінюється, що дозволяє їй продовжувати обертатися.

У постійному струмі (щітковому) двигуні магнітне поле, створене нерухомими постійними магнітами, є нерухомим. Обертання досягається шляхом керування магнітним полем, що виникає в обмотці (роторі) всередині двигуна. Швидкість обертання змінюється шляхом зміни напруги. У двигуні постійного струму без щіток (BLDC) ротор складається з постійних магнітів. Обертання досягається шляхом зміни напрямку магнітного поля, яке створюють оточуючі обмотки. Обертання ротора керується шляхом регулювання напрямку та величини струму, що протікає через обмотки.

Двигуни постійного струму без щіток мають три конфігурації: однофазну, двофазну та трифазну. Серед них найпоширенішою є трифазна BLDC-конфігурація. Зазвичай однофазні та трифазні двигуни без щіток часто використовуються в побутових електроприладах. Основний принцип роботи цих двох конфігурацій однаковий, але методи їх керування трохи відрізняються.

У однофазному безщітковому двигуні всі внутрішні обмотки виконані за допомогою одного проводу. Напрямок струму в обмотках різний. Змінюючи напрямок струму у відповідних положеннях і в потрібний час, можна досягти керування обертанням двигуна. Метод керування для такої конфігурації є порівняно простим, тому його широко використовують у таких застосуваннях, як вентилятори радіаторів.

На відміну від однофазної конструкції, внутрішні обмотки трифазного безщіткового двигуна розділені на три групи. На перший погляд вони виглядають як три незалежні набори обмоток, але всередині вони взаємопов’язані. Порівняно з однофазною конструкцією така конфігурація двигуна має переваги у керуванні швидкістю та загальному зниженні рівня шуму, що забезпечує ширший спектр застосувань.

II. Характеристики безщіткових двигунів

1. Може замінити регулювання швидкості постійного струму, регулювання швидкості за допомогою перетворювача + двигуна змінної частоти та регулювання швидкості асинхронного двигуна з редуктором ;

2. Зберігає переваги традиційних постійного струму двигунів, одночасно усуваючи конструкцію з вугільними щітками та ковзними кільцями ;

3. Здатний до роботи на низьких швидкостях при високій потужності; може безпосередньо приводити великі навантаження без редуктора ;

4малі розміри, легка вага, висока вихідна потужність;

5відмінні характеристики крутного моменту, гарна продуктивність на середніх і низьких швидкостях, високий пусковий крутний момент, низький пусковий струм;

6. Плавне регулювання швидкості, широкий діапазон швидкостей, висока перевантажувальна здатність ;

7. Плавне пуско-зупинення, хороші характеристики гальмування; дозволяє відмовитися від оригінальних механічних або електромагнітних гальмівних пристроїв ;

8. Висока ефективність: сам двигун не має втрат на збудження чи втрат через вугільні щітки, усуває енерговтрати багатоступеневого уповільнення, забезпечуючи загальну економію енергії від 20 % до 60 % ;

9. Висока надійність, стабільність, сильна адаптивність, простота обслуговування та ремонту;

10. Стійкий до вібрацій та ударів, низький рівень шуму, низька вібрація, плавна робота, тривалий термін служби ;

11. Відсутність іскроутворення, особливо підходить для вибухонебезпечних середовищ; доступні вибухозахищені моделі ;

12. Можна обрати двигуни з трапецієподібним або синусоїдальним магнітним полем залежно від вимог .

III. Сценарії застосування безщіткових двигунів

Застосування при постійному навантаженні

Цей тип застосування використовується переважно в галузях, де потрібна певна частота обертання, але вимоги до точності підтримання цієї частоти є низькими, наприклад, у вентиляторах, водяних насосах та фенах. Такі застосування, як правило, мають порівняно низьку вартість і часто використовують керування в розімкненому контурі.

Застосування при змінному навантаженні

Це переважно стосується застосувань, у яких швидкість двигуна повинна змінюватися в певному діапазоні. Для таких застосувань пред'являються підвищені вимоги до високошвидкісних характеристик двигуна та його динамічної реакції. Прикладами є побутові прилади, такі як пральні машини, пристрої для віджимання білизни та компресори. У автомобільній промисловості до таких застосувань належать керування масляним насосом, електронні контролери, керування двигуном та електроінструменти. Також існує багато застосувань у галузі аерокосмічної техніки, зокрема центрифуги, насоси, роботизовані манипулятори та гіроскопи. У цій галузі для реалізації напіврозімкненого та замкненого контурів керування часто використовують засоби зворотного зв’язку двигуна. Це вимагає застосування складних алгоритмів керування, що збільшує складність контролера та вартість системи.

Застосування для позиціонування

Більшість промислових систем керування та автоматизації належать до цієї категорії. Такі застосування часто пов’язані з передачею енергії, наприклад, за допомогою зубчастих передач або конвеєрних стрічок. Відповідно, система має певні вимоги щодо динамічної швидкісної реакції двигуна та його крутного моменту. Крім того, у таких застосуваннях може знадобитися часта зміна напрямку обертання двигуна. Двигун може працювати в режимах розгону, сталого обертання або гальмування, а навантаження також може змінюватися протягом цих фаз. Це ставить підвищені вимоги до контролера.