Как работает двигатель BLDC: подробное объяснение принципов бесщеточных двигателей постоянного тока

За последние два-три десятилетия благодаря постоянному развитию электронных технологий и материалов с постоянными магнитами,Двигатели BLDCпревратились из нишевых двигателей в основные силовые решения для различных отраслей промышленности.Двигатели BLDCшироко используются в бытовой технике, электроинструментах, электромобилях и оборудовании промышленной автоматизации благодаря их высокой эффективности, высокой надежности и длительному сроку службы. Тем не менее, принципы работы двигателей BLDC до сих пор мало кому известны. В этой статье объясняется все, что вам нужно знать о принципе работы двигателей BLDC, чтобы вы могли получить более подробное представление об этой невероятной инновации в современной электротехнике.

Базовая структура двигателя BLDC

Теперь, прежде чем перейти к принципу работы, нам следует ознакомиться с его базовой структурой:

Статор: закреплен внутри корпуса двигателя. Обычно он состоит из ламинированных листов кремниевой стали, вокруг него намотаны катушки, образующие несколько полюсов электромагнита.

Ротор: Ротор обычно крепится на валу и содержит постоянные магниты. Двигатели BLDC можно разделить на несколько разновидностей в зависимости от различных конфигураций постоянных магнитов.

Датчики Холла: для определения положения ротора и обратной связи с электронной системой управления.

Контроллер: электронная система управления, которая определяет время тока, протекающего через обмотки статора, на основе обратной связи от датчиков Холла или других механизмов обратной связи.

Стоит отметить, что конструкция двигателя BLDC с выдвижным ротором отличается от конструкции внутреннего ротора. Ротор находится снаружи, а статор внутри. Этот тип конструкции особенно распространен в приложениях, требующих высокого крутящего момента, например, в приводе пропеллеров дронов.

Принципы электромагнетизма: основа работы двигателя BLDC

Два основных принципа электромагнетизма определяют работу двигателя BLDC:

Закон Ампера: когда проводник с током находится в магнитном поле, на него действует сила. Статор двигателя BLDC состоит из спиральных медных обмоток, и после того, как на эти обмотки подается питание, они создают магнитное поле, которое взаимодействует между постоянными магнитами ротора, создавая силу, обеспечивающую механическое движение для вращения ротора.

Закон электромагнитной индукции Фарадея: в проводнике индуцируется электродвижущая сила, когда он пересекает силовые линии магнитного поля или находится в изменяющемся магнитном поле. Он широко используется в бездатчиковом управлении, где положение ротора определяется путем измерения обратных электродвижущих сил.

Эти принципы применяются при проектировании промышленных бесщеточных двигателей. Они достигают этого путем точного регулирования тока, протекающего через обмотки статора, обеспечивая благоприятное электромагнитное взаимодействие с постоянными магнитами ротора для достижения высокой эффективности и стабильности.

Процесс коммутации двигателя BLDC

Самый важный рабочий механизм в двигателе BLDC называется электронной коммутацией. Это наиболее важный и ключевой фактор различия между бесщеточными двигателями и традиционными коллекторными двигателями.

Принцип коммутации: Коммутация — это процесс изменения направления тока по отношению к катушкам двигателя так, чтобы могло существовать непрерывное электромагнитное взаимодействие между ротором и статором, которое создает непрерывный крутящий момент.

Шестиступенчатая коммутация. Традиционный метод управления двигателями BLDC делит электрический цикл на шесть этапов. На каждом этапе две из трехфазных обмоток находятся под напряжением, а одна фаза отключена.

Обратная связь с датчиком Холла: датчики Холла определяют положение постоянных магнитов ротора, благодаря чему контроллер может определить, на какую обмотку следует подать напряжение и направление тока.

Бездатчиковое управление. Более продвинутый метод заключается в определении положения ротора путем мониторинга обратной электродвижущей силы в обесточенной фазе. Для реализации этой сложной стратегии не требуются датчики Холла, что приводит к большей надежности привода.

В больших двигателях BLDC обычно используются более сложные стратегии управления, такие как синусоидальный привод или векторное управление, для достижения более плавного крутящего момента и более высокой эффективности.

Роль контроллера в системе двигателя BLDC.

Двигатель BLDC не может работать сам по себе, и его необходимо комбинировать со специализированным электронным контроллером:

Драйвер двигателя: обычно трехфазный мостовой инвертор на базе силового МОП-транзистора или IGBT, который переключает путь тока в соответствии с управляющим сигналом.

Микроконтроллер: принимает сигналы от датчика положения, выполняет алгоритмы управления и генерирует сигналы ШИМ для управления силовыми устройствами.

Управление с обратной связью: обеспечивает точное управление скоростью или регулированием положения в зависимости от потребностей приложения.

Функция безопасной защиты: защита от перегрузки по току, защита от перегрева, защита от пониженного напряжения и т. д.

Системы двигателей BLDC напряжением 48 В широко распространены в электрических велосипедах, небольших электромобилях и некоторых других отраслях промышленности. Его контроллер и схемы управления должны работать с более высокими напряжениями и токами и обычно имеют более сложный набор функций производительности и защиты.

Эксплуатационные характеристики и сценарии применения двигателей BLDC

Теперь давайте посмотрим на их преимущества в производительности после изучения принципов работы двигателей BLDC:

Высокая эффективность: благодаря отсутствию потерь на трение в щетках и коллекторах их эффективность обычно превышает 85%, а в некоторых случаях даже выше 95%.

Хорошие скоростно-моментные характеристики: Обеспечивает широкий диапазон выходного крутящего момента.

Увеличенный срок службы: без механических изнашиваемых элементов срок службы в конечном итоге ограничивается только подшипниками.

Повышенная эффективность отвода тепла: прямой контакт между обмотками статора и корпусом двигателя для более эффективного отвода тепла.

Низкий уровень шума и электромагнитных помех: при коммутации щеток не возникает искр и шума.

Благодаря своей особой конструкции двигатель BLDC с опережением обеспечивает более высокий крутящий момент на низких скоростях, что делает его особенно подходящим для систем с прямым приводом, таких как пропеллеры дронов, вентиляторы и т. д. Благодаря преимуществам стабильности и долговечности бесщеточный двигатель делает его предпочтительным источником питания в оборудовании автоматизации и прецизионных инструментах.

Алгоритмы управления двигателями BLDC

Более развитая современная технология управления BLDC превзошла этот простой шестиступенчатый метод коммутации:

Управление трапецеидальной волной. Самый простой метод управления — это сигнал тока трапециевидной формы. Его легко реализовать на практике, но он создает пульсации крутящего момента значительной амплитуды.

Синусоидальное управление: управление двигателем синусоидальным током, что может уменьшить пульсации крутящего момента двигателя и сделать работу более плавной.

Полеориентированное управление (FOC). Путем математического преобразования трехфазный ток переводится во вращающуюся систему координат для управления, что приводит к оптимальному управлению крутящим моментом и энергоэффективности.

Технология Sensor fusion: объединяет несколько сигналов обратной связи (например, датчики Холла, энкодеры и датчики тока) для повышения точности и надежности управления.

Из-за проблем в приложениях с высокой мощностью, таких как управление температурным режимом, оптимизация эффективности и динамический отклик, для двигателей Big BLDC обычно используются более сложные алгоритмы управления.

Заключение: принципы работы и преимущества двигателей BLDC.

Двигатели BLDCточно контролируйте ток в обмотках статора с помощью электронной системы управления и взаимодействуйте с постоянными магнитами ротора для достижения эффективного преобразования электрической энергии в механическую. От небольших бытовых электронных устройств до крупного промышленного оборудования, от низковольтных устройств до систем двигателей BLDC напряжением 48 В, бесщеточные двигатели постоянного тока, благодаря своему высокому КПД, высокой надежности и превосходным характеристикам управления, способствуют технологическому прогрессу и повышению энергоэффективности в различных отраслях промышленности. Благодаря постоянному развитию технологий электронного управления и материалов с постоянными магнитами мы можем предвидеть, что двигатели BLDC будут иметь более широкую перспективу применения и более выдающиеся характеристики.

Если вы заинтересованы в нашей продукции или у вас есть какие-либо вопросы, пожалуйста, не стесняйтесьсвязаться с намии мы ответим вам в течение 24 часов.