Типы двигателей постоянного тока: коллекторные и бесщеточные и как они работают

Существует пять основных типов двигателей постоянного тока: коллекторные двигатели постоянного тока (включая подтипы последовательных, шунтирующих, составных и постоянных магнитов) и бесщеточные двигатели постоянного тока (БЛДК). Каждый тип работает по одному и тому же фундаментальному принципу — преобразованию электрической энергии постоянного тока в механическое вращение — но существенно различается по конструкции, методу управления, эффективности и пригодности для применения. Если вам нужен простой и недорогой двигатель для базовых задач, практичным выбором будет щеточный двигатель постоянного тока. Если вам нужна высокая эффективность, длительный срок службы и точный контроль скорости в сложных условиях, бесщеточный двигатель постоянного тока является лучшим решением. В этом руководстве подробно описаны все основные типы, чтобы вы могли принять правильное решение.

Как работают двигатели постоянного тока: Фонд

Все двигатели постоянного тока работают по одному и тому же электромагнитному принципу: когда проводник с током помещается в магнитное поле, на него действует механическая сила, описываемая законом силы Лоренца. Эта сила заставляет ротор (вращающуюся часть) вращаться, преобразуя электрическую энергию в механическую энергию вращения.

Основное различие между различными типами двигателей постоянного тока заключается в как создается магнитное поле и как ток подается на вращающийся якорь . В щеточных двигателях постоянного тока угольные щетки поддерживают физический скользящий контакт с коллектором на валу ротора для передачи тока. В бесщеточных двигателях постоянного тока эта механическая коммутация заменяется электронным переключением через специальный контроллер, что полностью исключает использование щеток.

Двигатели постоянного тока характеризуются несколькими ключевыми параметрами производительности: крутящий момент (измеряется в Нм или унциях-дюймах), скорость (об/мин), эффективность (%) и номинальная мощность (ватты или лошадиные силы). Понимание того, как различные типы двигателей ведут себя по этим параметрам, необходимо для подбора двигателя для конкретного применения.

Обзор всех типов двигателей постоянного тока

В следующей таблице представлено общее сравнение основных типов двигателей постоянного тока, чтобы сориентировать обсуждение перед углубленным изучением каждого из них.

Щеточные двигатели постоянного тока: конструкция и принцип работы

Щеточный двигатель постоянного тока состоит из четырех основных компонентов: статора (неподвижная внешняя рама, удерживающая обмотки возбуждения или постоянные магниты), ротора (вращающийся якорь, намотанный медными катушками), коллектора (сегментированный медный цилиндр на валу ротора) и угольных щеток (неподвижные проводящие блоки, прижатые к коллектору пружинами).

Когда постоянный ток проходит через щетки в коммутатор, он последовательно подает напряжение на определенные катушки якоря. Взаимодействие между магнитным полем якоря и полем статора создает крутящий момент, который вращает вал. Коммутатор механически переключает катушки, на которые подается напряжение при вращении ротора, поддерживая непрерывное вращение. Именно эта механическая коммутация и дала щеточному двигателю постоянного тока название — и его главное ограничение.

Скользящий контакт между щетками и коллектором вызывает трение, нагрев и постепенный износ. Большинство угольных щеток требуют замены после От 500 до 1000 часов работы в требовательных приложениях, хотя у тихоходных двигателей срок службы щеток может превышать 3000 часов. При износе щеток также образуется углеродистая пыль, которая может загрязнять чувствительные среды.

Четыре типа щеточных двигателей постоянного тока

1. Серия двигателей постоянного тока

В последовательном двигателе постоянного тока обмотка возбуждения соединена последовательно с обмоткой якоря, то есть через обе обмотки протекает одинаковый ток. Эта конфигурация производит чрезвычайно высокий пусковой момент , часто в 5–8 раз превышающий номинальный рабочий крутящий момент. Однако скорость резко меняется в зависимости от нагрузки: по мере уменьшения нагрузки скорость неограниченно возрастает, создавая опасное состояние разгона, если нагрузка полностью снимается.

• Пусковой крутящий момент: Очень высокий — идеально подходит для применений, требующих больших начальных нагрузок
• Регулировка скорости: Плохо — скорость резко падает при увеличении нагрузки.
• Никогда не следует запускать незагруженным: Опасное превышение скорости может привести к повреждению двигателя и создать угрозу безопасности.
• Типичные применения: Тяговые двигатели электровозов, автомобильные стартеры, крановые тали, электротрамваи

2. Шунтирующий двигатель постоянного тока.

В шунтовом двигателе постоянного тока обмотка возбуждения подключается параллельно (шунтирую) якорю через источник питания. Поскольку обмотка возбуждения получает постоянное напряжение независимо от тока якоря, магнитное поле остается почти постоянным. Это дает шунтовому двигателю его определяющую характеристику: почти постоянная скорость в широком диапазоне нагрузок , обычно варьируется всего на 5–10% от холостого хода до полной нагрузки.

• Регулировка скорости: Отлично — хорошо подходит для приложений, требующих постоянной скорости.
• Пусковой крутящий момент: Умеренный — ниже, чем тип серии
• Контроль скорости: Достижимо путем изменения напряжения якоря или тока возбуждения.
• Типичные применения: Приводы станков, токарных, фрезерных станков, центробежных насосов, вентиляторов, конвейеров

3. Составной двигатель постоянного тока

Составной двигатель постоянного тока сочетает в себе как последовательные, так и шунтирующие обмотки возбуждения на одних и тех же полюсах статора, сочетая характеристики обоих типов. В накопительное соединение В конфигурации (наиболее распространенной) последовательное и шунтирующее поля усиливают друг друга, обеспечивая более высокий пусковой момент, чем чисто шунтовый двигатель, сохраняя при этом лучшее регулирование скорости, чем чисто последовательный двигатель.

А дифференциальное соединение В конфигурации два поля противостоят друг другу, что обеспечивает очень стабильную скорость, но низкий пусковой момент — менее распространенная схема, используемая в конкретных приложениях с постоянной скоростью.

• Пусковой крутящий момент: Высокий — лучше, чем шунт, ниже, чем серия.
• Регулировка скорости: Умеренная — лучше, чем серия, немного хуже, чем шунт.
• Универсальность: Лучший выбор, когда необходимы как хороший пусковой момент, так и достаточная стабильность скорости.
• Типичные применения: Пробивные прессы, ножницы, элеваторы, воздушные компрессоры, прокатные станы

4. Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами (PMDC).

Вместо катушек возбуждения в двигателе постоянного тока с постоянными магнитами для создания поля статора используются фиксированные постоянные магниты. Это полностью устраняет потери в медной обмотке возбуждения, что делает двигатели PMDC более эффективный и более компактный чем их аналоги с раневым полем при той же номинальной мощности. Компромисс заключается в том, что напряженность поля не может быть изменена, что ограничивает управление скоростью только регулировкой напряжения якоря.

Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами являются наиболее широко производимыми в мире типами щеточных двигателей постоянного тока, которые используются в сотнях повседневных изделий. Типичный двигатель автомобильного стеклоподъемника представляет собой блок PMDC мощностью 12 В постоянного тока, крутящий момент 5–15 Нм. на скоростях 30–100 об/мин после переключения. Современные двигатели PMDC с редкоземельными магнитами достигают КПД до 90% в оптимизированном дизайне.

• Эффективность: Выше, чем у типов с намотанным полем, за счет устранения потерь в обмотке возбуждения.
• Размер и вес: Более компактный при заданной выходной мощности
• Ограничение: Постоянные магниты могут размагничиваться при высоких температурах (>150°C для феррита; >120°C для некоторых редкоземельных типов).
• Типичные применения: Аккумуляторные электроинструменты, автомобильные приводы, игрушки, мелкая бытовая техника, медицинское оборудование

Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC): как он работает и почему он отличается

А brushless DC motor eliminates the commutator and carbon brushes entirely. Instead, the rotor carries permanent magnets and the stator carries the copper windings — the inverse of a brush DC motor's arrangement. Current switching to the stator windings is performed electronically by a dedicated motor controller, which uses rotor position feedback (typically from Hall effect sensors or back-EMF detection) to energize the correct stator coils at precisely the right moment.

Эта электронная коммутация удаляет все скользящие контакты с самого двигателя. устранение износа щеток, снижение электрических шумов и резкое увеличение срока службы. . Хорошо спроектированный двигатель BLDC может работать От 10 000 до 30 000 часов без обслуживания — по сравнению с 500–3000 часами работы сопоставимого щеточного двигателя постоянного тока в аналогичных условиях.

Inrunner против Outrunner BLDC Motors

Бесщеточные двигатели постоянного тока бывают двух физических конфигураций в зависимости от того, какая часть вращается:

• Инраннер BLDC: Ротор с постоянными магнитами вращается внутри статора — высокая скорость, меньший крутящий момент. Часто встречается в таких приложениях, как радиоуправляемые автомобили, дроны (конструкции с внутренним ротором) и шпиндельные двигатели. Типичные скорости 10 000–50 000 об/мин .
• Аутраннер BLDC: Корпус постоянного магнита вращается вокруг внешней части внутреннего статора — более низкая скорость, более высокий крутящий момент. Доминирует в двигательной установке дронов и колесных двигателях с прямым приводом. Типичные скорости 500–5000 об/мин с гораздо более высокой плотностью крутящего момента.

Бездатчиковое и сенсорное управление BLDC

Сенсорные двигатели BLDC используйте датчики Холла, встроенные в статор, для определения положения ротора в режиме реального времени, что обеспечивает точную коммутацию с места. Их предпочитают в приложениях, требующих высокого крутящего момента на низких скоростях и контролируемого запуска, таких как электромобили и промышленные сервоприводы.

Бездатчиковые двигатели BLDC определить положение ротора по напряжению обратной ЭДС, генерируемому при вращении ротора. Они проще и дешевле, но требуют, чтобы двигатель работал на скорости выше минимальной (обычно 5–10 % от номинальной скорости ) до того, как установится устойчивая коммутация. Обычно используется в вентиляторах, насосах и дронах, где запуск с места под нагрузкой не требуется.

Щеточный двигатель постоянного тока и бесщеточный двигатель постоянного тока: подробное сравнение

Выбор между щеточным двигателем постоянного тока и бесщеточным двигателем постоянного тока является одним из наиболее распространенных решений при выборе двигателя. Следующее сравнение охватывает факторы, которые имеют наибольшее значение в реальных приложениях.

Реальные применения каждого типа двигателя постоянного тока

Понимание преимуществ каждого типа двигателя на практике помогает преобразовать технические сравнения в действенные решения по выбору.

Применение двигателей постоянного тока серии

• Тяговые электродвигатели для железной дороги — классическое применение, использующее огромный пусковой момент.
• Аutomotive starter motors — high cranking torque at low voltage
• Приводы кранов и подъемников — переменные тяжелые нагрузки, требующие максимальной пусковой силы.

Применение шунтовых и составных двигателей постоянного тока

• Промышленные станки (токарные, фрезерные станки) — шунтирующие двигатели для постоянной скорости резания.
• Печатные машины — комбинированные двигатели для надежной скорости и переменной загрузки бумаги.
• Рули высоты — накопительное соединение для плавного разгона и надежной остановки.

Применение двигателей постоянного тока с постоянными магнитами

• Аккумуляторные дрели и шуруповерты — компактные, эффективные, простое управление скоростью с помощью курка
• Аutomotive window lifts, seat adjusters, and wiper motors
• Медицинские устройства, включая инфузионные насосы и вентиляторы
• Бытовая электроника и игрушечные моторы

Применение бесщеточных двигателей постоянного тока

• Электромобили: Двигатели BLDC приводят в действие трансмиссию многих электромобилей; задний двигатель Tesla Model 3 производит 211 кВт (283 л.с.) из конструкции BLDC
• Дроны и БПЛА: Двигатели Outrunner BLDC обеспечивают высокое соотношение мощности и веса, необходимое для полета; Типичный двигатель гоночного дрона весит менее 30 г, но обеспечивает тягу более 1 кг.
• Системы вентиляции и кондиционирования: Двигатели вентиляторов и компрессоров BLDC снижают потребление энергии на 20–40 % по сравнению с асинхронными двигателями переменного тока в приложениях с регулируемой скоростью.
• Промышленная робототехника: Серводвигатели BLDC с обратной связью от энкодера обеспечивают субмиллиметровую точность позиционирования в роботизированных манипуляторах.
• Компьютерные жесткие диски и вентиляторы охлаждения: Двигатели шпинделя BLDC в жестких дисках вращаются со скоростью 5 400–15 000 об/мин непрерывно в течение многих лет без технического обслуживания.

Как выбрать правильный тип двигателя постоянного тока для вашего применения

Выбор правильного типа двигателя постоянного тока требует оценки вашего применения по пяти ключевым критериям. Систематически прорабатывайте их, чтобы сузить свой выбор.

1. Определите требования к крутящему моменту и скорости: Рассчитайте необходимый крутящий момент на валу (включая зубчатую передачу) и требуемый диапазон скоростей. Если вам нужен очень высокий пусковой момент с переменной скоростью при большой нагрузке, подойдет двигатель постоянного тока с последовательными или составными щетками. Если вам нужна постоянная скорость при переменной нагрузке, лучше подойдет шунтирующий двигатель или двигатель BLDC.
2. Аssess the duty cycle and service life expectation: Для двигателей, работающих непрерывно или в течение тысяч часов в год, необслуживаемый характер двигателя BLDC оправдывает его более высокую первоначальную стоимость. Для периодического использования в недорогом продукте щеточный двигатель с постоянным током более экономичен.
3. Оцените операционную среду: В пыльных, влажных или потенциально огнеопасных средах использование щеточных двигателей постоянного тока исключено из-за образования дуги и угольной пыли. Двигатели BLDC необходимы во взрывозащищенных или чистых помещениях.
4. Учитывайте сложность и стоимость системы управления: Если бюджет вашей системы ограничен, а управление скоростью простое (включение/выключение или базовая ШИМ), правильным выбором будет щеточный двигатель постоянного тока с простым драйвером. Если вам требуется точный контроль скорости или положения, приобретите двигатель BLDC с соответствующим контроллером.
5. Учитывайте общую стоимость системы в течение жизненного цикла продукта: А BLDC motor may cost 2–3 times more than a comparable brush DC motor upfront, but eliminates brush replacement costs and downtime over the product's life. For a motor running 8 hours per day, the BLDC typically reaches cost parity within от 1 до 3 лет операции.

Переход к бесщеточным двигателям постоянного тока в современных приложениях

Мировой рынок бесщеточных двигателей постоянного тока оценивается примерно в 15 миллиардов долларов в 2023 году и is projected to exceed $25 billion by 2030, driven primarily by electric vehicle adoption, industrial automation, and energy efficiency regulations in HVAC equipment. Meanwhile, the market for brush DC motors remains significant — particularly in low-cost consumer goods and automotive auxiliary applications — but new design wins increasingly favor brushless technology.

Ключевым фактором стало снижение стоимости силовой электроники и контроллеров двигателей. Базовый чип драйвера двигателя BLDC, который в 2010 году стоил 8–12 долларов, теперь доступен менее чем за 2 доллара, что делает бесщеточную технологию экономически жизнеспособной в продуктах, в которых ранее доминировали щеточные двигатели постоянного тока. Ярким примером являются аккумуляторные электроинструменты: В большинстве аккумуляторных инструментов профессионального уровня, выпущенных после 2018 года, используются бесщеточные двигатели. , заменив щеточные двигатели PMDC, которые доминировали в этой категории на протяжении десятилетий.

Несмотря на эту тенденцию, щеточные двигатели постоянного тока останутся актуальными еще долгие годы. Их простота, низкая стоимость системы и легкость управления обеспечивают место в экономичных приложениях с малым рабочим циклом, где эксплуатационная экономичность бесщеточной технологии не может быть оправдана.