Объяснение двигателей постоянного тока: принцип работы, типы и щеточные и бесщеточные двигатели

Что такое Двигатель постоянного тока и как это работает

Двигатель постоянного тока – это электромеханическое устройство, которое преобразует электрическую энергию постоянного тока во вращательное механическое движение за счет взаимодействия магнитных полей. Ток течет через катушку (якорь или обмотку), расположенную внутри магнитного поля, и результирующая сила Лоренца, действующая на проводник с током, создает крутящий момент, заставляя вал вращаться.

Принцип работы основан на простой петле обратной связи между электрической и магнитной энергией: когда ток проходит через обмотку, он генерирует собственное магнитное поле, которое взаимодействует с фиксированными магнитами двигателя (или обмотками возбуждения). Это взаимодействие создает силу, перпендикулярную как току, так и магнитному полю, описываемую правилом левой руки Флеминга, которая заставляет ротор непрерывно вращаться до тех пор, пока ток продолжает течь, а полярность продолжает переключаться в нужный момент.

• Статор: неподвижная часть, либо постоянные магниты, либо обмотки электромагнитного поля.
• Ротор (якорь): вращающаяся обмотка, по которой течет ток и создается крутящий момент.
• Система коммутации: механические щетки/переключатель или электронное переключение, в зависимости от типа двигателя, меняющее направление тока для поддержания вращения.

Коллекторные и бесщеточные двигатели постоянного тока

Основное различие заключается в том, как ток переключается внутри двигателя: в щеточных двигателях используются физические угольные щетки и механический коммутатор, а в бесщеточных двигателях используются электронные контроллеры и датчики положения. В коллекторном двигателе постоянного тока ток подается на вращающийся якорь через подпружиненные щетки, которые прижимаются к сегментированному коллектору, который механически меняет направление тока при вращении вала.

Бесщеточный двигатель постоянного тока меняет эту схему: постоянные магниты сидят на роторе, а обмотки прикреплены к статору. Электронный регулятор скорости последовательно переключает ток через обмотки статора, используя обратную связь от датчиков Холла или датчиков обратной ЭДС для точного расчета времени каждого переключения. Поскольку со временем физический контакт не изнашивается, бесщеточные двигатели служат значительно дольше и работают более эффективно при заданной выходной мощности.

Основные типы двигателей постоянного тока

Помимо разделения на щеточные и бесщеточные двигатели постоянного тока также классифицируются по способу подключения обмотки возбуждения относительно якоря, что определяет их крутящий момент и поведение скорости под нагрузкой.

• Серийная намотка: обмотки возбуждения и якоря соединены последовательно; производит очень высокий пусковой момент, используемый в таких устройствах, как стартеры и краны.
• Шунт-ранение: обмотка возбуждения, включенная параллельно якорю; обеспечивает стабильную скорость при различных нагрузках, подходит для вентиляторов и приводов конвейеров
• Сложная рана: сочетает в себе последовательные и шунтирующие обмотки для балансировки высокого пускового момента с разумным регулированием скорости.
• Постоянный магнит постоянного тока (PMDC): вместо обмоток возбуждения используются фиксированные магниты, что обеспечивает компактную и эффективную конструкцию, характерную для небольших приборов и автомобильных аксессуаров.
• Бесщеточный постоянный ток (BLDC): с электронной коммутацией, используется в дронах, электромобилях, системах отопления, вентиляции и кондиционирования и точном промышленном оборудовании.

Преимущества двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока остаются предпочтительным выбором во многих приложениях, поскольку они обеспечивают точную, легко контролируемую скорость и крутящий момент с помощью простой схемы управления на основе напряжения. . Скорость примерно пропорциональна приложенному напряжению, а крутящий момент примерно пропорционален току, что позволяет легко управлять ими без сложной частотной электроники привода — в отличие от большинства двигателей переменного тока.

• Высокий пусковой момент, особенно в конфигурациях с последовательной обмоткой, полезен в условиях запуска с большими нагрузками.
• Плавное регулирование скорости в широком диапазоне благодаря простой регулировке напряжения ШИМ.
• Компактное соотношение мощности к размеру, особенно в бесщеточных конструкциях и конструкциях с постоянными магнитами.
• Простая интеграция с аккумуляторными и низковольтными системами постоянного тока, позволяющая избежать необходимости использования инверторов переменного тока в портативном оборудовании.

Как выбрать двигатель постоянного тока

Выбор подходящего двигателя постоянного тока начинается с согласования требований по крутящему моменту и скорости с фактической нагрузкой, а не только с номинальным напряжением. Рассчитайте необходимый крутящий момент при рабочей скорости, добавьте запас для условий запуска и пиковой нагрузки, затем проверьте, что номинальный постоянный крутящий момент двигателя соответствует этому значению, не выходя за температурные пределы во время нормальной работы.

• Рабочий цикл: для приложений с непрерывной работой необходим двигатель, рассчитанный на длительную тепловую нагрузку, а не только на пиковую мощность.
• Требования к сроку службы: бесщеточные двигатели подходят для применений с большим циклом или ограниченным обслуживанием; Коллекторные двигатели приемлемы для маломощных и экономичных применений.
• Точность управления: приложения, требующие точного управления скоростью или положением, выигрывают от использования бесщеточных двигателей в сочетании с энкодерами.
• Условия окружающей среды: герметичные корпуса или корпуса со степенью защиты IP имеют значение для двигателей, подвергающихся воздействию пыли, влаги или вибрации.
• Ограничения по напряжению и источнику питания: доступное напряжение батареи или напряжение шины постоянного тока должно соответствовать номинальному диапазону входной мощности двигателя, чтобы избежать неэффективного повышающего/понижающего преобразования