Малые двигатели постоянного тока преобразуют электрический ток в точное механическое движение за счёт использования электромагнитных сил. По сути, вот что происходит: когда ток проходит через якорь внутри двигателя, он взаимодействует с магнитным полем, создавая вращательное движение, знакомое нам всем. Эти небольшие энергетические установки отлично подходят для ситуаций, где важны ограниченные габариты и требуемый крутящий момент, что объясняет их повсеместное использование — от смартфонов до миниатюрных насосов в медицинском оборудовании. Согласно последним данным промышленных систем позиционирования за начало 2024 года, такие двигатели могут достигать КПД около 90 % при умеренных нагрузках, в основном из-за крайне низкого трения, возникающего при работе с лёгкими нагрузками.
Работу малого двигателя постоянного тока определяют четыре основных компонента:
В отличие от более крупных двигателей, малые двигатели постоянного тока используют легкие материалы, такие как неодимовые магниты и угольные щетки, обеспечивающие долговечность. Как указано в руководствах по проектированию двигателей , эти компоненты оптимизированы для уменьшения тепловыделения, что позволяет осуществлять непрерывную работу в ограниченных пространствах.
Когда речь заходит о небольших двигателях постоянного тока, основное внимание обычно уделяется тому, чтобы уместить мощность в ограниченном пространстве, а не созданию огромного крутящего момента. Возьмём стандартный 12-вольтовый двигатель мощностью от примерно 3 до 50 ватт — такие маленькие моторы обычно вращаются со скоростью около 15–200 оборотов в минуту. Сравните это с промышленными двигателями, которые могут работать с гораздо большей мощностью, зачастую превышающей 1 киловатт, но требуют крупных систем охлаждения, чтобы не перегреваться. То, что делает малые двигатели настолько полезными, — их компактность. Им не нужны дополнительные компоненты, такие как внешние вентиляторы, которые требуются более крупным моторам, поэтому инженеры с удовольствием устанавливают их во всевозможное оборудование, где важен размер. Согласно исследованию, опубликованному в прошлом году в одном из электромеханических журналов, эти небольшие двигатели работают примерно на 40 процентов тише по сравнению с более крупными аналогами. Такая бесшумная работа особенно важна в таких областях применения, как медицинские приборы или потребительские устройства, где никто не хочет слышать надоедливое жужжание от своей техники.
Малые двигатели постоянного тока работают за счёт преобразования электричества в механическое движение на основе так называемых сил Лоренца. По сути, когда электрический ток проходит через медные провода внутри двигателя (их называют обмотками якоря), создаётся магнитное поле. Это поле взаимодействует с постоянными магнитами, закреплёнными на внешней стороне корпуса двигателя. Далее происходит следующее — магнитные поля отталкиваются друг от друга, создавая крутящий момент, который вращает вал двигателя под прямым углом к направлению протекания тока и к направлению магнитных линий. Чтобы вращение происходило плавно, электричество передаётся с помощью угольных щёток на так называемый коллектор. Эта деталь переключает питание на разные участки обмотки якоря, поэтому двигатель продолжает вращаться непрерывно, а не останавливается после одного оборота.
Система коллектор-щетки выполняет две ключевые функции:
Без этого синхронизированного переключения малые двигатели постоянного тока останавливались бы после частичного поворота. Недавние исследования в области электродинамики показывают, что оптимизированные конструкции коллекторов уменьшают искрение на 40 %, увеличивая срок службы щеток в приложениях с напряжением 12 В.
Основные зависимости, определяющие работу малого двигателя постоянного тока:
| Параметры | Влияние на производительность | Особенности дизайна |
|---|---|---|
| Напряжение (6–24 В) | Прямо пропорционально скорости холостого хода | Тепловые пределы при более высоких напряжениях |
| Ток | Определяет выходной крутящий момент (T = kΦI) | Калибр провода и материал щеток |
| Магнитный поток | Влияет как на крутящий момент, так и на обратную ЭДС | Выбор марки магнита |
Бессердечные малые двигатели постоянного тока достигают скорости свыше 10 000 об/мин с минимальной вибрацией, в то время как планетарные редукторные двигатели жертвуют скоростью ради увеличения крутящего момента в 15 раз. Эффективные конструкции обеспечивают преобразование энергии более чем на 80% в пределах всего диапазона работы.
Маленькие щеточные двигатели постоянного тока работают с использованием угольных щеток и коллекторов для создания электрических соединений. На первый взгляд они довольно просты и дешевы, поэтому их можно встретить в таких устройствах, как стиральные машины и автоматические аппараты для продажи закусок. Однако есть один недостаток: щетки со временем изнашиваются, поэтому эти двигатели требуют регулярной проверки и замены деталей. Это значительно сокращает срок их службы до полного выхода из строя. С другой стороны, бесщеточные двигатели постоянного тока (или BLDC, как их называют) отказались от всей этой механики за счет электронной коммутации. Отсутствие трения означает, что такие двигатели могут работать намного эффективнее — иногда достигая КПД около 90 %. Производители медицинского оборудования предпочитают их, поскольку они способны непрерывно работать тысячи часов без отказов. Известны случаи, когда некоторые устройства достигали отметки в 10 000 часов и продолжали исправно функционировать.
Интеграция планетарных или прямозубых передач с малыми двигателями постоянного тока позволяет увеличить выходной крутящий момент при сохранении компактных размеров. Редукторные двигатели, обеспечивающие крутящий момент до 2,5 Н·м, идеально подходят для автомобильных подъёмников стёкол, промышленных исполнительных механизмов и робототехники, где важны высокие усилия при ограниченном пространстве.
Конструкции без сердечника исключают железный сердечник из ротора, снижая инерцию на 50 % для быстрых циклов пуска и остановки в дронах и протезах. Двигатели дискового типа с плоскими якорями имеют толщину менее 15 мм, что обеспечивает их установку в носимых устройствах и миниатюрных датчиках.
При работе с малыми двигателями постоянного тока необходимо, чтобы их номинальное напряжение соответствовало источнику питания, к которому они подключаются. Большинство коммерческих моделей работают лучше всего в диапазоне от 6 до 24 вольт. Если подать на такие двигатели слишком высокое напряжение, они быстро перегреваются. С другой стороны, работа при напряжении ниже минимального делает их слабее, поскольку они не могут создавать достаточный крутящий момент. Потребляемый двигателем ток напрямую зависит от нагрузки. Более высокая нагрузка означает больший ток в системе, что естественным образом увеличивает как потребление энергии, так и выделение тепла. Рассмотрим конкретные цифры для ясности: стандартный двигатель на 12 вольт, потребляющий около 1,6 ампера, выдаёт примерно 19,2 ватта мощности. Знание этих характеристик помогает инженерам правильно выбирать двигатель для конкретной задачи. Небольшой двигатель может использоваться в простых устройствах или игрушках, тогда как для промышленного оборудования, где важна непрерывная работа, потребуется более мощный вариант.
КПД малых двигателей постоянного тока обычно составляет от 70 до 90 процентов, хотя это значение может варьироваться в зависимости от ряда факторов, включая трение внутри двигателя, сопротивление обмоток и потери, связанные с магнитными полями. Когда эти двигатели работают непрерывно при температурах выше 60 градусов Цельсия (около 140 по Фаренгейту), существует реальная опасность повреждения изоляции или потери магнитных свойств постоянных магнитов. В этом случае правильное тепловое управление играет решающую роль. Такие меры, как специальные корпуса, способствующие рассеиванию тепла, или просто улучшение циркуляции воздуха вокруг двигателя, могут значительно увеличить срок его службы до замены. Бесщёточные версии таких двигателей фактически выделяют меньше тепла, поскольку в них отсутствуют щётки, создающие трение. Для применений, где особенно важна надёжность, например в медицинском оборудовании, бесщёточные модели зачастую служат более 5000 часов непрерывной работы без каких-либо проблем.
Маленькие щеточные двигатели постоянного тока обычно работают около 1000–3000 часов, прежде чем щетки начнут изнашиваться, тогда как их бесщеточные аналоги легко могут проработать более 10 000 часов. При установке в местах с большим количеством пыли или высокой влажностью эти двигатели значительно выигрывают от использования герметичных подшипников и компонентов, изготовленных из материалов, устойчивых к коррозии и разрушению. Для бесперебойной работы требуется также базовое техническое обслуживание. Регулярная очистка поверхностей коллектора и обеспечение надлежащей смазки всех движущихся частей во многом способствуют предотвращению непредвиденных поломок в автоматизированных производственных линиях. Для транспортных средств и другого транспортного оборудования производители часто указывают двигатели с классом защиты оболочки IP54. Это означает, что они могут выдерживать попадание брызг воды и грязи, не допуская проникновения влаги внутрь, что соответствует требованиям большинства производителей к надежной работе в тяжелых условиях.
Мы используем малые двигатели постоянного тока в самых разных повседневных предметах, даже не задумываясь об этом. Вспомните виброзвонки в наших телефонах при уведомлениях, вращающиеся насадки электрических зубных щеток или небольшие вентиляторы, которые охлаждают нас в жаркие летние дни. Что делает эти двигатели такими отличными? Они достаточно малы, чтобы помещаться в портативные устройства, и при этом эффективно работают от батареек. В таких сложных устройствах, как дроны, эти миниатюрные двигатели помогают сохранять равновесие в воздухе и обеспечивают плавное перемещение камеры из стороны в сторону. Та же технология используется в системах стабилизации (гиростабилизаторах), которые так ценят фотографы. Довольно впечатляюще для таких крошечных устройств!
В медицинской сфере в настоящее время в значительной степени используются крошечные двигатели постоянного тока, которые приводят в действие всевозможное жизненно важное оборудование — от систем доставки инсулина до роботизированных хирургических инструментов и даже регулируемых столов в помещениях с МРТ. Эти небольшие двигатели способны поддерживать стабильную мощность даже при медленной работе, что крайне важно для точной дозировки лекарств через внутривенные линии. Особенно полезны бесщеточные версии, поскольку они создают минимальные электрические помехи, которые могут мешать другой чувствительной медицинской аппаратуре поблизости. Любопытно, что большинство современных портативных диагностических устройств используют так называемые двигатели постоянного тока без сердечника. Почему? Потому что они работают настолько тихо, что пациенты почти не замечают их во время обследований и осмотров.
В современных автомобилях на самом деле используется около 30–50 небольших постоянного тока, которые работают «за кулисами». Они отвечают за множество привычных функций, таких как регулировка электростеклоподъёмников, запоминание положения сидений и управление заслонками в системе отопления. Более новые разработки становятся ещё интереснее. Производители теперь внедряют бесщёточные двигатели постоянного тока в передовые системы помощи водителю, например, для точной настройки радара и автоматического складывания зеркал при парковке. Эти маленькие трудяги способны выдерживать экстремальные температуры, надёжно работая как при ледяном холоде в минус 40 градусов по Цельсию, так и при жаре до 150 градусов. Такая прочность делает их идеальными для эксплуатации в любых погодных условиях без риска выхода из строя.
Маленькие двигатели постоянного тока приводят в действие всё — от изысканных промышленных роботов для установки компонентов до базовых проектов на Arduino. Некоторые из этих малюток могут быть очень компактными, существуют модели, которые помещаются в пространстве всего 6 мм в поперечнике. Что касается выполнения работы, версии с редуктором увеличивают крутящий момент примерно в 200 раз, что позволяет им легко поднимать грузы массой около 5 кг на роботизированных руках. Затем есть дисковые двигатели, которые вращаются с огромной скоростью, достигая 10 000 об/мин в приложениях для сверления печатных плат. Большинство открытых платформ для робототехники теперь поставляются с модульными вариантами двигателей постоянного тока, имеющими стандартные точки крепления. Это определённо ускорило работу как любителей, так и профессионалов. Создание прототипов занимает примерно на 40 % меньше времени по сравнению с тем, когда использовались эти стандартизированные компоненты вместо разработки индивидуальных решений с нуля каждый
Горячие новости© Авторское право 2025, Changwei Transmission (Jiangsu) Co., Ltd — Политика конфиденциальности
EN
