Щіткові та безщіткові двигуни: експлуатація, конструкція та застосування

Електродвигуни стали величезною частиною нашого життя. Вони знайдені у всіх видах пристроїв - від електромобілів до безпілотників, роботів та інших електронних пристроїв. Загалом, електричний двигун - це пристрій, який перетворює електричну енергію в механічну. Зазвичай їх називають прямо протилежною генераторам, оскільки вони працюють за подібними принципами і теоретично можуть бути перетворені на генератори. Вони, по суті, використовуються в ситуаціях, коли необхідний обертальний рух, і вони знаходять застосування в приладах (вібраційні двигуни), роботах, медичному обладнанні, іграшках тощо.

Електричні двигуни можна розділити на дві широкі категорії залежно від типу джерела живлення, що використовується для них: двигуни змінного струму та двигуни постійного струму. Як випливає з назви, двигуни змінного струму в основному живляться за допомогою джерел змінного струму (однофазні або трифазні) і в основному використовуються в промислових та важких роботах, де необхідний великий крутний момент. З іншого боку, двигуни постійного струму (на які ми орієнтуємося сьогодні), як правило, менші і використовуються в додатках на основі батарей (або підключених до джерел постійного струму), де потрібно значно менший обсяг роботи порівняно з двигунами змінного струму. Вони знаходять додатки в декількох пристроях, починаючи від повсякденних пристроїв, таких як машинки для гоління, до іграшок для дітей, роботів та безпілотників тощо.

Вимога до двигунів постійного струму відрізняється від одного застосування до іншого, оскільки одне застосування може вимагати більшого крутного моменту та зменшення швидкості, тоді як інше може вимагати більшої швидкості та зменшеного крутного моменту, тому двигуни постійного струму іноді класифікуються продавцями на основі цього. Однак двигуни постійного струму можна класифікувати на три різні категорії або типи, включаючи;

1. Матовий двигун постійного струму
2. Безщіткові двигуни постійного струму
3. Сервомотори.

У сьогоднішній статті наша увага буде зосереджена на безщіткових та матових двигунах постійного струму, оскільки ми вивчаємо різницю між ними за принципом роботи, конструкцією, застосуванням, перевагами та недоліками. Для третього типу ви можете переглянути детальну статтю про сервомотор.

Принцип операції та побудова

Робота всіх двигунів, як правило, базується на двох принципах ; Закон Ампера та закон Фарадея. У перший закон говорить, що електричний провідник, поміщений в магнітне поле, буде відчувати силу, якщо якийсь - або струм, що протікає через провідник має компонент під прямим кутом до цієї області. У другому принципі говорить, що якщо провідник переміщається через магнітне поле, то будь-який компонент рух перпендикулярно до цієї області буде генерувати різниця потенціалів між кінцями провідника.

Виходячи з цих законів, електродвигуни складаються з двох основних частин; Постійний магніт і пучок провідників, намотаних на котушку. Подаючи електрику на котушку, вона стає магнітом, і, виходячи з того, що магніти відштовхуються на подібних полюсах і притягуються на відмінні полюси, досягається обертальний рух.

Матовий двигун постійного струму

Відомо, що матовий двигун постійного струму є одним з ранніх і найпростіших двигунів, оскільки він найпростішим чином реалізує вищезазначені закони. Як описано на малюнку нижче, конструкція матового двигуна постійного струму складається з нерухомого статора, виготовленого з постійного магніту, і рухомої якоря (ротора), на якому такі компоненти, як комутатор, щітки та розділене кільце, розміщені навколо двигуна вал.

Коли електроенергія подається на двигун (через акумулятор або через джерело змінного струму, що підключається до постійного струму), електроенергія надходить від джерела до якоря через щітки, які зазвичай розташовані на протилежних сторонах вала двигуна. Щітки (присутність яких у конструкції є головним фактором, що лежить в основі назви двигуна) передають електричний струм на якір через фізичний контакт з комутатором. Як тільки якор (котушка дроту) отримує напругу, він починає поводитися як магніт, і в цей момент його полюси починають відштовхувати полюси постійного магніту, який становить статор. У міру відштовхування полюсів вал двигуна, до якого кріпиться якір, починає обертатися зі швидкістю та крутним моментом, які залежать від сили магнітного поля навколо якоря.

Сила магнітного поля, як правило, залежить від напруги, що подається на щітки, і від сили постійного магніту, що використовується для статора.

Безщіткові двигуни постійного струму

Незважаючи на те, що вони використовують той самий принцип електромагнетизму, безщіткові двигуни, з іншого боку, є більш складними. Вони є прямим результатом зусиль, спрямованих на підвищення ефективності матових двигунів постійного струму, і їх можна просто описати як двигуни, які не використовують щітки для комутації. Однак спрощений характер цього опису поступається місцем питанням про те, як двигун отримує потужність і як рух досягається без щіток, які я спробую пояснити.

На відміну від конструкції щіткових двигунів, у безщіткових двигунах речі перевертаються. Арматура, яка у випадку матового двигуна обертається всередині статора, нерухома в безщіткових двигунах, а постійний магніт, який у матових двигунах закріплений, служить ротором у безщітковому двигуні. Простіше кажучи, статор для безщіткових двигунів постійного струму складається з котушок, тоді як його ротор (до якого прикріплений вал двигуна) складається з постійного магніту.

Оскільки безщітковий двигун виключає використання щіток для подачі живлення на якір, комутація (комутація) стає більш складною і виконується в електронному вигляді за допомогою додаткового набору електронних компонентів (як підсилювач, що спрацьовує комутуючим компонентом, таким як оптичний кодер) для досягнення руху. Алгоритми комутації для безщіткових двигунів постійного струму можна розділити на два; Сенсорна і безглузда комутація.

При комутації на основі датчиків датчики (наприклад, датчик Холла) розміщуються уздовж полюсів двигуна, щоб забезпечити зворотний зв'язок з схемою управління, щоб допомогти йому оцінити положення ротора. Існує три популярні алгоритми, що використовуються для комутації на основі датчиків;

1. Трапецієвидна комутація
2. Синусоїдальна комутація
3. Векторне (або орієнтоване на поле) управління.

Кожен із цих алгоритмів управління має свої плюси і мінуси, і алгоритми можуть бути реалізовані різними способами, залежно від програмного забезпечення та конструкції обладнання електроніки, щоб внести необхідні зміни.

З іншого боку, при комутації без датчиків, замість того, щоб датчики розміщувались у двигунах, схема управління призначена для вимірювання задньої ЕРС для оцінки положення ротора.

Цей алгоритм працює досить добре і має менші витрати, оскільки вартість датчиків залу виключається, але його реалізація набагато складніша в порівнянні з алгоритмами, заснованими на датчиках.

Переваги та недоліки

У матових двигунах постійного струму щітки постійно контактують з обертовим комутатором. Це призводить до утворення значної кількості тертя, а це, в свою чергу, призводить до втрати енергії на нагрівання та поступового зносу щіток. Таким чином, матові двигуни постійного струму мають низький ККД і потребують періодичного обслуговування. Це створює велике тертя, і тертя дорівнює теплу (втрати енергії) та зносу. Бездротовий постійний струм, з іншого боку, по суті без тертя і, отже, має справді високу ефективність, вимагає нульового обслуговування і служить довше, ніж електродвигуни постійного струму.

Однак матові двигуни постійного струму дуже дешеві в порівнянні з їх безщітковими аналогами завдяки простому характеру їх конструкції. Натомість безщіткові двигуни постійного струму є досить дорогими через їх складну конструкцію та додаткові витрати на додаткові електронні компоненти (контролери), необхідні для їх керування.

Програми

Хоча безщіткові двигуни постійного струму сьогодні популярніші, матові двигуни постійного струму все ще використовуються в повсякденній побутовій техніці, дитячих іграшках та в промислових цілях завдяки легкості, з якою можна змінювати їх співвідношення швидкості та крутного моменту. Через свою низьку вартість вони використовуються в додатках, де хост-пристрій може вийти з ладу перед моторами.

З іншого боку, безщіткові двигуни постійного струму знайшли застосування у всіх видах пристроїв, починаючи від медичного обладнання, роботів і безпілотників, закінчуючи електричними автомобілями, електроінструментами тощо. Вони, по суті, використовуються в додатках, що вимагають високої ефективності, довговічності та вартують витрат.

Фактори, які слід враховувати при виборі між безщітковим та матовим двигунами постійного струму

Крім швидкості, крутного моменту, номінальної потужності та інших основних вимог до вашої програми, наведених нижче, є три фактори, які, на мою думку, також може бути корисним врахувати, приймаючи рішення про тип двигуна для вашої програми.

1. Робочий цикл / термін служби
2. Ефективність
3. Керування / спрацьовування
4. Вартість

Робочий цикл / термін служби

Термін служби описує, як довго двигун повинен працювати, перш ніж вийти з ладу, і з яким робочим циклом. Це важливо, оскільки матовий двигун постійного струму, про який згадувалося раніше, сприйнятливий до зношування через тертя між щітками і комутатором. Таким чином, важливо забезпечити, щоб застосування було таким, при якому двигун буде функціонувати протягом усього терміну експлуатації, або те, що обслуговування двигуна вважатиметься нормальним і недорогим, якщо використовуватимуться матові двигуни постійного струму. Хорошим прикладом цього є дитячі іграшки, де іграшки зазвичай викидають або пошкоджують до того, як двигун зношується. У випадках, коли тривалий термін служби та обслуговування двигуна не є життєздатним варіантом, безщіткові двигуни постійного струму, як правило, є розумним варіантом.

Ефективність

Як правило, безщіткові двигуни постійного струму мають вищу загальну ефективність у порівнянні з матовими двигунами постійного струму, але траплялись випадки використання безщелесних серцевинних матових двигунів з вищою ефективністю порівняно з еквівалентними безщітковими двигунами. Однак важливо оцінити загальну необхідну ефективність та порівняти її з ефективністю кожного двигуна перед тим, як приймати рішення. У більшості випадків, коли ефективність є вирішальним фактором, безщіточні двигуни постійного струму зазвичай виграють.

Керування / спрацьовування

Зазвичай це одна з основних невдач, коли справа стосується використання безщіткових двигунів постійного струму. Додаткові вимоги, такі як контролери тощо, роблять приведення в дію більш складним у порівнянні з матовим двигунами постійного струму, які могли б мати тривиальний спосіб живлення / приведення в дію, як підключення акумулятора через його клеми. Ви повинні переконатись, що складність використання безщіткового двигуна постійного струму для проекту є виправданою, а підтримуюча електроніка, як контролери, легко доступна. Незалежно від простоти шліфованих двигунів постійного струму, вони іноді не підходять для високоточних застосувань. Хоча матовий двигун постійного струму можна легко підключити до контролера, такого як Arduino, підключити BLDC до Arduino Uno набагато складніше, проте ESC (електронний контролер швидкості) спрощує взаємодію BLDC з мікроконтролером.

Вартість

Складність конструкції безщіткових двигунів постійного струму робить їх справді дорогими порівняно з матовими двигунами постійного струму. Переконайтеся, що додаткові витрати в межах доступних меж для проекту, перш ніж користуватися безщітковими двигунами постійного струму. Також перед прийняттям рішення враховуйте вартість інших аксесуарів, необхідних для використання BLDC.