Что такое двигатель BLDC и его преимущества

1. Концепция бесщеточных двигателей постоянного тока.

Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC), также известный как бесщеточный двигатель или синхронный двигатель постоянного тока, представляет собой тип двигателя, для работы которого не требуются щетки или коммутаторы. На вход двигателя BLDC подается постоянный ток (DC), но по сути он имитирует переменный ток (AC) путем циклического переключения главных переключателей инвертора. Это создает изменяющееся магнитное поле в обмотках катушки, позволяя ротору двигателя испытывать постоянный крутящий момент и, следовательно, непрерывное вращение. Двигатели BLDC могут быть сконфигурированы как однофазные, двухфазные или трехфазные в зависимости от количества обмоток статора. Наиболее часто встречающиеся двигатели BLDC — это трехфазные двигатели. На схеме ниже показана разборка трехфазного бесщеточного двигателя постоянного тока.

2. Применение бесщеточных двигателей постоянного тока.

По оценкам, к 2022 году объем рынка двигателей BLDC достигнет примерно 19,76 миллиардов долларов. Поскольку технология двигателей BLDC становится все более зрелой, двигатели BLDC нашли широкое применение в различных областях, включая военную, аэрокосмическую, промышленную, автомобильную, гражданские системы управления и бытовую технику. Они обычно используются в низковольтных и маломощных устройствах, таких как небольшие роботы, дроны, электрические велосипеды, пылесосы и электроинструменты.

Ниже приведены некоторые популярные приложения:

Пылесос/фен. Когда дело доходит до фенов или пылесосов, наиболее известной маркой является Dyson. Фен Dyson, рекламируемый как «черная технология нового поколения», оснащен интеллектуальным цифровым двигателем V9, который меньше, легче и быстрее традиционных двигателей. Без использования угольных щеток двигатель может развивать скорость до 110 000 оборотов в минуту, он меньше и легче других двигателей. Двигатель, используемый в цифровом двигателе Дайсона, представляет собой «однофазный бесщеточный двигатель постоянного тока», по сути, тип двигателя BLDC.

Дроны/стабилизаторы:

Ключом к управлению двигателем дронов является контроль скорости и направления. Самыми популярными дронами, несомненно, являются дроны от DJI. На диаграмме ниже показана разборка дрона Spark, в каждом углу видны четыре двигателя BLDC.

Подобные приложения включают подвесы.

Электроинструменты. К ручным электроинструментам, которые используются в повседневной жизни, относятся электрические гаечные ключи, дрели и другие изделия Bosch. Энергосбережение и высокая эффективность бесщеточных двигателей постоянного тока в сочетании с постоянным снижением стоимости ручных электроинструментов привели к быстрому развитию использования двигателей BLDC в электроинструментах. Лидируют эту тенденцию наиболее известные мировые производители, такие как Bosch, Dewalt, Milwaukee и другие.

3. Конструкция бесщеточного двигателя постоянного тока

Статор: Статор двигателя BLDC состоит из ламинированных стальных листов с обмотками, размещенными в пазах, вырезанных вдоль внутренней окружной оси. Статор аналогичен статору асинхронного двигателя, но с другим распределением обмоток. Большинство двигателей BLDC имеют три обмотки статора, соединенные звездой, каждая из которых состоит из нескольких соединенных между собой катушек. Катушки помещаются в пазы и соединяются между собой, образуя обмотки. Эти обмотки распределены по окружности статора для создания равномерно расположенных магнитных полюсов.

Ротор: В двигателях BLDC в качестве ротора используются постоянные магниты без катушек внутри. Южный и северный магнитные полюса ротора расположены попеременно. Кроме того, с развитием технологии магнитомягких материалов и снижением цен для изготовления роторов с постоянными магнитами все чаще используются высокоэффективные неодимовые, железо-борные редкоземельные материалы. Их высокая магнитная энергия и стабильные характеристики позволяют двигателям BLDC иметь лучшие механические свойства и динамический отклик, а также более высокий КПД и диапазон скоростей. Вот схематическая диаграмма поперечного сечения магнита ротора из основного документа по BLDC от Microchip:

Датчики Холла. Наиболее важным аспектом управления двигателем BLDC является идентификация положения ротора. Существует два метода идентификации положения: один — использовать датчики положения для определения положения ротора, известные как датчики Холла; другой метод — бездатчиковый, который включает в себя определение положения ротора путем определения обратной электродвижущей силы. Большинство двигателей BLDC с датчиками имеют в статоре три датчика Холла. При каждой коммутации одна обмотка подключается к положительному полюсу источника питания управления (ток поступает в обмотку), вторая обмотка подключается к отрицательному полюсу (ток вытекает из него), а третья обмотка находится в отключенном состоянии. Крутящий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого катушками статора, и постоянного магнита. Когда магнитный полюс ротора проходит рядом с датчиком Холла, датчик выдает сигнал высокого или низкого уровня, указывая, что южный/северный магнитный полюс проходит через область, обнаруженную датчиком Холла. Фазовый сдвиг между сигналами, выдаваемыми датчиками Холла, может составлять как 60°, так и 120°.