Що таке безщітковий двигун постійного струму

 

A безщітковий двигун постійного струму (BLDC)є типовим мехатронним виробом, який складається з корпусу двигуна та драйвера. Його також називають «безколекторним двигуном», оскільки він не має щіток і комутатора (або колекторного кільця).

 

Історія безщіткових двигунів починається з дев'ятнадцятого століття. У той час американський винахідник Нікола Тесла винайшов асинхронний двигун у 1887 році. Хоча деякі називають асинхронний двигун «одним із попередників безщіткового двигуна», технологічні обмеження того часу зробили розробку двигуна відносно повільним процесом. . Лише в середині 19-го століття з винаходом і застосуванням транзистора стався прорив у технології двигунів. Завдяки використанню схеми комутації транзисторів замість традиційної щітки та комутатора офіційно з’явилися електродвигуни постійного струму з електронною комутацією. Цей новий безщітковий двигун не тільки усуває технічні недоліки асинхронного двигуна, але також значно підвищує ефективність і надійність.

 

В даний час безщітковий двигун постійного струму широко використовується в електроінструментах, побутових приладах і промисловій автоматизації завдяки своїм перевагам високої ефективності, низьких витрат на обслуговування і тривалого терміну служби.

 

 

1. Режими регулювання швидкості

Безщітковий двигун може замінити традиційнийщітковий двигун постійного струмудля регулювання швидкості, і навіть замінити систему регулювання швидкості інвертор + інверторний двигун або асинхронний двигун + редуктор. Він не потребує додаткового обладнання для зміни швидкості та безпосередньо реалізує ефективне регулювання швидкості.

 

2. Конструкція вугільної щітки та контактного кільця

У щіткових двигунах використовуються вугільні щітки та контактні кільця для передачі електричної енергії, і ці деталі зношуються під час використання, що збільшує кількість робіт з технічного обслуговування. Безщіточні двигуни, з іншого боку, усувають вугільні щітки та конструкцію контактних кілець, усуваючи знос цих компонентів і покращуючи термін служби та надійність двигуна.

 

3. Низька швидкість, висока потужність роботи

Безщіточні двигуни можуть досягати високої вихідної потужності на низьких швидкостях і можуть безпосередньо рухати великі вантажі без редуктора швидкості, зменшуючи складність і розмір механічного обладнання.

 

4. Об'єм і вага

Безщіточні двигуни маленькі та легкі, але мають дуже високу вихідну потужність, що дає їм перевагу в портативних та компактних пристроях.

 

5. Моментні характеристики

Безщітковий двигун має відмінні характеристики крутного моменту, особливо на низьких і середніх швидкостях. Його високий пусковий момент і низький пусковий струм роблять його придатним для сценаріїв застосування, які вимагають частого запуску та зупинки.

 

6. Регулювання швидкості та перевантажувальна здатність

Безщітковий двигун має функцію плавного регулювання швидкості, широкий діапазон регулювання швидкості та має сильну здатність до перевантаження, адаптуючись до різноманітних складних умов роботи.

 

7. Пускові та гальмівні характеристики

Безщіточні двигуни з хорошими характеристиками плавного пуску та плавної зупинки можуть усунути потребу в традиційних механічних або електромагнітних гальмівних пристроях, ще більше спрощуючи складність системи.

 

8. Ефективність та енергозбереження

Безщіточні двигуни мають високу ефективність, оскільки в них немає вугільних щіток і втрат збудження. У той же час, оскільки безщіточні двигуни усувають необхідність багатоступеневого зниження швидкості, сумарна економія електроенергії може становити від 20% до 60% або навіть більше.

 

9. Надійність і стабільність

Безщіточні двигуни стабільні, прості в ремонті та обслуговуванні, адаптовані та добре працюють у різноманітних суворих умовах, таких як нерівності та вібрації.

 

10. Шум і термін служби

Безщіточні двигуни працюють тихіше та плавніше, з меншою вібрацією та шумом і мають довший термін служби, ніж щіточні двигуни, оскільки немає вугільних щіток, які зношуються.

 

11. Іскри та вибуховість

Щіткові двигуни можуть генерувати іскри через контакт вугільних щіток, тоді як безщіточні двигуни не мають цієї проблеми і особливо підходять для місць, де потрібен вибухозахист. Крім того, безщіточні двигуни можуть бути обрані з трапецієподібними або синусоїдальними магнітними полями, якщо це необхідно для додаткової оптимізації продуктивності.

 

 

Після розуміння основних понять і переваг безщіткового двигуна постійного струму ми також повинні зрозуміти, як він працює. На відміну від традиційних щіткових двигунів, він використовує електронну систему керування для регулювання струму та комутації для приводу ротора. Нижче наведено введення в роботу безщіткового двигуна постійного струму та його основні компоненти.

 

1. Системи електронної комутації

Головною особливістю безщіткового двигуна постійного струму є відсутність щіток і механічних комутаторів, як у звичайних двигунах. Натомість є електронна система комутації, яка управляється вузлом друкованої плати. Система перемикає напрямок струму відповідно до положення ротора, таким чином забезпечуючи постійне обертання ротора. Положення ротора зазвичай контролюється за допомогою датчиків Холла або інших датчиків положення, а електронний контролер постійно регулює струм обмотки відповідно до сигналів датчика.

 

2. Статор-роторна взаємодія

Статор безщіткового двигуна постійного струму є нерухомим і складається з сердечника статора і обмоток, намотаних навколо нього. При проходженні струму через обмотки утворюється обертове магнітне поле. Це магнітне поле, створюване статором, взаємодіє з магнітами (постійними магнітами) у роторі, приводячи ротор у рух.

 

Статор:Обмотки статора створюють електромагнітне поле, яке обертається разом зі струмом, яке керується електронним контролером комутації.

 

Ротор:Ротор складається з магнітів і сердечника ротора. Коли електромагнітне поле статора змінюється, постійні магніти на роторі піддаються дії сил тяжіння і відштовхування і починають обертатися.

 

3. Основні етапи роботи

Початок:Коли струм проходить через обмотки статора, магнітне поле, створюване обмотками статора, взаємодіє з постійними магнітами на роторі, створюючи крутний момент, який починає обертатися ротор. Безщіточні двигуни мають високий пусковий момент і відносно низький пусковий струм.

 

Робота без навантаження:За відсутності зовнішнього навантаження двигун працює з високою ефективністю, а електронний контролер регулює струм в обмотках відповідно до зворотного зв’язку датчика, щоб ротор обертався стабільно.

 

Робота під навантаженням:Коли двигун підключено до навантаження, ротор буде створювати більший крутний момент, щоб подолати навантаження. Електронний комутатор автоматично регулює струм відповідно до змін навантаження, забезпечуючи безперебійну роботу двигуна під різними навантаженнями.

 

4. Моментні характеристики та регулювання швидкості

Безщіточні двигуни постійного струму забезпечують відмінні характеристики крутного моменту, особливо на низьких і середніх швидкостях. Завдяки функції безступінчатого регулювання обертів і широкому діапазону обертів двигун здатний підтримувати стабільний крутний момент на різних швидкостях. Ця функція робить двигуни BLDC придатними для широкого діапазону застосувань, що вимагають високоточного керування, наприклад, промислової автоматизації та електроінструментів.

 

5. Переваги електронного керування

Термін служби та ефективність двигунів BLDC значно покращені завдяки електронній системі комутації, яка замінює вугільні щітки та комутатор у звичайних двигунах. У двигуні немає щіток, які зношуються, що зменшує вимоги до обслуговування, а також зменшує шум і електромагнітні перешкоди. Крім того, електронний контролер забезпечує плавний пуск і плавну зупинку, що забезпечує більш плавну роботу двигуна та менший вплив на механічну структуру.

 

 

У процесі виробництва безщіткового двигуна постійного струму складання ключових компонентів є основою для забезпечення ефективної роботи двигуна. Нижче наведено типову конструкцію та виробничий процес одного з наших (VSD) безщіткових двигунів постійного струму з внутрішнім ротором.

 

Ознайомлення з основними компонентами

1. передня торцева кришка 2. корпус 3. обмотки 4. сердечник статора

5. постійні магніти 6. сердечник ротора 7. котушки задньої та передньої обмотки 8. блоки друкованих плат

9. передні та задні підшипники 10. задня кришка 11. вали 12. проставки та стопорні кільця

 

виробничий процес

Вузол статора в зборі

Спочатку осердя статора фіксується в корпусі, потім намотується обмотка на осердя статора та використовуються бобіни передньої та задньої обмоток для фіксації обмоток, щоб забезпечити акуратне вирівнювання котушок і відсутність впливу зовнішньої вібрації чи тертя. Після завершення намотування друкована плата підключається для підтримки регулювання струму та керування двигуном.

 

Вузол ротора в зборі

На серцевині ротора встановлені постійні магніти для забезпечення щільного прилягання. Сердечник ротора закріплений на валу для забезпечення точного зазору між постійними магнітами та обмотками статора для забезпечення ефективної дії магнітного поля.

 

Монтаж підшипників та інших опор

Встановіть передні та задні підшипники на передню та задню торцеві кришки, щоб підтримувати плавне обертання вала двигуна. Крім того, встановіть розпірки та стопорні кільця на місце, щоб переконатися, що підшипники та інші деталі надійно та не ослаблені.

 

Повна збірка машини

Послідовно з’єднайте разом корпус, статор, ротор, вал, передню та задню кришки. Переконайтеся, що кожна частина щільно прилягає, особливо слід точно відрегулювати зазор між статором і ротором, щоб забезпечити ефективну роботу двигуна.

 

Тестування та налагодження

Після того, як двигун зібрано, його перевіряють на роботу, включаючи випробування холостого ходу, випробування навантаження та випробування характеристики крутного моменту, щоб переконатися, що двигун відповідає вимогам конструкції та працює плавно без будь-яких відхилень.

 

 

Щоб забезпечити правильну роботу та стабільну роботу якісно виготовленого безщіткового двигуна постійного струму, необхідно періодично перевіряти його стан. Нижче наведено загальні методи перевірки безщіткового двигуна постійного струму:

 

1. Випробування без навантаження

Випробування без навантаження призначене для перевірки роботи безщіткового двигуна постійного струму, коли не підключено зовнішнє навантаження, щоб переконатися, що двигун запускається та працює належним чином. Кроки такі:

 

Кроки тесту:

Підключіть двигун до джерела живлення приводу, не допускаючи зовнішніх навантажень.

 

Поступово збільшуйте вхідну напругу та спостерігайте, чи може двигун запускатися плавно.

 

Контролює швидкість двигуна та робочий струм, щоб переконатися, що швидкість двигуна та струм знаходяться в нормальному діапазоні для номінальної напруги.

 

КПП:

Чи плавно працює двигун у всьому діапазоні напруги.

 

Чи є ненормальний шум або перегрів під час запуску.

 

Чи відповідає струм холостого ходу технічним вимогам, якщо струм холостого ходу занадто великий, це може свідчити про наявність несправності в обмотці або ланцюзі.

 

2. Навантажувальне тестування

Випробування на навантаження призначене для перевірки роботи двигуна під навантаженням, щоб переконатися, що він відповідає вимогам конструкції. Конкретні операції такі:

 

Кроки тесту:

Підключіть двигун до зовнішніх навантажень, таких як приводи, обладнання або випробувальні установки.

 

Запустіть двигун при різних умовах навантаження та запишіть швидкість, крутний момент і струм двигуна.

 

Поступово збільшуйте навантаження та спостерігайте за реакцією та стабільністю двигуна при різних навантаженнях.

 

КПП:

Чи здатний двигун безперервно плавно працювати при номінальному навантаженні.

 

Чи змінюються струм і крутний момент двигуна належним чином при збільшенні навантаження.

 

Перевірте, чи немає аномальної вібрації, перегріву чи шуму, і переконайтеся, що двигун не погіршується під навантаженням.

 

3. Перевірка моментної характеристики

Тест характеристики крутного моменту призначений для оцінки вихідного крутного моменту безщіткового двигуна постійного струму на різних швидкостях, щоб переконатися, що двигун здатний забезпечити достатню потужність під час запуску та роботи.

 

Кроки тесту:

Використовуйте обладнання для вимірювання крутного моменту, щоб контролювати вихідний крутний момент двигуна при різних швидкостях і навантаженнях.

 

Перевірте пусковий момент двигуна, щоб переконатися, що крутний момент достатній при низькому пусковому струмі.

 

Перевірте характеристики крутного моменту двигуна на низькій і середній швидкості, щоб перевірити, чи виконуються вимоги до конструкції.

 

КПП:

Чи достатньо пускового моменту під час запуску, щоб забезпечити плавний запуск обладнання.

 

Чи залишається крутний момент стабільним на низьких і середніх швидкостях, і чи підходить він для умов експлуатації двигуна протягом тривалого періоду часу.

 

Незалежність від того, чи виникає нестабільний крутний момент під час випробування, може бути пов’язано з несправністю обмотки або схеми керування.

 

За допомогою вищевказаних трьох тестів ви можете отримати повне розуміння продуктивності безщіткового двигуна постійного струму, щоб переконатися, що він може працювати стабільно та надійно в різних умовах експлуатації. Регулярні перевірки допомагають вчасно виявити можливі проблеми та продовжити термін служби двигуна.