Что такое бесщеточный двигатель постоянного тока

 

A бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC)представляет собой типичное мехатронное изделие, состоящее из корпуса двигателя и привода. Его также называют «двигателем без коллектора», поскольку у него нет щеток и коллектора (или коллекторного кольца).

 

История бесщеточных двигателей берет свое начало в девятнадцатом веке. В то время американский изобретатель Никола Тесла изобрел асинхронный двигатель в 1887 году. Хотя некоторые называют асинхронный двигатель «одним из предшественников бесщеточного двигателя», технологические ограничения того времени сделали разработку двигателя относительно медленным процессом. . Лишь в середине XIX века произошел прорыв в технологии двигателей с изобретением и применением транзистора. Благодаря использованию транзисторной схемы коммутации вместо традиционных щеток и коммутатора официально появились двигатели постоянного тока с электронной коммутацией. Этот новый бесщеточный двигатель не только устраняет технические дефекты асинхронного двигателя, но также значительно повышает эффективность и надежность.

 

В настоящее время бесщеточный двигатель постоянного тока широко используется в электроинструментах, бытовой технике и промышленной автоматизации благодаря своим преимуществам: высокой эффективности, низким эксплуатационным расходам и длительному сроку службы.

 

 

1. Режимы регулирования скорости

Бесщеточный двигатель может заменить традиционныйколлекторный двигатель постоянного токадля регулирования скорости и даже заменить систему регулирования скорости инвертор + инверторный двигатель или асинхронный двигатель + редуктор. Он не требует дополнительного оборудования для изменения скорости и напрямую обеспечивает эффективное регулирование скорости.

 

2. Конструкция угольной щетки и контактного кольца.

В коллекторных двигателях для передачи электрической энергии используются угольные щетки и контактные кольца, и эти детали со временем изнашиваются, что увеличивает объем работ по техническому обслуживанию. С другой стороны, в бесщеточных двигателях отсутствуют угольные щетки и контактные кольца, что исключает износ этих компонентов и увеличивает срок службы и надежность двигателя.

 

3. Низкая скорость и высокая мощность.

Бесщеточные двигатели могут достигать высокой выходной мощности на низких скоростях и могут напрямую приводить в движение большие нагрузки без редуктора скорости, что снижает сложность и размер механического оборудования.

 

4. Объем и вес

Бесщеточные двигатели небольшие и легкие, но имеют очень высокую выходную мощность, что дает им преимущество в портативных и компактных устройствах.

 

5. Характеристики крутящего момента

Бесщеточный двигатель имеет отличные характеристики крутящего момента, особенно на низких и средних скоростях. Высокий пусковой момент и низкий пусковой ток делают его подходящим для сценариев применения, требующих частого запуска и остановки.

 

6. Регулирование скорости и перегрузочная способность.

Бесщеточный двигатель имеет функцию плавного регулирования скорости, широкий диапазон регулирования скорости и обладает высокой перегрузочной способностью, адаптируясь к различным сложным условиям работы.

 

7. Стартовые и тормозные характеристики.

Бесщеточные двигатели с хорошими характеристиками плавного пуска и плавного останова могут устранить необходимость в традиционных механических или электромагнитных тормозных устройствах, что еще больше упрощает систему.

 

8. Эффективность и энергосбережение

Бесщеточные двигатели очень эффективны, поскольку в них отсутствуют угольные щетки и потери на возбуждение. В то же время, поскольку бесщеточные двигатели устраняют необходимость многоступенчатого снижения скорости, совокупная экономия энергии может составлять от 20% до 60% или даже выше.

 

9. Надежность и стабильность

Бесщеточные двигатели стабильны, просты в ремонте и обслуживании, адаптируются и хорошо работают в различных суровых условиях, например, на неровностях и вибрациях.

 

10. Шум и срок службы

Бесщеточные двигатели работают тише и плавнее, имеют меньшую вибрацию и шум и имеют более длительный срок службы, чем коллекторные, поскольку в них нет изнашиваемых угольных щеток.

 

11. Искры и взрывоопасность

Коллекторные двигатели могут генерировать искры из-за контакта с угольными щетками, тогда как бесщеточные двигатели не имеют этой проблемы и особенно подходят для мест, где требуется взрывозащита. Кроме того, в зависимости от необходимости для дальнейшей оптимизации производительности можно выбрать бесщеточные двигатели с трапециевидными или синусоидальными магнитными полями.

 

 

Поняв основные концепции и преимущества бесщеточного двигателя постоянного тока, мы также должны понять, как он работает. В отличие от традиционных щеточных двигателей, он использует электронную систему управления для регулирования тока и коммутации для привода ротора. Ниже приводится введение в работу бесщеточного двигателя постоянного тока и его основные компоненты.

 

1. Электронные системы коммутации.

Центральной особенностью бесщеточного двигателя постоянного тока является отсутствие щеток и механических коммутаторов, которые есть в обычных двигателях. Вместо него имеется электронная система коммутации, управляемая узлом печатной платы. Система переключает направление тока в зависимости от положения ротора, обеспечивая тем самым непрерывное вращение ротора. Положение ротора обычно контролируется с помощью датчиков Холла или других датчиков положения, а электронный контроллер непрерывно регулирует ток обмотки в соответствии с сигналами датчиков.

 

2. Взаимодействие статора и ротора.

Статор бесщеточного двигателя постоянного тока неподвижен и состоит из сердечника статора и намотанных на него обмоток. Когда ток проходит через обмотки, создается вращающееся магнитное поле. Это магнитное поле, создаваемое статором, взаимодействует с магнитами (постоянными магнитами) в роторе, приводя ротор в движение.

 

Статор:Обмотки статора создают электромагнитное поле, которое вращается вместе с током, которым управляет электронный контроллер коммутации.

 

Ротор:Ротор состоит из магнитов и сердечника ротора. Когда электромагнитное поле статора изменяется, постоянные магниты ротора подвергаются действию сил притяжения и отталкивания и начинают вращаться.

 

3. Ключевые этапы работы

Начало:Когда ток проходит через обмотки статора, магнитное поле, создаваемое обмотками статора, взаимодействует с постоянными магнитами на роторе, создавая крутящий момент, который запускает вращение ротора. Бесщеточные двигатели имеют высокий пусковой момент и относительно низкий пусковой ток.

 

Работа без нагрузки:При отсутствии внешней нагрузки двигатель работает с высоким КПД, а электронный контроллер регулирует ток в обмотках в соответствии с сигналами датчика, чтобы ротор поддерживал устойчивое вращение.

 

Работа под нагрузкой:Когда двигатель подключен к нагрузке, ротор будет генерировать больший крутящий момент для преодоления нагрузки. Электронный коммутатор автоматически регулирует ток в соответствии с изменениями нагрузки, обеспечивая плавную работу двигателя при различных нагрузках.

 

4. Характеристики крутящего момента и регулирование скорости.

Бесщеточные двигатели постоянного тока обеспечивают превосходные характеристики крутящего момента, особенно на низких и средних скоростях. Благодаря функции бесступенчатого регулирования скорости и широкому диапазону скоростей двигатель способен поддерживать стабильный выходной крутящий момент на разных скоростях. Эта особенность делает двигатели BLDC подходящими для широкого спектра применений, требующих высокоточного управления, таких как промышленная автоматизация и электроинструменты.

 

5. Преимущества электронного управления

Срок службы и эффективность двигателей BLDC значительно увеличиваются благодаря электронной системе коммутации, которая заменяет угольные щетки и коллектор в обычных двигателях. В двигателе нет изнашивающихся щеток, что снижает требования к техническому обслуживанию, а также снижает шум и электромагнитные помехи. Кроме того, электронный контроллер обеспечивает плавный пуск и плавную остановку, что приводит к более плавной работе двигателя и меньшему воздействию на механическую конструкцию.

 

 

В процессе производства бесщеточного двигателя постоянного тока сборка ключевых компонентов является основой обеспечения эффективной работы двигателя. Ниже представлена ​​типичная конструкция и производственный процесс одного из наших бесщеточных двигателей постоянного тока (VSD) с внутренним ротором.

 

Знакомство с основными компонентами

1. передняя торцевая крышка 2. корпус 3. обмотки 4. сердечник статора

5. Постоянные магниты 6. Сердечник ротора 7. Бобины задней и передней обмотки 8. Сборки печатных плат

9. передние и задние подшипники 10. задняя торцевая крышка 11. валы 12. проставки и стопорные кольца

 

производственный процесс

Сборка статора

Сначала сердечник статора фиксируется в корпусе, затем наматываются обмотки на сердечник статора и с помощью передних и задних бобин фиксируются обмотки, чтобы обеспечить аккуратное выравнивание катушек и отсутствие воздействия внешней вибрации или трения. После завершения обмотки подключается печатная плата для обеспечения регулирования тока и управления двигателем.

 

Сборка ротора

На сердечнике ротора установлены постоянные магниты для обеспечения плотной посадки. Сердечник ротора закреплен на валу, чтобы обеспечить точный зазор между постоянными магнитами и обмотками статора для обеспечения эффективного действия магнитного поля.

 

Сборка подшипников и других опор

Установите передний и задний подшипники на переднюю и заднюю торцевую крышку, чтобы обеспечить плавное вращение вала двигателя. Кроме того, установите проставки и стопорные кольца на место, чтобы подшипники и другие детали были надежно закреплены и не болтались.

 

Полная сборка машины

Последовательно соберите корпус, статор, ротор, вал, а также переднюю и заднюю торцевые крышки. Убедитесь, что каждая деталь плотно прилегает, особенно зазор между статором и ротором должен быть точно отрегулирован, чтобы обеспечить эффективную работу двигателя.

 

Тестирование и отладка

После сборки двигателя его проверяют на работоспособность, включая испытания на холостом ходу, испытания под нагрузкой и испытания характеристик крутящего момента, чтобы убедиться, что двигатель соответствует проектным требованиям и работает плавно и без каких-либо отклонений.

 

 

Чтобы обеспечить правильную работу и стабильную работу качественно изготовленного бесщеточного двигателя постоянного тока, необходимо периодически проверять состояние двигателя. Ниже приведены распространенные методы проверки бесщеточного двигателя постоянного тока:

 

1. Тестирование без нагрузки

Испытание без нагрузки предназначено для проверки работы бесщеточного двигателя постоянного тока при отсутствии внешней нагрузки, чтобы гарантировать, что двигатель запустится и будет работать правильно. Шаги следующие:

 

Этапы тестирования:

Подключите двигатель к источнику питания привода, не допуская внешних нагрузок.

 

Постепенно увеличивайте входное напряжение и наблюдайте, сможет ли двигатель запуститься плавно.

 

Контролирует скорость двигателя и рабочий ток, чтобы убедиться, что скорость и ток двигателя находятся в нормальном диапазоне для номинального напряжения.

 

Контрольно-пропускные пункты:

Плавно ли работает двигатель во всем диапазоне напряжений.

 

Нет ли постороннего шума или перегрева во время запуска.

 

Соответствует ли ток холостого хода техническим требованиям, если ток холостого хода слишком велик, это может свидетельствовать о неисправности обмотки или цепи.

 

2. Нагрузочное тестирование

Нагрузочное испытание предназначено для проверки работы двигателя под нагрузкой, чтобы убедиться, что он соответствует проектным требованиям. Конкретные операции заключаются в следующем:

 

Этапы тестирования:

Подключите двигатель к внешним нагрузкам, таким как приводы, оборудование или испытательные стенды.

 

Запустите двигатель при различных условиях нагрузки и запишите скорость, крутящий момент и ток двигателя.

 

Постепенно увеличивайте нагрузку и наблюдайте за реакцией и стабильностью двигателя при различных нагрузках.

 

Контрольно-пропускные пункты:

Способен ли двигатель к непрерывной плавной работе при номинальной нагрузке.

 

Изменяются ли ток и крутящий момент двигателя ожидаемым образом при увеличении нагрузки?

 

Проверьте, нет ли ненормальной вибрации, перегрева или шума, а также убедитесь, что двигатель не ухудшается под нагрузкой.

 

3. Испытание характеристик крутящего момента

Тестирование характеристик крутящего момента предназначено для оценки выходного крутящего момента бесщеточного двигателя постоянного тока на разных скоростях, чтобы убедиться, что двигатель способен обеспечить достаточную мощность во время запуска и работы.

 

Этапы тестирования:

Используйте оборудование для измерения крутящего момента, чтобы контролировать выходной крутящий момент двигателя при различных скоростях и нагрузках.

 

Проверьте пусковой момент двигателя, чтобы убедиться в достаточном крутящем моменте при низком пусковом токе.

 

Проверьте характеристики крутящего момента двигателя на низких и средних скоростях, чтобы убедиться, что они соответствуют проектным требованиям.

 

Контрольно-пропускные пункты:

Достаточно ли пускового крутящего момента во время запуска, чтобы обеспечить плавный запуск оборудования.

 

Остается ли крутящий момент стабильным на низких и средних скоростях и подходит ли он для условий эксплуатации двигателя в течение длительного периода времени.

 

Возникновение нестабильного крутящего момента во время испытания может быть связано с неисправностью обмотки или цепи управления.

 

С помощью трех вышеупомянутых тестов вы можете получить полное представление о характеристиках бесщеточного двигателя постоянного тока, чтобы убедиться, что он может работать стабильно и надежно в различных условиях эксплуатации. Регулярные проверки помогают вовремя обнаружить потенциальные проблемы и продлить срок службы мотора.