Як працює двигун BLDC: докладне пояснення принципів безщіткових двигунів постійного струму

За останні два-три десятиліття завдяки безперервному розвитку електронних технологій і матеріалів із постійними магнітами,Двигуни BLDCперетворилися з нішевих двигунів на основні енергетичні рішення для різних галузей промисловості.Двигуни BLDCзавдяки високій ефективності, високій надійності та тривалому терміну служби широко використовуються в таких сферах застосування, як побутова техніка, електроінструменти, електромобілі та промислове обладнання автоматизації. Тим не менш, принципи роботи двигунів BLDC досі не відомі багатьом людям. Ця стаття пояснює все, що вам потрібно знати про принцип роботи двигунів BLDC, щоб ви могли отримати більш детальне уявлення про цю неймовірну інновацію в сучасній електротехніці.

Базова структура двигуна BLDC

Тепер, перш ніж перейти до принципу роботи, ми повинні ознайомитися з його основною структурою:

Статор: закріплений усередині корпусу двигуна, він, як правило, складається з ламінованих листів силіконової сталі, навколо нього намотуються котушки для створення кількох полюсів електромагніту.

Ротор: ротор зазвичай встановлений на валу та містить постійні магніти. Двигуни BLDC можна класифікувати на кілька різновидів на основі різних конфігурацій постійних магнітів.

Датчики Холла: для визначення положення ротора та зворотного зв'язку з електронною системою керування.

Контролер: електронна система керування, яка визначає час струму, що протікає через обмотки статора на основі зворотного зв’язку від датчиків Холла або інших механізмів зворотного зв’язку.

Варто зазначити, що структура двигуна BLDC аутраннера є унікальною за структурою внутрішнього ротора. Ротор розташований зовні, а статор — усередині. Цей тип конструкції особливо поширений у додатках, які вимагають високого крутного моменту, наприклад, у приводі пропелерів дронів.

Принципи електромагнетизму: основа роботи двигуна BLDC

Два основних принципи електромагнетизму визначають роботу двигуна BLDC:

Закон Ампера: коли провідник зі струмом знаходиться в магнітному полі, на нього буде діяти сила. Статор двигуна BLDC складається зі згорнутих мідних обмоток, і після того, як на ці обмотки подається напруга, вони створюють магнітне поле, яке взаємодіє між постійними магнітами ротора, створюючи силу, яка забезпечує механічний рух для обертання ротора.

Закон електромагнітної індукції Фарадея: електрорушійна сила буде індукована в провіднику, коли він перерізає лінії магнітного поля або перебуває в мінливому магнітному полі. Він широко використовується в безсенсорному управлінні, де положення ротора визначається шляхом визначення зворотних електрорушійних сил.

Ці принципи застосовуються у розробці промислових безщіткових двигунів. Вони досягають цього шляхом точного регулювання струму, що протікає через обмотки статора, забезпечуючи сприятливу електромагнітну взаємодію з постійними магнітами ротора для досягнення високої ефективності та стабільності.

Процес комутації двигуна BLDC

Найважливіший робочий механізм двигуна BLDC називається електронною комутацією. Це найважливіший і ключовий фактор відмінності безщіткових двигунів від традиційних щіткових двигунів.

Принцип комутації: Комутація — це процес зміни напрямку потоку струму відносно котушок двигуна таким чином, щоб існувала безперервна електромагнітна взаємодія між ротором і статором, яка створює безперервний крутний момент.

Шестиступенева комутація: традиційний метод керування двигунами BLDC ділить електричний цикл на шість етапів. На кожному кроці дві з трифазних обмоток живляться, а одна фаза вимкнена.

Зворотній зв'язок датчика Холла: датчики Холла визначають положення постійних магнітів ротора, щоб контролер міг визначити, яка обмотка повинна бути під напругою та напрямок струму.

Контроль без датчиків: більш досконалий метод полягає у визначенні положення ротора шляхом моніторингу зворотної електрорушійної сили в фазі без напруги. Для реалізації цієї складної стратегії не потрібні датчики Холла, що забезпечує більшу надійність приводу.

Великі електродвигуни BLDC зазвичай використовують більш складні стратегії керування, такі як синусоїда або векторне керування, щоб досягти плавнішого вихідного крутного моменту та вищої ефективності.

Роль контролера в системі двигуна BLDC

Двигун BLDC не може працювати сам по собі і потребує поєднання зі спеціальним електронним контролером:

Драйвер двигуна: зазвичай трифазний мостовий інвертор на основі силового MOSFET або IGBT, який перемикає шлях струму відповідно до сигналу керування

Мікроконтролер: отримує сигнали від датчика положення, виконує алгоритми керування та генерує сигнали ШІМ для керування пристроями живлення.

Контроль із замкнутим циклом: забезпечує точне керування швидкістю‑або керування положенням залежно від потреб застосування.

Безпечна функція захисту: захист від перевантаження по струму, захист від перегріву, захист від зниженої напруги тощо.

Застосування систем електродвигунів 48 В BLDC широко поширене в електричних велосипедах, невеликих електромобілях та деяких інших промислових застосуваннях. Його контролер і схеми керування повинні мати справу з вищими напругами та струмами та зазвичай мають складніший набір продуктивності та функцій захисту.

Експлуатаційні характеристики та сценарії застосування двигунів BLDC

Тепер давайте подивимося на їхні переваги продуктивності після вивчення принципів роботи двигуна BLDC:

Висока ефективність: Завдяки відсутності втрат на тертя від щіток і колекторів, їх ефективність зазвичай перевищує 85%, навіть у деяких випадках вище 95%.

Хороші характеристики швидкості та крутного моменту: забезпечує широкий діапазон вихідного крутного моменту.

Більший термін служби: без механічних елементів, що зношуються, термін служби в кінцевому підсумку обмежується лише підшипниками.

Покращена ефективність розсіювання тепла: прямий контакт між обмотками статора та корпусом двигуна для більш ефективного розсіювання тепла.

Низький рівень шуму та електромагнітних перешкод: відсутні іскри та шум, створюваний комутацією щіток.

Через свою особливу структуру двигун BLDC випереджального типу більш здатний забезпечувати вищий крутний момент на низьких швидкостях, що робить його особливо придатним для систем прямого приводу, таких як гвинти дронів і вентилятори тощо. Завдяки перевагам стабільності та довговічності безщітковий двигун робить його вибором джерела живлення в обладнанні автоматизації та точних приладах.

Алгоритми керування двигунами BLDC

Більш розвинена сучасна технологія керування BLDC перевершила цей простий шестиступінчастий метод комутації:

Керування трапецієподібною хвилею: найпростішим методом керування є хвиля струму трапецієподібної форми. Його легко застосувати на практиці, але він створює пульсації крутного моменту значної амплітуди.

Синусоїдальне керування: керування двигуном синусоїдальним струмом, що може зменшити пульсації крутного моменту двигуна та зробити роботу плавнішою.

Орієнтоване на поле керування (FOC): шляхом застосування математичного перетворення 3-фазний струм перетворюється на обертову систему координат для керування, що забезпечує оптимальне керування крутним моментом та енергоефективність.

Технологія злиття датчиків: інтегрує численні сигнали зворотного зв’язку (наприклад, датчики Холла, кодери та вибірку струму) для кращої точності та надійності керування.

У зв’язку з проблемами, пов’язаними із застосуванням великої потужності, такими як керування температурою, оптимізація ефективності та динамічний відгук, для двигунів Big BLDC зазвичай використовуються більш складні алгоритми керування.

Висновок: принципи роботи та переваги двигунів BLDC

Двигуни BLDCточно контролювати струм в обмотках статора за допомогою електронної системи керування та взаємодіяти з постійними магнітами ротора для досягнення ефективного перетворення електричної енергії в механічну. Від малих побутових електронних пристроїв до великого промислового обладнання, від низьковольтних додатків до систем електродвигунів 48 В BLDC, безщіточні двигуни постійного струму з їх високою ефективністю, високою надійністю та відмінними характеристиками керування є рушійною силою технологічного прогресу та підвищення енергоефективності в різних галузях промисловості. З безперервним розвитком технології електронного керування та матеріалів з постійними магнітами ми можемо передбачити, що двигуни BLDC матимуть ширшу перспективу застосування та більшу продуктивність.

Якщо ви зацікавлені в наших продуктах або маєте будь-які запитання, будь ласка, не соромтесязв'яжіться з намиі ми відповімо вам протягом 24 годин.