что такое brushless motor
Что такое бесщеточные шуруповерты? Их плюсы и минусы
Содержание
Содержание
Все чаще на электроинструменте можно встретить надпись «Brushless motor». Это значит, что девайс оснащен бесщеточным электродвигателем постоянного тока. Действительно ли от этого есть толк или это очередная уловка маркетологов? Давайте разбираться на примере шуруповертов.
Мы будем говорить о шуруповертах как о наиболее востребованном электроинструменте в арсенале домашнего мастера (кто крутил саморезы отверткой, тот поймет). Но тезисы материала безоговорочно распространяются на весь электроинструмент, оснащенный бесщеточными двигателями.
Конструкция и принцип действия
«Brushless motor» в буквальном переводе означает бесщеточный двигатель, в конструкции которого отсутствует коллектор и щеточный узел. Также можно встретить сокращение BLDC, которым именуют бесщеточный электродвигатель постоянного тока.
Классический коллекторный двигатель
Щеточный узел — это механическая контактная часть якоря электродвигателя. С помощью него через пластины коллектора подается напряжение на обмотку якоря. Электрический ток, протекая по проводнику, вызывает электромагнитное поле. Магнитное поле обмотки якоря, взаимодействуя с постоянным магнитным полем статорных обмоток, приводит к возникновению крутящего момента на валу электродвигателя и его вращению. Чтобы вращение вала сохранялось постоянно, напряжение на отдельные проводники якорной обмотки нужно подавать в определенной последовательности. Электрический ток должен протекать по рамкам якорной обмотки в нужный момент, а электромагнитное поле, наводимое в проводниках, взаимодействовало с постоянным магнитным полем обмоток статора. В двигателе постоянного тока эту функцию выполняет коллекторный узел на якоре электродвигателя.
В бесщеточном электродвигателе коллектор и щетки отсутствуют, но принцип взаимодействия постоянного магнитного поля якоря с электромагнитным полем обмоток статора остается неизменным. Только в BLDC моторе нужно подавать постоянное напряжение на обмотки статора в определенные интервалы времени, имитируя работу коллектора.
Как правило, в конструкции статора бесщеточного мотора используются три пары обмоток, и напряжение на них подается поочередно. При подаче напряжения на первую пару обмоток якорь с постоянными магнитами поворачивается, выравнивая свое положение в соответствии с направлением силовых линий возникшего магнитного поля. В этот момент напряжение с первой пары обмоток снимается и подается на вторую пару. Поскольку якорь электродвигателя обладает определенным моментом инерции, он не останавливается моментально, а продолжает свое вращение, и его магниты начинают взаимодействовать со следующим магнитным полем. Так продолжается до тех пор, пока на обмотки статора поочередно подается напряжение.
Это упрощенная схема работы Brushless мотора. На самом деле, для усиления крутящего момента и исключения «провалов» его полки, в работе постоянно находятся две пары обмоток. Одна из них притягивает постоянные магниты якоря в моменты, когда они находятся до средней линии полюса катушки, а вторая подталкивает, как только полюс катушки пройден центральной частью постоянного магнита якоря. На первую пару катушек подается напряжение прямой полярности, а на вторую — обратной.
Для определения, на какие пары катушек нужно подать напряжение и какой полярности, в системе установлен датчик положения ротора. Он состоит из трех датчиков Холла, дающих контроллеру сигнал о необходимости формирования напряжения на каждой из пар катушек статора.
На видео наглядно проиллюстрирована работа бесщеточного двигателя:
Плюсы и минусы бесщеточного шуруповерта
Производители пишут, что основная изюминка бесщеточного шуруповерта — не нужно менять щетки, которых нет. Это на самом деле так, но так ли сложно поменять щетки?
За этим «жирным» плюсом притаился довольно коварный минус. Дело в том, что более-менее нагруженный шуруповерт потребует замены щеток на второй, а то и третий год работы. Проводя их замену, бережливый владелец наверняка заглянет и в другие узлы инструмента. Обратит внимание на состояние подшипников, очистит внутренности от пыли, заложит порцию свежей смазки — в общем, проведет полное техобслуживание инструмента. В случае с бесколлекторным инструментом, о необходимости сервисного обслуживания можно просто забыть и вспомнить о нем, когда шуруповерт начнет конкретно барахлить.
Вот по-настоящему значимые преимущества бесщеточного инструмента:
Но бесщеточным инструментам присущи и некоторые недостатки:
Перспективы бесщеточных шуруповертов на рынке электроинструмента
Переход на бесщеточные инструменты неизбежен, поскольку они выгодны в первую очередь самим производителям ввиду унификации производственных процессов, уменьшению количества составных частей и улучшения технических характеристик выпускаемых моделей. Конечному пользователю такой переход абсолютно ничем не грозит. Шуруповерты как закручивали винты и саморезы, так и будут, исходя из своих технических возможностей.
Для профессиональной деятельности однозначно стоит смотреть в сторону бесщеточных моделей. Они экономичней, шустрее и надежней. Каждый рубль, вложенный в их покупку, окупится сторицей.
А вот домашнему мастеру стоит взвесить все «за» и «против», реально оценить возможную загруженность инструмента и свою готовность отдать больше денег за современные технологии.
Современные бесколлекторные двигатели постоянного тока
Благодаря существенному прогрессу в области полупроводниковой электроники и в технологии создания мощных неодимовых магнитов, широкое распространение получили сегодня бесколлекторные двигатели постоянного тока. Они применяются в стиральных машинах, пылесосах, вентиляторах, дронах и т. д.
И хотя идея касательно принципа работы бесколлекторного двигателя высказывалась еще в начале 19 века, она ждала своего часа до начала полупроводниковой эры, когда технологии стали готовы к практической реализации этой интересной и эффективной концепции, позволившей бесколлекторным двигателям постоянного тока шагать так широко, как это происходит сегодня.
Электронный регулятор хода и высокий КПД
Электронный регулятор хода позволяет плавно варьировать электрическую мощность, подаваемую на бесколлекторный электродвигатель. В отличие от ранних, более простых версий резистивных регуляторов хода, которые просто ограничивали мощность путем включения в цепь последовательно с двигателем активной нагрузки, превращающей избыточную мощность в тепло, электронный регулятор хода позволяет получить значительно более высокий КПД, не расходуя подводимую электрическую энергию на бесполезный нагрев.
Щетки заменены, по сути, на электронные ключи, потери в которых сильно меньше чем были бы при механической коммутации. Мощные неодимовые магниты на роторе позволяют добиться большего момента на валу. И греется такой двигатель меньше нежели его коллекторный предшественник.
В итоге КПД двигателя получается наилучшим, а показатели мощности на килограмм веса — выше, плюс достаточно широкий диапазон регулировки скорости вращения ротора и практически полное отсутствие генерируемых радиопомех. Конструктивно двигатели данного типа легко адаптируются для эксплуатации в воде и в агрессивных средах.
Электронный блок управления — очень важная и дорогостоящая часть бесколлекторного двигателя постоянного тока, без которой, однако, никак не обойтись. От данного блока двигатель получает питание, параметры которого одновременно влияют и на скорость, и на мощность, которую двигатель будет в состоянии развить под нагрузкой.
Даже если скорость вращения регулировать не нужно, все равно электронный блок управления необходим, ведь он несет на себе не только функцию управления, но также имеет силовую составляющую. Можно сказать, что ESC – это аналог частотного регулятора для асинхронных двигателей переменного тока, специально предназначенный для питания и управления бесколлекторным двигателем постоянного тока.
Управление двигателем BLDC
Чтобы понять как происходит управление BLDC двигателем, сначала вспомним как работает коллекторный двигатель. В его основе принцип вращения рамки с током в магнитном поле.
Каждый раз, когда рамка с током повернулась и нашла положение равновесия, коммутатор (щетки прижатые к коллектору) изменяет направление тока через рамку, и рамка движется дальше. Этот процесс повторяется при движении рамки от полюса к полюсу. Только вот в коллекторном двигателе таких рамок много и магнитных полюсов несколько пар, поэтому коллекторно-щеточный узел содержит не два контакта, а много.
Электронный блок управления бесколлекторным двигателем делает то же самое. Он изменяет полярность магнитного поля как только ротор необходимо провернуть дальше из положения равновесия. Только управляющее напряжение подается не на ротор, а на обмотки статора, и делается это при помощи полупроводниковых ключей в нужные моменты времени (фазы ротора).
Очевидно, что электрический ток на обмотки статора бесколлекторного двигателя необходимо подавать в правильные моменты времени, то есть тогда, когда ротор находится в определенном известном положении. Для этого применяется один из следующих методов. Первый — на основе датчика положения ротора, второй — путем измерения ЭДС на одной из обмоток, которая в данный момент не получает питание.
Датчики бывают разными, магнитными и оптическими, наиболее популярны магнитные датчики на основе эффекта Холла. Второй способ (на основе измерения ЭДС) хотя и эффективен, однако он не позволяет осуществлять точное управление на низких скоростях и при старте. А вот датчики Холла обеспечивают возможность более точного управления во всех режимах. В трехфазных BLDC двигателях таких датчиков три штуки.
Двигатели без датчиков положения ротора применимы в тех случаях, когда старт двигателя происходит без нагрузки на валу (вентилятор, пропеллер и т. п.). Если же старт происходит под нагрузкой, необходим двигатель с датчиками положения ротора. В том и в другом варианте есть свои плюсы и минусы.
Решение с датчиком оборачивается более удобным управлением, но при выходе из строя хотя бы одного из датчиков, двигатель придется разбирать, к тому же датчики требуют отдельных проводов. В варианте без датчика нет надобности в специальных проводах, но во время старта ротор будет раскачиваться туда-сюда. Если это недопустимо, необходимо ставить в систему датчики.
Ротор и статор, количество фаз
Ротор BLDC двигателя может быть наружным или внутренним, а статор, соответственно, внутренним или наружным. Статор изготавливают из магнитопроводящего материала, с количеством зубцов, которое нацело делится на количество фаз. Ротор может быть изготовлен необязательно из магнитопроводящего материала, но обязательно с жестко зафиксированными на нем магнитами.
Чем сильнее магниты — тем выше доступный вращающий момент. Количество зубцов статора не обязательно должно быть равно количеству магнитов на роторе. Минимальное количество зубцов равно количеству фаз управления.
Большинство современных бесколлекторных двигателей постоянного тока — трехфазные, просто в силу простоты такой конструкции и способа управления ею. Как и в асинхронных двигателях переменного тока, обмотки трех фаз соединяются здесь на статор «треугольником» либо «звездой».
Обмотка статора выполняется изолированным медным проводом так, чтобы сформировать магнитные полюса необходимого количества фаз, равномерно распределенные по окружности ротора. Количество отдельно стоящих полюсов на статоре для каждой фазы выбирается исходя из требуемой скорости вращения двигателя (и вращающего момента).
Низкооборотные двигатели с наружным ротором делают с большим количеством полюсов (и соответственно зубцов) на каждую фазу, чтобы получить вращение с угловой частотой значительно меньше частоты управляющего тока. Но даже в высокооборотных трехфазных двигателях обычно не применяют количество зубцов меньше 9.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ BLDC
Бесколлекторные двигатели постоянного тока (BLDC — Brushless DC electric motor) часто используется в мотор-колесе электросамокатов и электровелосипедов. Его первые версии появились в 1960-х годах. Двигатели BLDC намного эффективнее и имеют гораздо больший крутящий момент.
Размещение постоянного магнита в роторе (внутренняя конфигурация) и управление окружающими катушками через транзисторы, позволило устранить самый важный недостаток щеточных (коллекторных) двигателей постоянного тока, которым являются сами щетки.
В альтернативной конфигурации (внешний ход) катушки якоря могут образовывать твердый сердечник, вокруг которого вращается ротор с постоянным магнитом, приводящий в движение вал двигателя. В обоих случаях катушки неподвижны.
Двигатели BLDC считаются двигателями с электронной коммутацией (ECM) в отличие от щеточных двигателей с механической коммутацией.
Общий принцип управления двигателем BLDC
Для двигателей BLDC требуются современные электронные контроллеры, которые могут определять положение ротора. Для этой цели можно использовать датчик Холла, реагирующий на положение каждой из катушек якоря при работающем двигателе. Скорость двигателя BLDC больше не может регулироваться напряжением, как в щеточных двигателях, а только путем изменения частоты переключения. Эти двигатели питаются от сигнала ШИМ, как показано на рисунке.
Двигатели BLDC делятся на 1-фазные, 2-фазные и 3-фазные, но принцип работы является общим для всех типов. Вместо механического коммутатора, изменяющего направление магнитного поля катушек ротора, используются транзисторы, которые непрерывно изменяют фазу напряжения подаваемого на катушку статора, что заставляет ротор непрерывно вращаться.
Управление однофазными двигателями BLDC
Однофазные двигатели BLDC имеют две параллельные обмотки якоря, управляемые напряжением ШИМ через мост H. Выходной сигнал одного датчика Холла постоянно меняет полярность тока, протекающего через обмотку якоря, таким образом поддерживая непрерывное вращение ротора. Однофазные двигатели BLDC очень просты в управлении. Для их работы достаточно одной интегральной микросхемы, например LB11970RV (однофазный двухполупериодный драйвер).
Принцип управления однофазным двигателем BLDC
Управление двухфазными двигателями BLDC
Двухфазные двигатели немного сложнее в управлении. Якорь состоит из 4 катушек, а магнитное поле создается 4 парами постоянных магнитов. Катушки якоря сгруппированы попарно, поэтому двухфазные двигатели имеют больший крутящий момент, чем однофазные.
Двухфазные двигатели обычно используются в некритических низкоуровневых устройствах, таких как большие вентиляторы, поэтому там не требуются сложные контроллеры. В результате двухфазные двигатели мощнее и дешевле. Драйверы, такие как например LB1668M, могут использоваться для их управления.
Управление 3-фазными двигателями BLDC
Трехфазные двигатели BLDC имеют 3 катушки якоря, соответствующие 6 состояниям коммутации. В каждую из катушек обычно помещают датчики Холла, которые реагируют на прохождения над ними постоянных магнитов, которые являются элементами ротора. Принцип использования сигналов от датчиков Холла показан на рисунке.
Конструкция двигателя BLDC с датчиками Холла
Тут тоже сигналы от датчиков Холла определяют моменты переключения. Эти сигналы через соответствующую систему подключения включают транзисторы, которые напрямую управляют катушками двигателя. Конечно, переключение в трехфазных двигателях происходит в 3 раза быстрее, чем в однофазных. Это приводит к снижению вибрации (дёргания) и более точному контролю скорости. Примером трехфазного драйвера двигателя BLDC с датчиками Холла является микросхема LB1976.
Принцип управления мотором BLDC с использованием датчиков Холла
Двигателями также можно управлять без датчиков Холла, используя сигнал BEMF (Back EMF) от каждой катушки. Этот сигнал получается путем сравнения напряжения, индуцированного в каждой из трех катушек, с центральным напряжением (точка COM). Результат такой связи усиливается и передается в систему определения положения ротора.
Сигналы от трех катушек преобразуются в формы импульсов, сдвинутых друг относительно друга на 120 °. Некоторые контроллеры используют простые компараторы для определения фазы каждой обмотки, другие требуют использования внешних микроконтроллеров. Трехфазный интегрированный бессенсорный контроллер LB11983 включает в себя датчик положения ротора со схемами запуска, синхронизации, переключения, тепловой защиты и контроля насыщения и не требует внешнего микроконтроллера.
Принцип управления двигателем BLDC с помощью сигнала BEMF
Драйверы двигателей BLDC, использующие сигналы BEMF, имеют проблему с определением положения ротора во время запуска, потому что эти сигналы еще не генерируются. В этом случае двигатель запускается с неизвестного положения, то есть неизвестно положение статора относительно ротора. Это положение необходимо быстро распознать во время работы, потому что включение неправильной фазы может изменить направление вращения двигателя и даже сделать невозможной работу.
Форум по обсуждению материала БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ BLDC
Варианты выполнения гальванической развязки USB порта. Современные микросхемы для емкостной, оптической и электромагнитной развязки.
Схема простого устройства для демонстрации эффекта электромагнитного ускорения металлического снаряда в пушке Гаусса.
Преимущества бесколлекторных двигателей
Чтобы лучше понять, что такое бесколлекторные двигатели и как они работают, нам нужно взглянуть на их классических предшественников коллекторные двигатели. Двигатели постоянного тока существуют уже более ста лет и долгое время считались стандартной технологией двигателей. Несмотря на развитие бесколлекторных двигателей, коллекторные двигатели остаются актуальными до сегодняшнего дня, особенно для недорогих применений.
Бесколлекторные двигатели были впервые разработаны в 1960-х годах и считались более эффективной альтернативой коллекторным двигателям. В настоящее время бесколлекторные двигатели можно найти в высококлассных приложениях и устройствах, таких как компьютерные жесткие диски, электромобили и DVD-плееры. Они особенно предпочтительны для устройств с батарейным питанием, таких как беспроводные инструменты, из-за их повышенной эффективности, что приводит к более длительным циклам работы батареи.
Бесколлекторные двигатели имеют роторы и статоры. Как следует из их названий, ротор-это компонент двигателя, который вращается, в то время как статор-это компонент, который остается неподвижным. В коллекторном двигателе ротор расположен в центре двигателя, окруженный статором, который имеет пару магнитов с противоположной полярностью.
Вращение ротора коллекторного двигателя приводится в движение изменяющимся магнитным полем. Это изменяющееся магнитное поле становится возможным благодаря коллектору со щетками, которые входят в контакт с источником тока при вращении центрального вала.
Бесколлекторные двигатели используют совершенно иной подход к созданию изменяющегося магнитного поля. Вместо центрального ротора ротор бесколллекторного двигателя фактически окружает статор. В этом случае ротор имеет постоянный набор магнитов, который реагирует на изменение магнитного поля статора.
Статор бесколлекторного мотора может состоять из 6 или более пар электрических катушек, каждая из которых способна генерировать собственное магнитное поле. По мере вращения ротора магнитное поле каждой катушки изменяется поочередно, что еще больше стимулирует вращение ротора. Регулирование тока в каждой электрической катушке осуществляется с помощью электронного регулятора скорости (ESC), так называемого потому, что он способен контролировать пропускную способность всего двигателя.
На поверхности легко отличить коллекторный двигатель от его бесколлекторного аналога. Коллекторные двигатели имеют более длинную и цилиндрическую форму из-за увеличенной массы. Они также часто имеют вентиляционные отверстия, так как постоянный контакт щеток через некоторое время генерирует тепло. Из них торчат два провода, которые соединяются с положительными и отрицательными клеммами источника питания.
Бесколлекторные двигатели короче и компактнее. Они имеют меньше движущихся частей, а бесконтактная технология означает, что она генерирует меньше тепла из-за трения. Бесколлекторные двигатели обычно имеют три или более проводов, выступающих из них, и они обычно подключаются к ЭКУ.
В настоящее время бесколлекторные двигатели можно найти в большинстве современных электронных устройств. Они используются в промышленных приложениях, таких как самолеты, медицинские приборы, производственное оборудование и инструменты, а также робототехника. В потребительских товарах их можно найти в электрических скутерах, беспроводных дрелях, DVD-плеерах, пылесосах и стиральных машинах. Несмотря на сохраняющуюся популярность коллекторных моторов, нетрудно представить, что это часть технологии, которая в конечном итоге будет считаться устаревшей.
Преимущества бесколлекторных двигателей
1. Меньше обслуживания
Коллекторные двигатели печально известны тем, что имеют детали, которые через некоторое время изнашиваются, требуя частого демонтажа и замены деталей. Это связано с тем, что щетки коммутатора должны поддерживать почти постоянный контакт с клеммами источника питания, даже когда коммутатор быстро вращается. Когда щетки изнашиваются и больше не могут поддерживать контакт, коллекторный двигатель постоянного тока в основном становится бесполезным. На самом деле между ротором и статором бесколлекторного двигателя практически нет контакта, поэтому износ значительно снижается.
2. Более эффективный
Постоянный контакт щеток с силовыми клеммами коллекторного двигателя необходим для поддержания его вращения. Однако трение, которое это создает, означает, что огромная часть энергии, генерируемой вращательным движением, тратится впустую в виде тепла. Как правило, КПД коллекторных двигателей ограничен в диапазоне от 75% до 80%.
С другой стороны, бесколлекторные двигатели генерируют очень мало тепла. При быстром вращении ротора все еще есть некоторая потеря энергии из-за трения воздуха, но она минимальна. Такие двигатели способны обеспечить КПД до 90%.
3. Более длительный срок службы
Ускоренный износ из-за постоянного контакта щеток и энергии, выделяемой в виде тепла, означает, что коллекторные двигатели, как ожидается, сломаются гораздо раньше, чем бесколлекторные. Без возможности остыть накопление тепла в коллекторных двигателях может легко нарушить целостность их катушек или щеток.
Было показано, что бесколлекторные двигатели служат несколько лет при минимальном техническом обслуживании, пока они не повреждаются из-за аварии. Возможно смещение центрального вала или попадание мелких частиц песка и грязи в механизм двигателя. Эти условия, безусловно, уменьшат долговечность мотора.
4. Меньше по размеру
Бесколлекторные двигатели имеют меньшее количество движущихся частей, что дает им преимущество в компактности.
Большая часть шума, создаваемого коллекторными двигателями, происходит из-за контакта щеток с клеммами питания. Несмотря на использование смазочных материалов для уменьшения трения, это неприятность, которая неизбежна при использовании коллекторных моторов.
Бесколлекторные двигатели гораздо тише. Хотя быстрое вращение ротора все еще создает характерный “жужжащий” звук, это все еще огромное улучшение по сравнению с визжащим звуком, к которому мы привыкли с коллекторными двигателями. Более поздние разработки также привели к появлению бесколлекторных двигателей, которые вращаются более плавно, устраняя шум.
Недостатки бесколлекторных двигателей
Причина номер один, почему бесколлекторные двигатели не получили такого широкого распространения, как мы ожидали, заключается в том, что они намного дороже.
Бесколлекторные двигатели имеют более сложный набор электромагнитов. Больше электромагнитов означает больше проводящего материала катушки, который часто является одним из самых дорогих компонентов двигателя. Бесколлекторные двигатели также требуют дополнительного обслуживания.
2. Сложная проводка
Заключительные мысли
Способность преобразовывать электрическую энергию во вращательное движение является одним из величайших технологических достижений нашего времени, открытием, которое породило многие аспекты современной технологии, как мы ее знаем. коллекторные моторы господствуют уже почти сто лет, но бесколлекторные моторы быстро находят свое место в современном мире, где приоритет отдается использованию компактных, надежных и эффективных технологий.