Що таке двигун BLDC і його переваги

1. Концепція безщіткових двигунів постійного струму

Безщітковий двигун постійного струму (BLDC), також відомий як безщітковий двигун або синхронний двигун постійного струму, — це тип двигуна, для роботи якого не потрібні щітки чи комутатори. Вхідним сигналом для двигуна BLDC є постійний струм (DC), але по суті він імітує змінний струм (AC) шляхом циклічного перемикання головних перемикачів інвертора. Це створює мінливе магнітне поле в обмотках котушки, дозволяючи ротору двигуна відчувати постійний крутний момент і, таким чином, безперервне обертання. Двигуни BLDC можуть бути налаштовані як однофазні, двофазні або трифазні в залежності від кількості обмоток статора. Найбільш часто зустрічаються двигуни BLDC є трифазними двигунами. На схемі нижче показано розбирання трифазного безщіткового двигуна постійного струму.

2. Застосування безщіткових двигунів постійного струму

За оцінками, розмір ринку двигунів BLDC досягне приблизно 19,76 мільярдів доларів США до 2022 року. Оскільки технологія двигунів BLDC стає все більш зрілою, двигуни BLDC знайшли широке застосування в різних сферах, включаючи військову, аерокосмічну, промислову, автомобільну, цивільні системи управління та побутову техніку. Вони зазвичай використовуються в низьковольтних і малопотужних пристроях, таких як маленькі роботи, дрони, електричні велосипеди, пилососи та електроінструменти.

Нижче наведено деякі популярні програми:

Пилосос/фен: коли справа доходить до фенів або пилососів, відома марка Dyson. Фен Dyson, який рекламується як «чорна технологія наступного покоління», має інтелектуальний цифровий двигун V9, який менший, легший і швидший, ніж традиційні двигуни. Без використання вугільних щіток двигун може досягати швидкості до 110 000 обертів на хвилину, і він менший і легший за інші двигуни. Двигун, який використовується в цифровому двигуні Дайсона, є 'однофазним безщітковим двигуном постійного струму', по суті, типом двигуна BLDC.

Дрони/підвіси:

Ключ до керування двигуном у дронах – це контроль швидкості та напрямку. Безсумнівно, найпопулярніші дрони від DJI. На схемі нижче показано розбирання дрона Spark із чотирма двигунами BLDC у кожному куті.

Подібні програми включають карданні підвіси.

Електроінструменти: звичайні ручні електроінструменти, які можна знайти в повсякденному житті, включають електричні гайкові ключі Bosch, дрилі та інші. Енергозбереження та висока ефективність безщіткових двигунів постійного струму в поєднанні з постійним зниженням вартості ручних електроінструментів призвели до швидкого розвитку використання двигунів BLDC в електроінструментах. Лідирують у цьому тренді найвідоміші світові виробники, такі як Bosch, Dewalt, Milwaukee та інші.

3. Конструкція безщіткового двигуна постійного струму

Статор. Статор двигуна BLDC складається з ламінованих сталевих листів з обмотками, розміщеними в пазах, висічених уздовж внутрішньої окружної осі. Статор схожий на статор асинхронного двигуна, але з іншим розподілом обмоток. Більшість двигунів BLDC мають три з’єднані зіркою обмотки статора, кожна з яких складається з кількох з’єднаних між собою котушок. Котушки розміщені в пазах і з'єднані між собою, утворюючи обмотки. Ці обмотки розподілені по колу статора для створення рівномірно розташованих магнітних полюсів.

Ротор: двигуни BLDC використовують постійні магніти як ротор без котушок всередині. Південний і північний магнітні полюси ротора розташовані по черзі. Крім того, з розвитком технології м’яких магнітних матеріалів і зниженням цін високоефективні неодимові залізо-бор-рідкісноземельні матеріали все частіше використовуються для виготовлення роторів з постійними магнітами. Їх висока магнітна енергія та стабільні характеристики дозволяють двигунам BLDC мати кращі механічні властивості та динамічну реакцію, а також вищу ефективність і діапазон швидкості. Ось схема поперечного перерізу магніту ротора з основного документа на BLDC від Microchip:

Датчики Холла: найважливішим аспектом керування двигуном BLDC є визначення положення ротора. Існує два методи ідентифікації положення: один полягає у використанні датчиків положення для визначення положення ротора, відомих як датчики Холла; інший метод – бездатчиковий, який передбачає ідентифікацію положення ротора шляхом визначення зворотної електрорушійної сили. Для двигунів BLDC із датчиками більшість двигунів BLDC вбудовано в статор трьох датчиків Холла. При кожній комутації одна обмотка підключається до позитивного полюса джерела живлення керування (струм надходить в обмотку), друга обмотка підключається до негативного полюса (з неї витікає струм), а третя обмотка знаходиться у відключеному стані. Крутний момент створюється взаємодією між магнітним полем, створюваним котушками статора, і постійним магнітом. Коли магнітний полюс ротора проходить поблизу датчика Холла, датчик видає сигнал високого або низького рівня, який вказує на те, що південний/північний магнітний полюс проходить через область, яку відчуває датчик Холла. Фазовий зсув між вихідними сигналами датчиків Холла може становити 60° або 120°.