Содержание
- Краткое резюме
- Введение в вентильные бесколлекторные двигатели (BLDC)
- История и проблема коллектора
- Принцип работы вентильного бесколлекторного двигателя
- Роль ESC и транзисторов
- Определение положения ротора
- Преимущества и недостатки вентильных бесколлекторных двигателей
Краткое резюме
- Вентильные бесколлекторные двигатели постоянного тока (BLDC) постепенно заменяют коллекторные двигатели благодаря большей эффективности, надежности и мощности.
- Принцип работы основан на последовательном электрическом возбуждении обмоток, создающем вращающееся магнитное поле, взаимодействующее с постоянным магнитом на роторе.
- Главная сложность – своевременное управление током в обмотках, что раньше решалось механическим коллектором, а теперь – электроникой с транзисторами и микроконтроллерами.
- Определение положения ротора критично для управления, для чего применяют датчики Холла, оптические сенсоры или бесдатчиковые методы на основе измерения ЭДС.
- Основной минус бесколлекторных двигателей – сложность управления, которая решается современной электроникой. Это позволяет использовать их в бытовой и промышленной технике, в том числе в компактных устройствах, таких как квадрокоптеры.
Введение в вентильные бесколлекторные двигатели (BLDC)
Вентильные бесколлекторные электродвигатели постоянного тока обретают всё большую популярность и вытесняют коллекторные аналоги. Они встречаются в зубных щётках, принтерах, жёстких дисках и бытовой технике — везде, где нужен компактный и эффективный электромотор.
Сам двигатель по конструкции достаточно прост: он состоит из трёх медных обмоток, вокруг которых свободно вращается постоянный кольцевой магнит с двумя полюсами. При подаче тока на обмотки создаётся магнитное поле, которое притягивает к себе полюса магнита. Задача — последовательно переключать обмотки, чтобы обеспечить непрерывное вращение ротора и появление крутящего момента.
«Энергия минимально расходуется на ненужный нагрев, и такой двигатель работает очень эффективно.»
История и проблема коллектора
В XIX веке для управления током в обмотках изобрели коллектор — вращающееся устройство с контактными щётками, обеспечивающее своевременную подачу напряжения. В коллекторном двигателе:
- Вращаются обмотки;
- Щётки касаются медных пластин коллектора и переключают питание.
Этот механизм решает задачу управления, но имеет серьёзные недостатки: щётки изнашиваются, искрят, создают шум, греются, требуют обслуживания.
«Коллекторный узел — самая слабая часть электродвигателя.»
Поэтому бесколлекторные двигатели без этого узла выглядят намного привлекательнее.
Принцип работы вентильного бесколлекторного двигателя
В BLDC управление током в трёх обмотках реализуется с помощью электроники. Обмотки наматываются парами, а ротор имеет не один, а несколько пар магнитных полюсов — 4, 6, 8 и более.
Обмотки соединяют либо по схеме звезды, либо треугольника, чаще — треугольником, что позволяет использовать всего три провода для подключения двигателя. Управлять подачей тока сложно:
- Нужна определённая полярность, чтобы одноимённые полюса отталкивались, а разноимённые притягивались;
- Необходимо быстро и точно переключать ток между обмотками, чтобы поддерживать крутящий момент.
Для этого используется ESC (Electronic Speed Controller) — контроллер скорости с микроконтроллером и силовыми транзисторами.
Роль ESC и транзисторов
ESC обрабатывает сигналы о положении ротора и управляет транзисторами (силовыми ключами), которые подают питание на обмотки, подключая их к плюсу или минусу. Такой способ позволил повысить эффективность двигателя:
- Можно одновременно питать две обмотки: одна притягивает, другая отталкивает полюс ротора;
- Отсутствует механическая коммутация, уменьшается износ и теплопотери.
«Именно из-за транзисторов такой двигатель называется вентильным — транзисторы работают как электронные "вентили".»
Определение положения ротора
Точная информация о положении ротора необходима микроконтроллеру, чтобы идеально синхронизировать подачу тока — иначе ротор будет просто "дергаться", а не вращаться плавно.
Для этого используют разные методы:
- Датчики Холла — фиксируют магнитное поле, показывают наличие и смену полюсов; требуют специальные датчики, питание и проводку.
- Оптические датчики — демонстрируют высокую точность, но также требуют встроенные компоненты и дополнительную проводку.
- Бесдатчиковый метод — измеряет индуцированную ЭДС в третьей, не питаемой обмотке. На основе её параметров микроконтроллер угадывает положение ротора. Этот способ популярен, например, в квадрокоптерах, где место ограничено.
Для первоначального запуска ротора при бесдатчиковой системе ESC подаёт серию импульсов, чтобы определить стартовое положение.
Преимущества и недостатки вентильных бесколлекторных двигателей
Преимущества:
- Высокий КПД и большая мощность при тех же размерах;
- Высокая надёжность и долговечность из-за отсутствия изнашивающихся щёток;
- Отсутствие искр и возможность эксплуатации в агрессивных или взрывоопасных средах;
- Снижение тепловых потерь.
Недостаток:
- Сложность и дороговизна управления — раньше это было серьёзной проблемой, но с развитием электроники и удешевлением микроконтроллеров она перестала быть критичной.
«С развитием микроконтроллеров и транзисторов бесколлекторные двигатели массово приходят на смену коллекторным.»
В итоге, вентильные бесколлекторные двигатели — технологичное решение для современного мира электромоторов. Их простая вложенная конструкция и сложное электронное управление обеспечивают высокую эффективность, мощность и надежность, открывая новые возможности в самых разных сферах от бытовой техники до дронов. ⚙️🔋