Бесщеточные и коллекторные двигатели постоянного тока: практическое сравнение для инженеров и специалистов по закупкам

Бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) и коллекторные двигатели постоянного тока Оба являются двигателями постоянного тока с постоянными магнитами и имеют одну и ту же основную цель: преобразование электрической энергии во вращательное механическое движение. Но помимо этой общей цели они достигают ее с помощью принципиально разных внутренних механизмов — и эти различия в механизмах приводят к действительно различным характеристикам производительности, ожидаемому сроку службы, профилям эффективности и структуре затрат, которые имеют значение при выборе правильного двигателя для конкретного применения.

Выбор не всегда очевиден. Бесщеточные двигатели стоят дороже, но часто обеспечивают более низкую совокупную стоимость владения в условиях интенсивного использования. Коллекторные двигатели проще управлять электронным способом, но требуют периодического обслуживания. Четкое понимание компромиссов вместо того, чтобы отдавать предпочтение одному типу как универсально лучшему, приводит к лучшим спецификациям и уменьшению количества проблем в этой области.

Как работает каждый тип двигателя

Матовый двигатель постоянного тока

В коллекторном двигателе постоянного тока ротор (вращающийся компонент) несет обмотки электромагнита, а статор (неподвижный компонент) несет постоянные магниты. Ток течет от внешнего источника питания через угольные щетки, которые прижимаются к сегментированному коллекторному кольцу, установленному на валу ротора. При вращении ротора различные сегменты коллектора соприкасаются со щетками, переключая направление тока в обмотках ротора синхронно с угловым положением ротора. Эта механическая коммутация гарантирует, что электромагнитная сила на роторе всегда действует в одном и том же направлении вращения, обеспечивая непрерывное вращение.

Щетки и коллектор являются определяющей особенностью и основным ограничением этой конструкции. Они поддерживают электрический контакт за счет трения скольжения, которое генерирует тепло, частицы износа и электрический шум (искрение на поверхности коллектора). Со временем щетки изнашиваются и подлежат замене; поверхность коммутатора также может изнашиваться или загрязняться. Скользящий контакт также является механизмом, который ограничивает рабочую скорость и создает проблему чувствительности к окружающей среде: щетки по-разному работают в пыльной, влажной или химически агрессивной среде, а искрение создает опасность во взрывоопасных средах.

Бесщеточный двигатель постоянного тока

В бесщеточном двигателе постоянного тока расположение обратное по сравнению с щеточным двигателем: постоянные магниты находятся на роторе, а обмотки электромагнита — на статоре. Поскольку обмотки неподвижны, прямое электрическое соединение с ними не вызывает затруднений — скользящий контакт не требуется. Но отказ от механического коммутатора создает новое требование: контроллер двигателя должен электронно определять положение ротора и переключать ток на правильные фазы обмотки статора, чтобы поддерживать непрерывное вращение. Это электронная коммутация, и для нее требуется контроллер двигателя (также называемый драйвером или ESC — электронным регулятором скорости) с возможностью обратной связи по положению, обычно с помощью датчиков Холла, встроенных рядом с ротором, или с помощью датчиков обратной ЭДС.

Устранение механической коммутации полностью устраняет износ механизма щетки и коммутатора. Не требуется замена расходных материалов для угольных щеток, замена поверхности коммутатора и отсутствие искрения на электрических контактах. Основными изнашиваемыми компонентами бесщеточного двигателя являются подшипники, а подшипники правильного размера, работающие с соответствующей нагрузкой и скоростью, могут обеспечить очень длительный срок службы.

Эффективность: там, где разница наиболее значительна

Коллекторные двигатели постоянного тока обычно достигают эффективности 75–85% в расчетной рабочей точке. Потери эффективности происходят из нескольких источников: контактное сопротивление щетки, которое преобразует часть электрической энергии непосредственно в тепло на границе раздела щетка-коллектор; медные потери в обмотках ротора (резистивный нагрев пропорционален квадрату тока); и механическое трение в самом контакте щетки-коллектора. Потери в щетках фиксируются независимо от нагрузки; потери в меди увеличиваются с ростом тока (нагрузки); В результате получается кривая эффективности, которая достигает максимума при определенной нагрузке и ухудшается как при небольшой нагрузке, так и при перегрузке.

Бесщеточные двигатели постоянного тока обычно достигают эффективности 85–95% в расчетной рабочей точке. Без контактного сопротивления щетки и механического трения коммутатора основными потерями эффективности являются потери в меди в обмотках статора и потери в железе в сердечнике статора. Двигатели BLDC могут быть спроектированы с более плоской кривой эффективности в более широком диапазоне скоростей и нагрузок, чем коллекторные двигатели, поэтому их предпочитают в приложениях, где двигатель работает в широком рабочем цикле — инструменты с батарейным питанием, промышленные приводы с регулируемой скоростью, системы привода AGV.

В приложениях с батарейным питанием разница в эффективности прямо пропорциональна времени работы при фиксированной емкости аккумулятора. Двигатель BLDC с КПД 90 % по сравнению с коллекторным двигателем с КПД 80 %, потребляющий ту же выходную механическую мощность, будет потреблять на 11 % меньше электроэнергии, что увеличивает время работы примерно в той же пропорции. При тысячах циклов работы AGV или мобильного робота это преимущество в эффективности является значимым фактором эксплуатационных затрат.

Срок службы и техническое обслуживание

Именно здесь практическое применение двигателей BLDC для интенсивного промышленного применения является наиболее убедительным. Коллекторные двигатели постоянного тока требуют регулярной проверки и замены щеток — обычно каждые 1000–5000 часов работы, в зависимости от размера двигателя, нагрузки и материала щеток. Коммутатор также может нуждаться в периодической очистке или обновлении поверхности. В тех случаях, когда двигатель доступен и его замена является регулярной, такое техническое обслуживание вполне осуществимо. В приложениях, где двигатель встроен в герметичный механизм, к которому трудно получить доступ, или работает в чистой или контролируемой среде, где выполнение работ по техническому обслуживанию может оказаться под угрозой, замена щеток представляет собой значительную эксплуатационную нагрузку.

Бесщеточные двигатели постоянного тока не имеют изнашиваемых компонентов, кроме подшипников. Срок службы подшипников рассчитывается на основе характеристик нагрузки, скорости и смазки: обычно он составляет 10 000–30 000 часов для качественных подшипников при соответствующих нагрузках и более длительный срок в условиях легкой нагрузки. В хорошо спроектированной системе привода BLDC срок службы двигателя во многих случаях фактически определяется сроком службы оборудования, а не интервалом технического обслуживания. Это делает BLDC подходящим выбором для герметичных систем, чистых помещений, медицинского оборудования и промышленного применения с высокой нагрузкой, где незапланированные простои для замены щеток недопустимы.

Характеристики скорости и крутящего момента

Коллекторные двигатели постоянного тока имеют характерную линейную зависимость скорости от крутящего момента: по мере увеличения крутящего момента нагрузки скорость пропорционально уменьшается. Без нагрузки двигатель работает на скорости свободного хода (ограниченной только противо-ЭДС); при остановке двигатель развивает максимальный крутящий момент при нулевой скорости (крутящий момент опрокидывания), потребляя при этом максимальный ток. Эта предсказуемая взаимосвязь упрощает управление скоростью и крутящим моментом посредством простой регулировки напряжения.

Контакт щетки-коллектора ограничивает максимальную рабочую скорость — на высоких скоростях интерфейс щетки-коллектора быстро изнашивается, коллектор нагревается и, в конечном итоге, отскакивает щетки (щетка отрывается от поверхности коллектора, прерывая ток). Практическая максимальная скорость коллекторных двигателей составляет примерно 5 000–10 000 об/мин для стандартных конструкций; высокоскоростные коллекторные двигатели могут превысить это значение, но требуют специальных материалов щеток и конструкции коллектора.

Бесщеточные двигатели постоянного тока могут работать на гораздо более высоких скоростях, чем коллекторные двигатели эквивалентного размера, поскольку нет ограничения скорости коммутатора. Небольшие двигатели BLDC используются в приложениях, требующих скорости 50 000–100 000 об / мин (стоматологические бормашины, шпиндели турбокомпрессоров, прецизионные приводы шпинделей). На нижнем конце скорости двигатели BLDC могут развивать высокий крутящий момент на очень низких скоростях, когда их приводит в действие способный контроллер — у них нет «всплеска тока останова», характерного для коллекторных двигателей, поскольку контроллер ограничивает ток электронным способом.

Сложность и стоимость драйвера

Коллекторными двигателями постоянного тока значительно проще управлять, чем двигателями BLDC. Поскольку коммутация является механической и автоматической, двигателем можно управлять только с помощью источника постоянного напряжения и простого переключателя. Управление скоростью достигается за счет управления напряжением (ШИМ или регулирование напряжения), а для изменения направления требуется только изменение полярности. Для приложений, где простота управления и низкая стоимость контроллера являются приоритетами — простые приводы, недорогие устройства, приложения с минимальными требованиями к обратной связи по скорости или положению — коллекторные двигатели предлагают более низкую общую стоимость системы, несмотря на более высокие требования к техническому обслуживанию.

Для бесщеточных двигателей постоянного тока требуется специальный электронный контроллер двигателя, который обеспечивает переключение фаз, управление током и, как правило, интерпретацию обратной связи по положению. Этот контроллер увеличивает стоимость (примерно от 10–15 долларов США за простые трехфазные драйверы BLDC до сотен долларов за высокопроизводительные сервоприводы), усложняет список материалов и потенциально может вызвать дополнительный режим отказа (отказ контроллера в дополнение к отказу двигателя). Для высокопроизводительных приложений или приложений с большим рабочим циклом, где преимущества производительности BLDC оправдывают инвестиции, эта сложность учитывается при проектировании системы. Для простых, экономичных приложений с низким рабочим циклом это может быть не так.

Сводка прямого сравнения

Какой тип указать для распространенных приложений

Для систем привода AGV и автономных мобильных роботов стандартным выбором являются бесщеточные мотор-редукторы постоянного тока. Рабочий цикл при непрерывной работе склада или заводского цеха высок; эффективность аккумулятора имеет большое значение для времени работы между зарядками; система привода обычно изолирована от заводской среды; а незапланированные простои при техническом обслуживании для замены щеток неприемлемы в производственном контексте. По всем этим причинам двигатели BLDC со встроенными планетарными редукторами стали стандартной спецификацией для серьезных приводов AGV.

Для недорогих потребительских товаров и простых приводов — игрушек, небольших приборов, редко используемых исполнительных механизмов управления, чувствительных к затратам OEM-приложений — коллекторные двигатели постоянного тока остаются подходящими там, где рабочий цикл низкий, рабочая среда благоприятна и общая стоимость системы, включая драйвер двигателя, имеет значение. Коллекторный двигатель с простым драйвером H-моста и без обратной связи по положению представляет собой более дешевую спецификацию, чем двигатель BLDC со специальным трехфазным драйвером, а для приложения, которое работает несколько минут в день, преимущество BLDC в сроке службы никогда не становится практически актуальным.

Для прецизионного оборудования автоматизации — роботизированных соединений, приводов осей с ЧПУ, систем оптического позиционирования, приводов медицинского оборудования — бесщеточные серводвигатели с обратной связью от энкодера обеспечивают сочетание эффективности, управляемости и срока службы, которое требуется для прецизионных приложений. Дополнительные затраты на двигатель и драйвер легко оправдываются требованиями к производительности.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли использовать бесщеточный двигатель постоянного тока в качестве прямой замены коллекторного двигателя в существующей конструкции?

Механически двигатель BLDC обычно можно разместить в том же пространстве, что и коллекторный двигатель эквивалентной номинальной мощности, но замена контроллера нетривиальна. Коллекторный двигатель, работающий от простого источника постоянного тока, не может быть заменен двигателем BLDC с тем же источником питания без добавления контроллера двигателя BLDC, для которого требуется мощность источника питания, интерфейс управления и часто интеграция встроенного программного обеспечения в систему управления машиной. Сам двигатель часто представляет собой меньшую часть инженерной работы; интеграция контроллера, ввод в эксплуатацию обратной связи по положению и настройка параметров управления требуют больших усилий. Прямая замена BLDC на щеточный возможна, но требует времени на проектирование для перепроектирования электроники привода — это не простая замена компонентов.

Требуются ли для бесщеточных двигателей постоянного тока датчики Холла или они могут работать без них?

Датчики Холла в двигателе обеспечивают обратную связь по положению ротора, которую контроллер использует для коммутации при запуске и на низкой скорости, когда противо-ЭДС слишком мала, чтобы обеспечить надежный сигнал положения. Бездатчиковое управление BLDC — с использованием измерения обратной ЭДС для коммутации — хорошо работает на средних и высоких скоростях, но имеет трудности с надежным запуском под нагрузкой, особенно в приложениях с переменной нагрузкой. Двигатели и контроллеры, предназначенные для приложений, требующих надежного запуска при нагрузке (приводы AGV, приводы конвейеров, любые приложения, которые должны запускаться при полной нагрузке), обычно используют датчики Холла для обеспечения надежного запуска. Бездатчиковый BLDC чаще встречается в приложениях, которые запускаются без нагрузки или на контролируемой скорости (вентиляторы, некоторые насосы), где не возникает проблема коммутации при нулевой скорости. Для мотор-редукторов, где редуктор создает высокий выходной крутящий момент из состояния покоя, обычно предпочтительна надежность запуска с использованием датчиков.

Какова температурная разница между коллекторными и бесщеточными двигателями при эквивалентных уровнях мощности?

Коллекторные двигатели генерируют тепло в двух местах: в обмотках ротора (потери меди из-за тока нагрузки) и на границе раздела щетка-коллектор (нагрев при трении и контактном сопротивлении). Тепло ротора должно передаваться через воздушный зазор в корпус двигателя, а затем в окружающую среду — относительно неэффективный тепловой путь, поскольку ротор механически изолирован от корпуса воздушным зазором. Бесщеточные двигатели генерируют тепло преимущественно в обмотках статора (статор неподвижен и непосредственно контактирует с корпусом двигателя), что обеспечивает гораздо более прямой тепловой путь от источника тепла к внешней среде. При той же входной мощности и потерях двигатель BLDC обычно работает холоднее, чем коллекторный двигатель, поскольку тепло генерируется там, где его можно рассеять более эффективно. Эта разница становится существенной в приложениях с высокой плотностью мощности, где регулирование температуры является ограничением конструкции — двигатели BLDC могут подвергаться более агрессивной нагрузке относительно их физического размера, чем эквивалентные коллекторные двигатели, прежде чем будут достигнуты температурные пределы.

Бесщеточные мотор-редукторы постоянного тока | Коллекторные мотор-редукторы постоянного тока | Планетарные мотор-редукторы | Продукты проекта АГВ | Свяжитесь с нами