Бесщеточные и щеточные двигатели постоянного тока: преимущества, недостатки и как дизайнерам следует выбирать.

Выбор между бесщеточными и щеточными двигателями постоянного тока зависит от характеристик всего изделия, а не от одного универсального победителя. В щеточных двигателях постоянного тока для механического переключения используются щетки и коммутатор; в бесщеточных двигателях постоянного тока (BLDC) используется электронная коммутация, поэтому им необходим соответствующий драйвер или контроллер.

Выбирайте коллекторный двигатель, если простота привода, умеренный рабочий цикл и доступное техническое обслуживание важнее, чем расширенные возможности управления. Выбирайте бесколлекторный двигатель постоянного тока, если длительный срок службы, регулирование скорости, низкие затраты на обслуживание щеток и интеграция с электроникой оправдывают дополнительные работы по контроллеру и проверке.

Разработчикам продукции следует сравнивать требуемый крутящий момент и скорость вращения, часы работы, количество запусков, целевые показатели шума и электромагнитной совместимости, тепловые пределы, стоимость жизненного цикла, возможности программного обеспечения, стратегии поставок и обслуживания в одинаковых условиях эксплуатации.

Бесщеточные и коллекторные двигатели постоянного тока: краткий обзор

Как работают коллекторные и бесколлекторные двигатели постоянного тока?

Конструкция коллекторного двигателя постоянного тока

В коллекторном двигателе постоянного тока ток подается на вращающийся якорь через щетки, контактирующие с коммутатором. Коммутатор меняет направление тока в обмотках якоря по мере вращения ротора. Такая механическая коммутация позволяет упростить схему внешнего привода для изделий, требующих базового управления скоростью или направлением вращения.

Контакт щеток с поверхностью также приводит к трению, износу, попаданию частиц и электрическим помехам. Срок службы щеток зависит от тока, скорости вращения, количества пусков, температуры, загрязнения, рабочего цикла и состояния коммутатора, поэтому на этикетке в каталоге нельзя указать срок службы готового изделия.

Конструкция бесщеточного двигателя постоянного тока

В бесколлекторном двигателе постоянного тока (BLDC) используются постоянные магниты на роторе и электронно управляемые фазы статора. Контроллер оценивает или измеряет положение ротора и последовательно включает фазы. В зависимости от требований к запуску, работе на низких скоростях и управлению могут использоваться датчики Холла, энкодер, детектор противо-ЭДС или другой метод обратной связи.

Это исключает контакт щеток с поверхностью, но при этом выбор двигателя включает в себя такие параметры, как драйвер, ограничения тока, синхронизация, датчики, проводка, параметры программного обеспечения, режимы защиты и охлаждение. Поэтому бесщеточный двигатель постоянного тока следует рассматривать как систему «двигатель-привод».

В чём преимущества и недостатки коллекторных двигателей постоянного тока?

Преимущества коллекторных двигателей постоянного тока

• Простая базовая схема управления может быть более удобной, если изделию требуется лишь незначительное изменение скорости и управление направлением движения.
• Технология хорошо известна, и двигатель может оказаться экономичным в условиях кратковременной эксплуатации или при высокой стоимости, когда срок службы щеток соответствует целевым показателям изделия.
• Замена щеток может быть целесообразной в оборудовании, предназначенном для обслуживания, при условии, что это предусмотрено планом технического обслуживания.

Ограничения коллекторных двигателей постоянного тока

• Щетки и коммутатор являются изнашиваемыми компонентами, поэтому часы работы, количество пусков, ток и условия окружающей среды напрямую влияют на планирование жизненного цикла.
• Контакт щеток с поверхностью может способствовать возникновению электрических помех, трения, нагрева, попаданию частиц и акустических эффектов, имеющих значение в чувствительных или закрытых изделиях.
• Рабочие характеристики могут меняться по мере износа щеток и коммутатора, поэтому изучение поведения устройства в конце срока его службы и доступа для технического обслуживания является частью процесса проверки.

В чём преимущества и недостатки бесколлекторных двигателей постоянного тока (BLDC)?

Преимущества бесщеточных двигателей постоянного тока

Конструкции BLDC исключают износ контактов щеток и могут поддерживать программируемую скорость, крутящий момент, ускорение, торможение и защиту, если электроника рассчитана на соответствующую нагрузку. Исторический справочник Nanyang по... Преимущества и недостатки бесщеточных двигателей постоянного тока Рейтинги по нескольким тесно связанным сравнительным запросам демонстрируют ценность одновременного анализа преимуществ и недостатков.

• Отсутствие необходимости замены щеток, что позволяет использовать изделия с длительным временем работы или ограниченным доступом для обслуживания.
• Гибкое электронное управление для работы с переменной скоростью, многократного реверсирования, контролируемого ускорения и обработки неисправностей.
• Возможность снижения коммутационного трения и повышения эффективности работы при правильном согласовании обмотки, магнитной конструкции, контроллера и нагрузки.

Ограничения бесщеточных двигателей постоянного тока

• Контроллер является обязательным, он добавляет электронику, программное обеспечение или параметры, требования к жгуту проводов, источники тепла и задачи по валидации.
• Запуск и работа на низких скоростях зависят от качества измерений или оценок, запаса по току, инерции нагрузки и настройки системы управления.
• Диагностика неисправностей может касаться двигателя, контроллера, датчика, проводки, программного обеспечения или механической нагрузки, поэтому для процесса обслуживания необходим системный подход.

Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) не гарантирует автоматически более низкий уровень шума, более высокую долговечность или меньшую общую стоимость. Качество подшипников, балансировка ротора, жесткость крепления, стратегия переключения, охлаждение, стабильность производства и нагрузка на готовое изделие могут повлиять на результат.

Как дизайнерам продукции следует выбирать?

Для обоих кандидатов используйте одни и те же предположения, изложенные в заявке. См. соответствующую статью по теме: 7 преимуществ и 3 недостатка бесщеточных двигателей постоянного тока. обеспечивает полезное семантическое покрытие, в то время как окончательное решение о продукте должно основываться на измеренных требованиях и сопоставимых тестах.

Выбирайте коллекторный двигатель постоянного тока, когда

• Наработка часов и количество запусков достаточно невелики, чтобы установить целевой показатель срока службы щеток.
• Для управления скоростью и направлением достаточно базового режима, и изделию не требуется сложная обратная связь или механизмы защиты.
• Узел обеспечивает приемлемый доступ для обслуживания щеток, или же запланированный срок службы изделия не требует замены.
• Общая стоимость системы остается ниже даже после учета затрат на подавление шума, тепловое охлаждение, техническое обслуживание и квалификацию.

Выбирайте бесколлекторные двигатели постоянного тока, когда...

• Изделие работает длительное время, часто запускается или переключается в обратном направлении, либо имеет ограниченный доступ для планового технического обслуживания.
• Регулируемая скорость, контролируемое ускорение, управление крутящим моментом, электронная защита или связь являются ключевыми характеристиками данного изделия.
• Инженерная группа может проверить двигатель, контроллер, датчики, параметры программного обеспечения, жгут проводов, систему охлаждения и нагрузку как единую систему.
• Дополнительные затраты на электронику и интеграцию оправдывают себя с точки зрения жизненного цикла и производительности продукта.

Сравните общие затраты и риски.

Включает в себя двигатель, контроллер, датчики, системы подавления шума, проводку, программное обеспечение, охлаждение, сборку, тестирование, выход годной продукции, гарантийные риски, техническое обслуживание, диагностику и контроль изменений поставщика. Более низкая цена компонента может привести к увеличению себестоимости продукции, если это повлечет за собой доработку, короткий срок службы, акустические проблемы или трудности с диагностикой в ​​полевых условиях.

Применение данного решения к проекту по производству стиральной машины.

Двигатель стиральной машины должен обеспечивать реверсирование на низких скоростях, пусковой момент, контролируемое ускорение, высокоскоростной отжим, изменение нагрузки и дисбаланс. Двигатель Nanyang Фронтальный бесщеточный двигатель постоянного тока Это официальный справочник по приводу для стиральной машины с фронтальной загрузкой с электронным управлением. Перед выбором убедитесь в наличии напряжения, диапазона скоростей, номинального и максимального крутящего момента, инерции барабана, рабочего цикла, способа крепления, датчиков, интерфейса контроллера, охлаждения, целевого уровня шума и условий проверки.

Провести сравнительную проверку

Протестируйте обе архитектуры при одинаковой нагрузке, температуре окружающей среды, диапазоне напряжения, рабочем цикле, профиле ускорения и методе измерения. Включите в тест запуск, многократные изменения полярности, повышение температуры, акустическое поведение, электромагнитную совместимость, защитные реакции, заблокированные или ненормальные условия нагрузки (где это необходимо), перезапуск и предположения, касающиеся ресурсных испытаний. Nanyang возможности тестирования может способствовать обсуждению приемочных испытаний, специфичных для данного проекта.

Заморозьте утвержденную систему

Перед началом серийного производства необходимо задокументировать утвержденные версию двигателя, контроллера, программного обеспечения или параметров, метод измерения, жгут проводов, версию чертежа, пределы контроля и условия испытаний. Любые изменения обмотки, магнитов, щеток, подшипников, пределов тока контроллера, синхронизации, разъема или механического интерфейса должны инициировать инженерную проверку на основе первоначального плана валидации.

Вывод

Выбор между бесщеточными и щеточными двигателями постоянного тока должен основываться на области применения, а не на каком-либо лозунге. Щеточные двигатели постоянного тока могут обеспечить простое решение для умеренных нагрузок и базового управления; бесщеточные двигатели постоянного тока позволяют избежать обслуживания щеток и обеспечивают гибкое электронное управление, но при этом добавляют обязанности по управлению и интеграции. Перед утверждением архитектуры продукта сравните обе системы при одинаковых условиях нагрузки, срока службы, стоимости, обслуживания и проверки.

Часто задаваемые вопросы

Что лучше: бесщеточный или коллекторный двигатель постоянного тока?

Ни один из них не является универсально лучшим. Щеточный двигатель может подойти для простых, умеренно ресурсоемких и ремонтопригодных изделий. Бесщеточный двигатель постоянного тока может подойти для длительной эксплуатации, регулирования скорости и электронно-интегрированных изделий, если контроллер и проверка его работоспособности оправданы.

Двигатели BLDC служат дольше, чем коллекторные двигатели постоянного тока?

Бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) исключают износ контактов щеток, но общий срок службы изделия все равно зависит от подшипников, электроники, температуры, нагрузки, загрязнения, монтажа и качества производства. Следует сравнивать условия испытаний на долговечность, а не предполагать фиксированный срок службы, зависящий от типа двигателя.

Всегда ли бесщеточные двигатели постоянного тока тише?

Нет. Устранение контакта щеток с поверхностью может устранить один источник шума, но электромагнитные переключения, подшипники, балансировка ротора, монтаж, шум вентилятора или нагрузки, а также настройка системы управления по-прежнему влияют на конечный продукт. Измеряйте уровень шума в предполагаемых условиях эксплуатации.

Какую информацию должен включать производитель оригинального оборудования (OEM) в запрос коммерческого предложения на электродвигатели?

Включает в себя напряжение, диапазон скоростей, непрерывный и пиковый крутящий момент, инерцию нагрузки, коэффициент заполнения, запуск и реверсирование, условия окружающей среды, габариты, монтаж, датчики, интерфейс контроллера, целевые показатели шума и ЭМС, требования к валидации, годовой объем и время отбора проб.