Сфери застосування малих двигунів постійного струму в електроніці

Побутова електроніка: основні сфери застосування малих двигунів постійного струму

Малі двигуни постійного струму виступають невидимими силовими агрегатами, що забезпечують інновації в сучасній побутовій електроніці. Їх компактні розміри та висока ефективність роблять їх незамінними для портативних пристроїв, які потребують точного керування рухом, — від засобів особистої гігієни до носимих приладів контролю здоров'я.

Як двигуни постійного струму з постійними магнітами забезпечують компактну конструкцію портативних пристроїв

ПМ постійного струму особливо добре підходять для обмежених просторів, де важливий кожен міліметр, наприклад, у бездротових навушниках або в мініатюрних механізмах камер у смартфонах. Ці двигуни позбувся зайвих обмоток збудження, які займають багато місця, завдяки чому їхні розміри можуть бути на 20–35 відсотків меншими порівняно з попередніми моделями. І, попри компактні габарити, вони все ще забезпечують приблизно 15 мНм крутного моменту, згідно з даними Motion Control Trends минулого року. Весь пристрій настільки став тоншим, що інженерам тепер значно легше працювати в жорстких межах менше 10 мм, необхідних сучасним складаним телефонам і іншим надтонким пристроям, доступним на ринку зараз.

Дослідження випадку: Малі двигуни постійного струму в електричних щітках та носимих пристроях

Понад 87% преміальних електричних зубних щіток використовують двигуни постійного струму з постійними магнітами (PMDC) напругою 3–6 В із спеціальними планетарними редукторами, забезпечуючи 7 000–30 000 коливань на хвилину та споживаючи лише 1,2–2,4 Вт. У фітнес-трекерах безщіткові двигуни постійного струму діаметром 4 мм забезпечують системи тактильного зворотного зв’язку, які працюють понад 18 місяців від батарейок типу таблетка.

Вибір оптимальних номіналів напруги (3 В, 5 В, 12 В) для побутових застосувань

Вибір напруги безпосередньо впливає на продуктивність пристрою та термін роботи батареї:

Як зазначено у Звіті про проектування побутової електроніки 2024 року, безщіткові двигуни постійного струму 5 В тепер домінують у 68% нових конструкцій аксесуарів для смартфонів завдяки сумісності зі стандартами швидкої зарядки USB-PD.

Комп'ютерні периферійні пристрої та прецизійні прилади, що використовують малогабаритні двигуни постійного струму

Роль двигунів постійного струму у системах охолодження, жорстких дисках та принтерах

Маленькі постійного струму, які використовуються в комп'ютерах, насправді забезпечують таку точну роботу всіх рухомих частин. Візьмемо, наприклад, вентилятори охолодження: ці крихітні двигуни запобігають перегріву, ефективно регулюючи потік повітря, обертаючись зі швидкістю понад 3000 об/хв, при цьому залишаючись достатньо легкими, щоб не додавати зайвої ваги. Коли мова доходить до жорстких дисків, виробники використовують надмалі двигуни постійного струму для точного обертання шпинделя, що пояснює, чому сучасні SSD можуть передавати дані з вражаючою швидкістю близько 210 МБ/с. І не забувайте про принтери! Вони залежать від крокових двигунів постійного струму, які протягують папір із міліметровою точністю, забезпечуючи відхилення менше ніж на пів міліметра у тих дорогих високоякісних друкованих матеріалах, які так люблять користувачі.

Двигуни постійного струму з щітками та без щіток: компроміси продуктивності щодо надійності

Колекторний двигун постійного струму досі часто зустрічається в недорогих пристроях, оскільки його дешево виготовляти — зазвичай він коштує близько 2–5 доларів США за штуку. Однак ці двигуни не мають довгого терміну служби при безперервній роботі, оскільки механічні частини всередині зношуються після приблизно 1000–3000 годин роботи. Навпаки, безколекторні двигуни постійного струму (BLDC) працюють інакше. Вони повністю позбавлені зношуваних щіток, використовуючи електронне перемикання струму, що забезпечує значно довший термін служби — часто понад 20 000 годин у належним чином герметизованому обладнанні, наприклад, у зовнішніх жорстких дисках. Останні випробування 2023 року, під час яких проаналізували 120 непрацюючих вентиляторів охолодження, виявили цікавий факт: колекторні двигуни виходили з ладу майже в п’ять разів частіше, ніж безколекторні, переважно через накопичення вуглецевих відкладень з часом.

Тренд: Перехід до енергоефективних безколекторних двигунів постійного струму в периферійних пристроях

У цей час ми спостерігаємо суттєвий рух у бік двигунів BLDC на ринку периферійних пристроїв. Темпи впровадження стабільно зростають, досягаючи приблизно 18% на рік з початку 2020 року. Чому? Більше людей хочуть, щоб їхні пристрої споживали менше 5 ват у режимі очікування. Візьмемо, наприклад, нові док-станції USB-C: вони фактично використовують 12-вольтові безщіткові двигуни для одночасного забезпечення зарядки та передачі даних. Насправді цікаво те, як модульні конструкції BLDC дозволяють зменшувати розміри. Портативні принтери тепер можуть бути на 15% меншими без втрати продуктивності. І не варто забувати про рівень шуму — близько 35 децибел, що робить їх набагато краще придатними для навантажених офісних приміщень, де постійне друкування інакше довело б усіх до божевілля.

Іграшки та побутова електроніка: стимулювання інновацій за допомогою малих двигунів постійного струму

Домінування малих двигунів постійного струму в радіокерованих автомобілях, дронах та саморобних роботах

Малі постійного струму забезпечують точність і надійність у хобі-електроніці, де компактні джерела живлення мають критичне значення. Ці двигуни домінують у трьох ключових сферах:

• Радіокеровані транспортні засоби : Забезпечують крутний момент для підйому та регулювання швидкості в автомобілях
• Дрони : Дозволяють стабільно регулювати тягу для виконання польотних маневрів
• Саморобні роботи : Пропонують модульні вихідні потужності для програмованих з'єднань

Їхні габарити на 30%-50% менші порівняно з аналогами змінного струму (Robotics Trends 2023), що дозволяє інтегрувати їх у простори об’ємом менше 2 см³ — критично важливо для мініатюрних конструкцій.

Вигідність колекторних двигунів постійного магніту в іграшках, що працюють від батарей

Для бюджетних іграшок, які зараз є на полицях магазинів, виробники найчастіше використовують щіткові постійні магніти постійного струму. Вартість виробництва таких двигунів приблизно на дві третини нижча порівняно з їх безщітковими аналогами, що має велике значення, коли маржа невелика. Вимоги до напруги теж досить прості — зазвичай ці двигуни добре працюють з маленькими таблетковими або звичайними батарейками АА та ААА, які є в більшості домогосподарств. Так, у цих двигунів є механічні щітки, які з часом зношуються, через що термін їхньої служби становить приблизно від 200 до 500 годин роботи. Але, враховуючи, як довго діти зазвичай граються з певною іграшкою, перш ніж перейти до чогось нового (зазвичай не більше одного-двох років), цього терміну цілком достатньо.

Модульна інтеграція безщіткових двигунів постійного струму в навчальні набори

Сучасні навчальні комплекти з STEM зараз укомплектовані безщітковими двигунами постійного струму, які мають безліч зручних функцій. Більшість із них включають попередньо припаяні драйвери двигунів, стандартні підключення живлення 5 В та 12 В, а також чудово працюють із регулюванням швидкості за допомогою ШІМ. Що це означає для учнів? Це значно спрощує створення роботів Інтернету речей та автоматизованих систем, оскільки більше не потрібно мати справу зі складними схемами. Безщіткова конструкція — ще одна велика перевага для вчителів, адже ці двигуни не потребують регулярного обслуговування навіть після місяців постійного використання в класі. Вони ефективно працюють на рівні близько 85 відсотків понад тисячу годин поспіль. Не дивно, що провідні постачальники освітніх матеріалів почали так широко впроваджувати їх у свої товарні лінійки.

Щіткові та безщіткові малі двигуни постійного струму: технічне порівняння та вибір

Експлуатаційні відмінності між щітковими та безщітковими типами двигунів постійного струму

Малі щіткові двигуни постійного струму спираються на ті старомодні механічні щітки разом з колектором, щоб забезпечити протікання струму через них. Але тут завжди виникатиме певне тертя, що знижує їхню загальну ефективність приблизно до 70–80 відсотків. Крім того, під час роботи вони часто створюють чималий шум. Безщіткові версії усувають ці недоліки, замінюючи зношувані деталі електронними контролерами. Відсутність фізичного контакту означає менший знос компонентів, а також підвищення ефективності до 85–95%. Саме тому безщіткові двигуни є чудовим вибором там, де найважливішим є тихий режим роботи. Подумайте про медичне обладнання, де постійне дзижчання було б проблемою, або навіть про маленькі сенсори ІоТ, які мають працювати роками без обслуговування.

Відсутність іскріння щіток у безщіткових моделях також підвищує безпеку в вибухонебезпечних середовищах. Однак щіткові двигуни зберігають переваги у вартості для простих, періодичних завдань, таких як механізми іграшок або базові актуатори.

Ефективність живлення та майбутні тенденції інтеграції малих постійного струму двигунів

Оптимізація терміну роботи батареї шляхом узгодження напруги та керування ШІМ

Коли невеликі постійного струму правильно підібрані до потреб системи (наприклад, 3 В, 5 В або 12 В), вони мають тенденцію витрачати менше енергії, зберігаючи при цьому той самий рівень крутного моменту. Різниця може бути досить значною — деякі дослідження показують приблизно на 20% менше втрат енергії за правильної реалізації. У сучасних конструкціях дедалі частіше використовуються так звані ШІМ-контролери, які дозволяють регулювати швидкість двигунів без втрати ефективності. Це означає, що пристрої, такі як смартфони та інші гаджети, можуть довше працювати від одного заряду. Порівняно зі старими системами з постійною напругою, термін роботи акумулятора часто покращується на 30–40%. Візьмемо, наприклад, носимі технології: більшість сучасних розумних годинників тепер працюють на таких 3 В двигунах із ШІМ-керуванням і можуть працювати понад 50 годин лише від невеликої пуговинкової батарейки, що було б неможливо за традиційних методів.

Безщіткові двигуни постійного струму низької напруги у енергоефективних електронних конструкціях

У наш дні безщіткові двигуни постійного струму (BLDC) поступово замінюють більшість застосунків з низьким енергоспоживанням, оскільки працюють з ККД близько 85–92 відсотків. Це приблизно на 25% краще, ніж у традиційних щіткових двигунів, що робить їх дуже привабливими для виробників. Зниження тепловиділення особливо важливе в герметичній електроніці, наприклад, у датчиках розумного дому. Навіть зниження температури всередині таких пристроїв лише на один градус Цельсія може подовжити термін служби компонентів удвічі, згідно з польовими випробуваннями. Найцікавіше те, що останні досягнення у технології рідкісноземельних магнітів дозволили 5-вольтовим BLDC-двигунам досягати вражаючих характеристик, наприклад, крутного моменту 0,15 ньютон-метра при швидкості обертання 20 тисяч обертів на хвилину. Такі показники відповідають зростаючим потребам різних галузей, зокрема медичного обладнання та апаратних засобів Інтернету речей, де компактні, але потужні двигуни стають все більш необхідними.

Майбутні тенденції: розумні двигуни, датчики та передові матеріали

Три інновації змінюють технологію малих постійного струму:

• Інтегровані розумні драйвери з моніторингом навантаження в реальному часі, що зменшують витрату енергії в умовах часткового навантаження
• Самозмащувальні підшипники з полімерів забезпечують безобслуговувану роботу понад 50 000 годин
• Прогнозувальне обслуговування, що підтримується IoT системи, які аналізують коливання струму для прогнозування виходу двигунів з ладу

Перехід до модульних двигунів, оснащених датчиками, відповідає прогнозам галузі щодо щорічного зростання прийняття BLDC у побутовій електроніці на 17% до 2028 року.