Що таке безколекторний двигун?

Автор: Lauren Nagel

Безколекторні двигуни є в побутових приладах, транспорті й інструментах. Що це таке та чим вони відрізняються від щіткових?

Безколекторний двигун також називають BLDC — brushless direct current motor, тобто безколекторний двигун постійного струму.

Відповімо на основні запитання про цей універсальний тип.

Зміст

1. Що таке безколекторний двигун?
2. Історія безколекторних двигунів
3. Механізм роботи
4. Схема безколекторного двигуна
1. Анімація роботи
5. Щітковий і безколекторний двигун
6. Переваги безколекторного двигуна
7. Застосування BLDC
8. Безколекторні двигуни для дронів

Що таке безколекторний двигун?

BLDC — електродвигун, обертання якого створює взаємодія постійних магнітів та електромагнітів через притягання й відштовхування.

Контролер подає струм на електромагніти в потрібні моменти та керує швидкістю. 

На рисунку 1 магніти ротора позначено червоним і синім, котушки статора — мідним кольором.

Рисунок 1. Схема BLDC-двигуна

Такі двигуни відомі високим ККД і довговічністю. Назви «безколекторний», «безщітковий», «безколекторний постійного струму» та BLDC описують цей тип.

Історія безколекторних двигунів

У 1962 році T. G. Wilson і P. H. Trickey представили безколекторний двигун у статті AIEE «D-c machine with solid state commutation».

Автори описали проблеми та рішення. Основні вимоги до працездатної конструкції пояснювали так:

«Оскільки перемикання провідників якоря виконують нерухомі елементи, бажано уникнути їх обертання. Для цього обмотку якоря розміщують на нерухомій частині, а полюси поля обертаються. Постійний магніт усуває потребу живити ротор через щітки або трансформаторний зв’язок. Вісь поля струму якоря має обертатися точно зі швидкістю ротора. Дані про кутове положення полюсів потрібно безперервно передавати статору для правильного перемикання».

У висновках автори передбачили переваги над щітковими двигунами, які згодом підтвердилися: 

«Це має практично усунути радіозавади, а також зношення й обслуговування щіток і колекторів. Машина повинна мати надзвичайно високу надійність і тривалий ресурс».

Щітковий двигун винайшли більш ніж на сто років раніше — 1856 року. Попри проміжні вдосконалення суттєве оновлення технології давно назріло.

Механізм роботи

Основні частини — ротор із постійними магнітами та статор із мідними котушками, які стають електромагнітами під дією струму. 

У inrunner ротор обертається всередині зовнішнього статора, у outrunner — зовні статора.

Докладніше див. у статті Як працюють безколекторні двигуни.

Рисунок 2. Внутрішній ротор ліворуч, зовнішній праворуч

Струм у котушці створює північний і південний полюси. Однойменні полюси електромагніту та постійного магніту відштовхуються, обертаючи ротор.

Без перемикання ротор зупинився б після вирівнювання різнойменних полюсів. Трифазний струм постійно змінює поле, підтримуючи обертання.

Швидкість пов’язана з частотою трифазного сигналу: її підвищення збільшує оберти. Команда газу радіокерованого апарата задає контролеру потрібну швидкість.

Для правильної послідовності й моменту живлення котушок положення ротора відносно статора можна визначати датчиками Холла.

Схема безколекторного двигуна

Анімація нижче наочно пояснює механізм.

Рисунок 3. Анімація роботи безколекторного двигуна

На схемі outrunner: постійні магніти ротора розташовані зовні статора. Магніти також називають полюсами; їх кількість впливає на характеристики.

Електромагніти послідовно відштовхують постійні магніти й обертають ротор, тут проти годинникової стрілки, поки статор нерухомий.

ESC праворуч під’єднаний до акумулятора з одного боку та двигуна з іншого. Команда газу може надходити безпосередньо або радіоканалом. ESC керує комутацією для потрібних обертів.

Читайте також: Як керувати швидкістю електродвигуна

Щітковий і безколекторний двигун

Щітковий двигун також використовує магнітну взаємодію для обертання.

Основні відмінності — механізм, ККД і ресурс. Спочатку таблиця, потім докладне пояснення. 

* Поза ефективним діапазоном моменту й обертів будь-який двигун може мати ККД нижче 50% і сильно нагріватися.

Комутація: У щітковому двигуні струм надходить до обмоток через механічний контакт щіток із колектором. У безколекторному котушки статора перемикають напівпровідникові ключі.

ККД: Безколекторні двигуни забезпечують більший момент на ват спожитої потужності й тому ефективніші.

Початкова вартість: За однакових розмірів BLDC зазвичай дорожчий через складніший контролер.

Потреба в обслуговуванні: Щітки й колектор зношуються та потребують заміни. У BLDC немає настільки інтенсивно зношуваних контактів, тому обслуговування рідше.

Складність керування швидкістю: Швидкість щіткового двигуна задають напругою. BLDC потребує складнішого трифазного керування.

Ресурс: BLDC служить довше завдяки меншому зношенню. Щіткові двигуни іноді можна відновлювати для подовження ресурсу.

Електричні завади: Крім звуку, двигуни створюють електричні завади. Щіткові зазвичай створюють їх більше. Без ізоляції це може порушувати роботу сусідніх кіл і знижувати характеристики.

Іскробезпека: BLDC значно рідше створює іскри, здатні запалити горючі матеріали.

Керування на низькій швидкості: Щіткові двигуни прості в керуванні на малих обертах. BLDC із кутовими енкодерами та відповідною електронікою також може обертатися дуже повільно, наприклад у гіробордах і потужних сервоприводах. ODrives пропонує відкритий контролер для таких застосувань.

Максимальні оберти: Тертя щіток спричиняє нагрівання й зношення на високих обертах. BLDC не має цього обмеження та може працювати значно швидше.

Крутний момент відносно маси: Щіткові двигуни можуть створювати великий момент, особливо на малих обертах. Проте BLDC із подібним моментом значно компактніший, що поліпшує відношення моменту до маси.

Переваги безколекторного двигуна

Чи означає це, що BLDC завжди кращий?

Вибір залежить від застосування. Для високих обертів BLDC має перевагу. Нижчий ККД і більше обслуговування також обмежують використання щіткових моделей.

Водночас щіткові дешевші, прості в керуванні, забезпечують плавний великий момент на низьких обертах і мають лінійну залежність моменту від швидкості. Тому підходять для низькошвидкісного промислового обладнання, блендерів, склоочисників і мобільної медичної техніки.

Рисунок 4. Щіткові двигуни склоочисників

BLDC особливо корисні для високих обертів у пилах, вентиляторах і пропелерах. Високий момент відносно маси важливий для дронів, електролітаків і мікроробототехніки.

Також вони підходять для інтенсивної роботи й високої ефективності: акумуляторні інструменти, RC-моделі, опалення, охолодження та промисловість. Приклад — LiDAR для навігації роботів, автономних автомобілів і дронів.

Рисунок 5. RPLiDAR для роботизованої навігації

Застосування BLDC

Розглянемо деякі застосування докладніше.

Промисловість: Високий момент і ресурс корисні для верстатів із ЧПК, лінійних двигунів і сервоприводів. BLDC керують промисловими роботами для фарбування, складання та зварювання, наприклад на підприємстві Tata Steel у Великій Британії (рисунок 6).

У побуті: Мала маса й високий ККД підходять для пилососів, кавомашин, фенів, жорстких дисків і принтерів. Масове виробництво потребує надійності, щоб зменшити повернення й обслуговування.

Акумуляторні інструменти: BLDC працюють від перезаряджуваних акумуляторів, мають малу масу та високі оберти. Акумуляторні дрилі стали поширеними й становлять до половини доступних моделей. Ціна та інтенсивність використання визначають вибір між BLDC і щітковими.

Радіокеровані автомобілі: Високі оберти й швидке прискорення роблять BLDC придатними для RC-моделей. Kv, розміри та потужність залежать від моделі. Нітродвигуни працюють довше, але потребують пального й заправляння. BLDC зазвичай краще прискорюється та підходить для перегонів.

Рисунок 7. Позашляховий Monster Truck — радіокерований автомобіль із безколекторним двигуном

Безколекторні двигуни для дронів

Мала маса, високий ККД, широкий діапазон швидкості й великий момент роблять BLDC придатними для БПЛА.

Двигуни аматорських дронів відносно недорогі, тому можна порівнювати різні моделі. Висока надійність зменшує обслуговування, а заміна часто дешевша за ремонт.

Для великих комерційних і пілотованих дронів постійно створюються більші безколекторні двигуни для вищої потужності, моменту й тяги. Вони сприяють електрифікації літаків і розвитку eVTOL.

Існує багато типів дронів різних розмірів, конструкцій, джерел енергії та призначень. BLDC підходить багатьом, хоча також використовують паливні й гібридні системи.

Про вибір двигуна для дрона читайте в нашій безкоштовній електронній книзі з побудови та оптимізації дрона.

Висновок

Безколекторні двигуни трапляються майже всюди й стають дедалі популярнішими завдяки компактності, ефективності та надійності. 

Для розуміння потрібні основи електромагнетизму й електротехніки, які ми тут розглянули. 

Залишайте запитання нижче або перегляньте інші статті нашого центру знань.