Основная задача электродвигателя состоит в преобразовании электрической энергии в механическую, то есть приведение в движение вала приводимого устройства. В классических двигателях на коллектор вращающегося ротора электрический ток поступает с графитовых щеток, которые проводят электричество непосредственно касаясь вращающегося элемента. Возникающее в результате коммутации магнитное поле с помощью специальных магнитов создает вращательное движение.

Устройство, а значит, и принцип работы бесщеточного двигателя немного иной. В этом устройстве коллектор и щетки заменены обмотками, намотанными на неподвижный сердечник, т.н. статор (в щеточном двигателе обмотки расположены на подвижном роторе). Именно они, при протекании через них тока, создают магнитное поле, которое вызывает вращение ротора. Очень распространенным и базовым решением является использование трех обмоток. Однако из-за возникающих пульсаций крутящего момента производители предлагают также двигатели, оснащенные комплектами, содержащими от одной до восьми пар полюсов.

Ввиду отсутствия прямого контакта вращающегося элемента с неподвижными обмотками нет необходимости использовать графитовые щетки. Использование постоянных магнитов в конструкции бесщеточного двигателя позволяет увеличить крутящий момент и повысить эффективность устройства. Все это благодаря большей плотности энергии, что достигается с помощью рассматриваемых магнитов.

Почему следует выбирать бесщеточные двигатели

Конструктивное решение бесщеточного двигателя имеет ряд преимуществ. Самые важные отличия, о которых следует упомянуть:

Более тихая и менее аварийная работа устройства – во время работы щетки трутся о вращающиеся элементы, создавая шум. Щетки являются наиболее изнашиваемой частью коллекторных двигателей, что значительно сокращает срок их службы;
Повышение безопасности работы – при работе бесщеточного двигателя отсутствует опасное для пользователя искрение, которое возникает в классических приводах. Это преимущество позволяет использовать двигатель во взрывоопасных и легковоспламеняющихся средах;
Повышенный КПД устройства – устранение механического сопротивления позволяет достичь более высоких скоростей вращения ротора и улучшить крутящий момент;
Увеличенное время автономной работы – бесщеточный двигатель потребляет меньше электроэнергии, чем его традиционный аналог. Этот факт чрезвычайно важен в случае аккумуляторных устройств, которые могут работать намного дольше от одной зарядки;
Лучшая управляемость – двигатели BLDC позволяют очень точно управлять крутящим моментом, что снижает инерционность и ограничивает потребление электроэнергии;
Значительное сокращение или устранение необходимости в техническом обслуживании – при правильном использовании двигателя он должен работать без сбоев, без необходимости внешнего вмешательства в конструкцию. Так как из-за отсутствия щеток внутри устройства больше нет критических деталей, которые изнашиваются при нормальной эксплуатации. Преимущество, следующее из этого факта, в том, что двигатель можно устанавливать в труднодоступном месте.

Приложения, в которых бесщеточный двигатель не имеет себе равных

Рассматриваемые двигатели идеально подходят для компьютерной техники, требующей безопасной бесперебойной работы в течение длительного времени. Примером может быть жесткие диски или компьютерные вентиляторы, которые постоянно снижают температуру узлов во время использования компьютера. Как уже упоминалось выше, благодаря пониженному энергопотреблению и минимальным размерам они незаменимы в профессиональных аккумуляторных устройствах, таких как винтоверты, дрели или угловые шлифовальные машины. Тогда работа «от батареи» будет экономичнее, а время работы большее. Сегодня очень популярной отраслью промышленности, в которой широко используются бесщеточные двигатели, является производство электрических и гибридных автомобилей. Не менее важно использование бесщеточной технологии при производстве стиральных машин и кондиционеров. Безыскровая работа необходима из-за высокого риска поражения электрическим током. Кроме того, производители стиральных машин, оснащенных бесщеточными двигателями, предлагают больший гарантийный срок за счет более стабильной работы барабана, что позволяет обеспечить менее аварийную работу. Еще одно преимущество покупки такой стиральной машины – это снижение эксплуатационных расходов.

Классификация бесщеточных двигателей: двигатели BLDC и PMSM

Наиболее широко используемыми бесщеточными двигателями являются двигатели BLDC (Brushless DC Motor), то есть решение с трапециевидным распределением электродвижущей силы и двигателей PMSM (Permament Magnet Synchronous Motor) с синусоидальным распределением SEM. Различаются также приводы постоянного и переменного тока.

Управление бесщеточным двигателем

Использование обмоток статора позволяет управлять двигателем путем изменения воздействующих на них токов и текущего изменения крутящего момента. Как уже было сказано выше, различают двигатели BLDC и PMSM. Обозначение типа двигателя указывает на способ управления устройством. Трапецеидальное управление позволяет выполнять регулировку, когда не требуется управление скоростью и крутящим моментом двигателя. Такие двигатели оснащаются датчиками Холла, которые определяют положение ротора. Это решение менее сложное, но и менее точное. Главным недостатком такой конструкции является сложность регулирования на малых оборотах.

В двигателях PMSM, то есть с синусоидальным ходом электродвижущей силы, благодаря использованию специальных энкодеров устранены нежелательные коммутационные эффекты, возникающие в двигателях BLDC. При этом обеспечивается возможность свободной регулировки даже при низких оборотах. Кроме того, такое решение сводит к минимуму риск возникновения пульсаций крутящего момента.

Третьим и самым современным типом регулирования в бесщеточных двигателях является векторное управление. Такое решение заключается в использовании специального блока преобразования. Результатом такой процедуры является повышение точности управления по сравнению с двумя предыдущими типами и одновременно устранение пульсаций, а также хорошая регулируемость на низких оборотах.

Итоги

Подключение бесщеточного двигателя – это, несомненно, решение, достойное внимания как производителя, так и потребителя. Так как первый избавляется от риска частых сбоев. Повышается качество продукции и при этом уменьшается количество необходимых для сборки деталей. Покупатель же получает продукт, который будет служить годами и не потребует особого вмешательства в его работу. Несмотря на некоторую разницу в цене, спокойствие и безопасность покупаются на весь период использования. Поэтому стоит рассмотреть предложение устройств, оснащенных бесщеточными двигателями.

Двигатели BLDC в TME