Малі двигуни постійного струму перетворюють електричний струм у точний механічний рух, використовуючи електромагнітні сили. Ось що відбувається: коли струм проходить через якір всередині двигуна, він стикається з магнітним полем, утворюючи обертальний рух, який нам добре відомий. Ці маленькі потужні пристрої ідеально підходять для ситуацій, де важливо економити місце, а крутний момент має бути саме таким, як потрібно, що пояснює їхнє повсюдне використання — від смартфонів до мініатюрних насосів у медичному обладнанні. За даними аналізу промислових систем руху на початок 2024 року, ці двигуни можуть досягати ефективності близько 90%, коли навантаження не надто велике, головним чином тому, що при легких навантаженнях перешкоджає дуже мало тертя.
Чотири критичні компоненти визначають роботу малого двигуна постійного струму:
На відміну від більших двигунів, малі двигуни постійного струму використовують легкі матеріали, такі як неодимові магніти та вуглецеві щітки, що забезпечує довговічність. Як зазначено в керівництвах з конструювання двигунів , ці компоненти оптимізовані для зменшення розсіювання тепла, що дозволяє безперервну роботу в обмежених просторах.
Коли йдеться про малі постійного струму двигуни, вони зазвичай більше зосереджені на упаковці потужності в обмеженому просторі, а не на виробленні великої кількості крутного моменту. Візьмемо типовий 12-вольтовий двигун потужністю від приблизно 3 до 50 ват — ці маленькі агрегати зазвичай обертаються зі швидкістю близько 15–200 обертів на хвилину. Порівняйте це з промисловими двигунами, які можуть витримувати значно більшу потужність, часто перевищуючи 1 кіловат, але потребують великих систем охолодження, щоб не перегріватися. Те, що робить малі двигуни настільки корисними, — це їх компактність. Їм не потрібні додаткові деталі, такі як зовнішні вентилятори, які необхідні більшим двигунам, саме тому інженери люблять встановлювати їх у найрізноманітніше обладнання, де важливо економити місце. Згідно з дослідженням, опублікованим минулого року в одному з електромеханічних журналів, ці менші двигуни працюють приблизно на 40 відсотків тиші порівняно зі своїми більшими аналогами. Така тиха робота має велике значення в застосуваннях, таких як медичні пристрої чи побутова техніка, де ніхто не хоче чути неприємного дзижчання від своїх пристроїв.
Малі двигуни постійного струму перетворюють електрику на реальний рух завдяки так званим силам Лоренца. Коли електричний струм проходить через мідні дроти всередині двигуна (які називаються якорними обмотками), виникає магнітне поле. Це поле взаємодіє з постійними магнітами, закріпленими на зовнішній стороні корпусу двигуна. Далі відбувається ось що: магнітні поля відштовхуються одне від одного, створюючи обертовий момент, який обертає вал двигуна під прямим кутом до напрямку протікання струму та напрямку магнітних ліній. Щоб забезпечити безперервне обертання, електрика передається через вуглецеві щітки на колектор. Ця частина перемикає живлення на різні секції якорної обмотки, завдяки чому двигун продовжує обертатися, а не зупиняється після одного оберту.
Система колектор-щітка виконує дві ключові функції:
Без цього синхронізованого перемикання малі постійного струму двигуни зупинилися б після часткового обертання. Останні дослідження в галузі електродинаміки показали, що оптимізовані конструкції колекторів зменшують іскріння на 40%, продовжуючи термін служби щіток у застосунках 12 В.
Основні взаємозв'язки, що визначають продуктивність малих двигунів постійного струму:
| Параметр | Вплив на продуктивність | Особливості дизайну |
|---|---|---|
| Напруга (6-24 В) | Прямо пропорційно швидкості холостого ходу | Теплові обмеження при вищих напругах |
| Текуче | Визначає вихровий момент (T = kΦI) | Калібр дроту та матеріал щіток |
| Магнітний флюкс | Впливає як на крутний момент, так і на електрорушійну силу зворотного напрямку | Вибір марки магніту |
Безколовникові малі постійного струму двигуни досягають швидкостей понад 10 000 об/хв із мінімальним вібраційним навантаженням, тоді як планетарні редукторні двигуни знижують швидкість на користь збільшення крутного моменту в 15 разів. Ефективні конструкції забезпечують більше 80% перетворення енергії в усьому робочому діапазоні.
Малі щіткові двигуни постійного струму працюють за допомогою вуглецевих щіток і колекторів для електричних з'єднань. На перший погляд вони досить прості та дешеві, тому їх можна зустріти в таких пристроях, як пральні машини або автомати для продажу снеків. Але є один недолік: щітки з часом зношуються, тому ці двигуни потребують регулярного огляду та заміни компонентів. Це значно скорочує термін їхньої роботи до повного виходу з ладу. З іншого боку, безщіткові двигуни постійного струму (або BLDC, як їх називають), відмовляються від усього цього механічного оснащення завдяки електронній комутації. Відсутність тертя означає, що такі двигуни можуть працювати значно ефективніше — іноді досягаючи приблизно 90% ККД. Виробники медичного обладнання надають їм перевагу, оскільки вони можуть працювати безперервно тисячі годин, не виходячи з ладу. Відомі випадки, коли деякі блоки досягали позначки в 10 000 годин і все ще працювали стабільно.
Інтеграція планетарних або прямозубих передач із малими двигунами постійного струму збільшує вихідний крутний момент, зберігаючи компактні розміри. Редукторні двигуни з крутним моментом до 2,5 Н·м ідеально підходять для підйомних механізмів автомобільних вікон, промислових актуаторів та робототехніки, де важливо отримати висилу при обмеженому просторі.
Конструкції без керна виключають залізне осердя з ротора, зменшуючи інерцію на 50%, що забезпечує швидкі цикли запуску та зупинки у дронів і протезів. Пласкі двигуни з плоскими якорями мають товщину менше 15 мм, що дозволяє вбудовувати їх у носимі пристрої та мініатюрні сенсори.
Працюючи з малими постійного струму двигунами, необхідно підбирати їх номінальну напругу відповідно до джерела живлення, до якого вони підключаються. Більшість комерційних моделей найкраще працюють у діапазоні від 6 до 24 вольт. Якщо подавати надто високу напругу на ці двигуни, вони швидко перегріваються. Навпаки, робота при напрузі нижчій за мінімальну робить їх слабшими, оскільки вони не можуть створити достатнього обертового моменту. Кількість струму, яку споживає двигун, безпосередньо залежить від навантаження. Більше навантаження означає більший струм у системі, що природним чином збільшує споживання енергії та виділення тепла. Розглянемо кілька цифр для ясності: стандартний 12-вольтовий двигун, який споживає близько 1,6 ампера, забезпечує приблизно 19,2 вата потужності. Розуміння цих характеристик допомагає інженерам обрати правильний двигун для конкретного завдання. Малий двигун може впоратися з простими пристроями або іграшками, тоді як для заводського обладнання, де важлива безперервна робота, знадобиться більший двигун.
Ефективність малих постійного струму, як правило, становить від 70 до 90 відсотків, хоча це може варіюватися залежно від кількох факторів, включаючи тертя всередині двигуна, опір обмоток і втрати, пов'язані з магнітними полями. Коли ці двигуни працюють без зупинки при температурах понад 60 градусів Цельсія (близько 140 за Фаренгейтом), існує реальна небезпека пошкодження ізоляції або втрати магнітних властивостей постійних магнітів. Тут велике значення має належне теплове управління. Такі речі, як спеціально розроблений корпус, що допомагає розсіювати тепло, або просто покращення циркуляції повітря навколо двигуна, можуть значно подовжити термін його служби перед заміною. Безщіткові версії цих двигунів фактично виробляють менше тепла, оскільки в них відсутні ті дратівливі щітки, що створюють тертя. У застосуваннях, де найважливішою є надійність, наприклад, у медичному обладнанні, безщіткові моделі часто працюють більше 5000 годин безперервної роботи без проблем.
Малі щіткові постійного струму зазвичай працюють близько 1000–3000 годин, перш ніж щітки почнуть зношуватися, тоді як їх безщіткові аналоги легко можуть працювати понад 10 000 годин. Коли такі двигуни встановлюються в місцях із великою кількістю пилу або високим рівнем вологості, їм значно допомагає наявність ущільнених підшипників і компонентів, виготовлених із матеріалів, стійких до корозії та руйнування. Для безперебійної роботи потрібне також базове технічне обслуговування. Регулярне очищення поверхонь колектора та забезпечення належного змащення всіх рухомих частин значною мірою запобігає несподіваним поломкам на автоматизованих виробничих лініях. Для транспортних засобів та іншого транспортного обладнання виробники часто вказують двигуни з класом захисту корпусу IP54. Це означає, що вони можуть витримувати потрапляння бризок води та бруду, не допускаючи проникнення вологи всередину, що відповідає вимогам більшості виробників щодо надійної роботи в складних умовах.
Ми користуємося малими двигунами постійного струму для безлічі повсякденних речей, навіть не усвідомлюючи цього. Згадайте про віброзвінні сигнали у наших телефонах під час отримання сповіщень, обертові головки електричних зубних щіток або маленькі вентилятори, що охолоджують нас у спекотні літні дні. Що робить ці двигуни такими чудовими? Вони достатньо малі, щоб поміститися в портативних пристроях, і при цьому ефективно працюють від батарей. У складному пристрої, як дрон, ці мініатюрні двигуни допомагають зберігати баланс у повітрі, а також забезпечують плавне переміщення камери з одного боку в інший. Саме ця технологія живить системи стабілізації (гімбали), які так полюбили фотографи. Досить вражаюче, враховуючи наскільки вони малі!
Медична галузь значною мірою залежить від тих крихітних постійного струму двигунів, які живлять усіляке необхідне обладнання: від систем доставки інсуліну до роботизованих хірургічних інструментів і навіть регульованих столів у кімнатах МРТ. Ці маленькі двигуни можуть забезпечувати стабільну вихідну потужність навіть під час повільної роботи, що має велике значення для точного дозування ліків через внутрішньовенні лінії. Особливо корисними є безщіткові версії, оскільки вони не створюють значного електричного шуму, який може заважати іншому чутливому медичному обладнанню поруч. Цікаво, що більшість сучасних портативних діагностичних пристроїв використовують так звані двигуни постійного струму без серцевини. Чому? Тому що вони працюють надзвичайно тихо, і пацієнти ледь помічають їхню роботу під час обстежень і тестів.
Сучасні автомобілі фактично мають близько 30–50 невеликих постійних двигунів, які працюють у фоновому режимі. Вони виконують безліч функцій, які ми сприймаємо як належне: регулювання електроприводів вікон, запам'ятовування положення сидінь, керування заслінками системи опалення. Але новіші технології стають ще цікавішими. Виробники тепер встановлюють безщіткові двигуни постійного струму в розширені системи допомоги водієві, наприклад, для точного позиціонування радарів або автоматичного складання дзеркал під час паркування. Ці маленькі трудяги також можуть витримувати досить жорстокі температурні умови, надійно працюючи як при лютому холоді мінус 40 градусів Цельсія, так і при спекотному жарі до 150 градусів. Така міцність робить їх ідеальними для експлуатації в будь-яких погодних умовах без відмов.
Малі постійного струму приводять у дію все — від витончених промислових роботів-машин до базових проектів з Arduino. Деякі з цих маленьких двигунів можуть бути надзвичайно компактними, існують моделі, які поміщаються всередині простору діаметром лише 6 мм. Коли мова йде про виконання роботи, версії з редуктором збільшують крутний момент приблизно в 200 разів, що означає, що вони легко можуть піднімати вантажі масою близько 5 кг на роботизованих руках. Існують також двигуни типу «панкейк», які обертаються надзвичайно швидко, досягаючи швидкості 10 000 об/хв у застосуваннях для свердління друкованих плат. Більшість сьогоднішніх платформ відкритого коду для робототехніки постачаються з модульними варіантами двигунів постійного струму, що мають стандартні точки кріплення. Це значно прискорило процеси як для ентузіастів, так і для професіоналів. Створення прототипів займає приблизно на 40% менше часу, ніж раніше, коли використовуються ці стандартизовані компоненти замість постійної розробки спеціальних рішень з нуля
Гарячі новини© Авторське право 2025, Changwei Transmission (Jiangsu) Co., Ltd — Політика конфіденційності
EN
