Безщіточні та щіткові двигуни постійного струму: практичне порівняння для інженерів і відділів закупівель

Безщіточні двигуни постійного струму (BLDC). і щіткові двигуни постійного струму обидва є двигунами постійного струму з постійними магнітами, і вони мають однакову основну мету: перетворення електричної енергії в обертальний механічний рух. Але крім цієї спільної мети, вони досягають її за допомогою принципово різних внутрішніх механізмів — і ці відмінності в механізмах створюють справді різні характеристики продуктивності, очікуваний термін служби, профілі ефективності та структуру витрат, які мають значення при виборі правильного двигуна для конкретного застосування.

Вибір не завжди очевидний. Безщіточні двигуни коштують дорожче, але часто забезпечують нижчу загальну вартість володіння в системах з інтенсивним використанням. Щіткові двигуни простіше керувати за допомогою електроніки, але потребують періодичного обслуговування. Чітке розуміння компромісів, а не вибір за замовчуванням одного типу як універсального кращого, призводить до кращих специфікацій і менше проблем у цій галузі.

Як працює кожен тип двигуна

Матовий двигун постійного струму

У щітковому двигуні постійного струму ротор (обертовий компонент) несе обмотки електромагніту, а статор (нерухомий компонент) несе постійні магніти. Струм тече від зовнішнього джерела живлення через вугільні щітки, які притискаються до сегментованого колекторного кільця, встановленого на валу ротора. При обертанні ротора різні сегменти комутатора стикаються зі щітками, перемикаючи напрямок струму в обмотках ротора синхронно з кутовим положенням ротора. Ця механічна комутація гарантує, що електромагнітна сила на роторі завжди діє в одному напрямку обертання, створюючи безперервне обертання.

Щітки та комутатор є визначальною особливістю та основним обмеженням цієї конструкції. Вони підтримують електричний контакт через тертя ковзання, яке генерує тепло, уламки зносу та електричний шум (іскроутворення на поверхні комутатора). З часом щітки зношуються і підлягають заміні; поверхня комутатора також може зношуватися або забруднюватися. Ковзний контакт також є механізмом, який створює верхню межу робочої швидкості та проблему чутливості до навколишнього середовища — щітки по-різному працюють у запиленому, вологому чи хімічно агресивному середовищі, а іскріння створює ризики у вибухонебезпечних середовищах.

Безщітковий двигун постійного струму

У безщітковому двигуні постійного струму розташування інвертується порівняно з щітковим двигуном: постійні магніти знаходяться на роторі, а обмотки електромагніту – на статорі. Оскільки обмотки є нерухомими, пряме електричне підключення до них є простим — не потрібен ковзний контакт. Але усунення механічного комутатора створює нову вимогу: контролер двигуна повинен електронним способом визначати положення ротора та перемикати струм на правильні фази обмотки статора, щоб підтримувати безперервне обертання. Це електронна комутація, і для неї потрібен контролер двигуна (також званий драйвером або ESC — електронним регулятором швидкості) із можливістю зворотного зв’язку за положенням, як правило, від датчиків Холла, вбудованих біля ротора, або від датчика зворотної ЕРС.

Усунення механічної комутації повністю усуває щітку та механізм зносу комутатора. Немає витратних матеріалів для вугільної щітки, які потрібно замінити, немає комутатора, який необхідно відновити, і немає іскріння на електричних контактах. Основними компонентами безщіткового двигуна, що зношуються, є підшипники, а підшипники правильного розміру, що працюють із відповідним навантаженням і швидкістю, можуть мати дуже тривалий термін служби.

Ефективність: де різниця найбільш суттєва

Щіткові двигуни постійного струму зазвичай досягають ККД 75–85% за проектної робочої точки. Втрати ефективності відбуваються з кількох джерел: контактний опір щітки, який перетворює деяку електричну енергію безпосередньо на тепло на межі щітка-комутатор; втрати міді в обмотках ротора (резистивний нагрів, пропорційний квадрату сили струму); і механічне тертя в самому контакті щітка-комутатор. Втрати щітки фіксовані незалежно від навантаження; втрати міді збільшуються зі струмом (навантаженням); результатом є крива ефективності, яка досягає максимуму при певному навантаженні та знижується як при невеликому, так і при перевантаженні.

Безщіточні двигуни постійного струму зазвичай досягають ККД 85–95% за проектної робочої точки. Без контактного опору щітки та механічного тертя колектора основними втратами ефективності є втрати міді в обмотках статора та втрати заліза в сердечнику статора. Двигуни BLDC можуть бути розроблені для більш плоскої кривої ККД у ширшому діапазоні швидкості та навантаження, ніж щіткові двигуни, тому їм надають перевагу в додатках, де двигун працює в широкому робочому циклі — інструменти з живленням від акумулятора, промислові приводи зі змінною швидкістю, системи приводу AGV.

У додатках, що живляться від батареї, різниця ефективності прямо пропорційна часу роботи від батареї фіксованої ємності. Двигун BLDC з ККД 90% у порівнянні з мотором із щіткою з ККД 80%, споживаючи таку саму вихідну механічну потужність, споживатиме на 11% менше електроенергії, подовжуючи час роботи приблизно в тій самій пропорції. Понад тисячі циклів у AGV або мобільному роботі ця перевага ефективності є значущим фактором експлуатаційних витрат.

Термін служби та технічне обслуговування

Саме тут практичний аргумент для двигунів BLDC у інтенсивному промисловому застосуванні є найбільш переконливим. Щіткові двигуни постійного струму вимагають перевірки та заміни щіток через регулярні проміжки часу — зазвичай кожні 1000–5000 годин роботи, залежно від розміру двигуна, навантаження та матеріалу щіток. Комутатор також може вимагати періодичного очищення або відновлення поверхні. У додатках, де двигун доступний і заміна є звичайною, це технічне обслуговування є керованим. У випадках, коли двигун вбудовано в герметичний механізм, важкодоступний або працює в чистому чи контрольованому середовищі, де технічне обслуговування може зашкодити, заміна щіток є значним експлуатаційним тягарем.

Безщіточні двигуни постійного струму не мають компонентів, що зношуються, крім підшипників. Термін служби підшипника розраховується на основі специфікації навантаження, швидкості та мастила — зазвичай становить 10 000–30 000 годин для якісних підшипників за відповідних навантажень і довше в умовах невеликого навантаження. У добре спроектованій системі приводу BLDC термін служби двигуна в багатьох застосуваннях фактично є терміном служби обладнання, а не елементом інтервалу технічного обслуговування. Це робить BLDC відповідним вибором для герметичних систем, середовищ чистих приміщень, медичних пристроїв і промислових застосувань із високим циклом навантаження, де незапланований простой для заміни щіток є неприйнятним.

Характеристики швидкості та моменту

Щіткові двигуни постійного струму мають характерну лінійну залежність швидкості від крутного моменту: із збільшенням крутного моменту навантаження швидкість пропорційно зменшується. Без навантаження двигун працює на швидкості вільного ходу (обмежується лише зворотною ЕРС); при зупинці двигун розвиває максимальний крутний момент на нульовій швидкості (крутний момент зупинки), споживаючи максимальний струм. Ця передбачувана залежність робить керування швидкістю та крутним моментом простим шляхом простого регулювання напруги.

Контакт щітка-комутатор обмежує максимальну робочу швидкість — на високих швидкостях інтерфейс щітка-комутатор швидко зношується, нагрівається комутатор і, зрештою, щітка відскакує (щітка відривається від поверхні комутатора, перериваючи струм). Практичні максимальні швидкості для щіткових двигунів коливаються приблизно від 5 000 до 10 000 об/хв для стандартних конструкцій; високошвидкісні щіткові двигуни можуть перевищити це, але вимагають спеціальних матеріалів для щіток і конструкції колектора.

Безщіточні двигуни постійного струму можуть працювати на набагато вищих швидкостях, ніж щіткові двигуни еквівалентного розміру, оскільки немає обмеження швидкості колектора. Невеликі двигуни BLDC використовуються в програмах, що вимагають 50 000–100 000 обертів на хвилину (стоматологічні бормашини, шпинделі турбокомпресора, прецизійні шпиндельні приводи). На низькій швидкості двигуни BLDC можуть розвивати високий крутний момент на дуже низьких швидкостях, якщо керувати потужним контролером — вони не мають «стрибків струму зупинки», характерних для щіткових двигунів, оскільки контролер обмежує струм електронним способом.

Складність і вартість драйвера

Щітковими двигунами постійного струму керувати значно простіше, ніж двигунами BLDC. Оскільки комутація є механічною та автоматичною, двигуном можна керувати лише джерелом напруги постійного струму та простим перемикачем. Контроль швидкості досягається за допомогою регулювання напруги (ШІМ або регулювання напруги), а зміна напрямку вимагає лише зміни полярності. Для застосувань, де пріоритетом є простота керування та низька вартість контролера — прості приводи, недорогі прилади, застосування з мінімальними вимогами до швидкості чи зворотного зв’язку позиції — щіткові двигуни пропонують нижчу загальну вартість системи, незважаючи на їх вищі вимоги до обслуговування.

Для безщіткових двигунів постійного струму потрібен спеціальний електронний контролер двигуна, який забезпечує перемикання фаз, керування струмом і зазвичай інтерпретацію зворотного зв’язку за положенням. Цей контролер збільшує вартість (приблизно від 10–15 доларів США для простих 3-фазних драйверів BLDC до сотень доларів для високопродуктивних сервоприводів), ускладнює специфікацію матеріалів і потенційний додатковий режим відмови (відмова контролера, на додаток до відмови двигуна). Для високопродуктивних додатків або додатків з високим циклом навантаження, де переваги продуктивності BLDC виправдовують інвестиції, ця складність поглинається в дизайн системи. Для простих, економічно чутливих додатків із низькими робочими циклами це може бути не так.

Резюме прямого порівняння

Який тип указати для типових програм

Для систем приводу AGV і автономних мобільних роботів стандартним вибором є безщіточні редукторні двигуни постійного струму. Робочий цикл у безперервній роботі складу або фабрики високий; ефективність акумулятора має велике значення для часу роботи між заряджаннями; система приводу, як правило, захищена від заводського середовища; і незапланований простой на технічне обслуговування для заміни щіток є неприйнятним у контексті виробництва. Двигуни BLDC з інтегрованими планетарними редукторами стали специфікацією за замовчуванням для серйозних приводів AGV з усіх цих причин.

Для недорогих споживчих товарів і простих приводів — іграшок, малої побутової техніки, приводів керування, що рідко використовуються, чутливих до вартості програм OEM — щіткові двигуни постійного струму залишаються доречними, де робочий цикл низький, робоче середовище є сприятливим і загальна вартість системи, включаючи драйвер двигуна, має значення. Щітковий двигун із простим H-мостовим приводом і без зворотного зв’язку за положенням є дешевшим, ніж двигун BLDC із спеціальним 3-фазним драйвером, і для застосування, яке працює кілька хвилин на день, перевага тривалості служби BLDC ніколи не стає практично актуальною.

Для прецизійного обладнання автоматизації — роботизованих з’єднань, приводів осей з ЧПК, оптичних систем позиціонування, приводів медичних пристроїв — безщіточні серводвигуни зі зворотним зв’язком кодера забезпечують поєднання ефективності, керованості та терміну служби, які потрібні для точних програм. Додаткові витрати на двигун і драйвер легко виправдані вимогами до продуктивності.

Часті запитання

Чи можна використовувати безщітковий двигун постійного струму як пряму заміну щіткового двигуна в існуючій конструкції?

З механічної точки зору двигун BLDC зазвичай можна розмістити в тому самому просторі, що й щітковий двигун еквівалентної номінальної потужності, але заміна контролера є нетривіальною. Щітковий двигун, що працює від простого джерела постійного струму, не можна замінити двигуном BLDC від того самого джерела без додавання контролера двигуна BLDC, який вимагає потужності джерела живлення, інтерфейсу керування та часто інтеграції мікропрограми в систему керування машини. Сам двигун часто є меншою частиною інженерної роботи; інтеграція контролера, введення в експлуатацію зворотного зв'язку позиції та налаштування параметрів керування становить більше зусиль. Пряма заміна BLDC на матовий можлива, але потребує часу інженера для переробки електроніки приводу — це не проста заміна компонентів.

Чи потрібні безщіточні двигуни постійного струму датчики Холла, чи вони можуть працювати без них?

Датчики Холла в двигуні забезпечують зворотний зв’язок щодо положення ротора, який контролер використовує для комутації під час запуску та на низькій швидкості, коли зворотна ЕРС занадто мала, щоб забезпечити надійний сигнал положення. Безсенсорне керування BLDC — з використанням датчика зворотної ЕРС для комутації — добре працює на середніх і високих швидкостях, але має труднощі з надійним запуском під навантаженням, особливо в програмах із змінним навантаженням. Двигуни та контролери, призначені для додатків, що вимагають надійного запуску при навантаженні (приводи AGV, приводи конвеєрів, будь-які програми, які повинні запускатися під повним навантаженням), зазвичай використовують датчики Холла для надійного запуску. BLDC без датчиків більш поширений у додатках, які запускаються без навантаження або з контрольованою швидкістю (вентилятори, деякі насоси), де не виникає проблема комутації на нульовій швидкості. Для редукторних двигунів, у яких редуктор створює високий вихідний крутний момент із місця зупинки, зазвичай кращою є надійність запуску сенсорної роботи.

Яка теплова різниця між щітковими та безщітковими двигунами при еквівалентних рівнях потужності?

Щіткові двигуни виробляють тепло в двох місцях: обмотки ротора (втрати міді від струму навантаження) і контакт щітки з комутатором (нагрівання опору тертя та контакту). Тепло ротора має передаватися через повітряний зазор до корпусу двигуна, а потім до навколишнього середовища — відносно неефективний тепловий шлях, оскільки ротор механічно ізольований від корпусу повітряним зазором. Безщіточні двигуни виробляють тепло в основному в обмотках статора (статор нерухомий і безпосередньо контактує з корпусом двигуна), що забезпечує набагато більш прямий шлях тепла від джерела тепла до зовнішнього середовища. За тієї самої вхідної потужності та втрат двигун BLDC зазвичай працює холодніше, ніж щітковий двигун, оскільки тепло генерується там, де воно може розсіюватися ефективніше. Ця різниця стає значною у додатках із високою щільністю потужності, де управління температурою є обмеженням конструкції — двигуни BLDC можуть бути більш агресивно навантажені порівняно з їхнім фізичним розміром, ніж еквівалентні щіткові двигуни до досягнення температурних меж.

Безщіточні редукторні двигуни постійного струму | Матові двигуни постійного струму | Планетарні редукторні двигуни | Продукти проекту AGV | Зв'яжіться з нами