Статор и ротор двигателей BLDC и асинхронных двигателей: какой вариант обеспечивает более высокую эффективность?

В условиях стремления промышленности к энергосбережению электродвигатели играют решающую роль в сокращении потребления электроэнергии и обеспечении устойчивого развития. Их производительность зависит от двух ключевых компонентов: статора и ротора. В условиях ужесточения энергетических норм главный вопрос заключается в том, какой двигатель, бесщеточный постоянного тока или асинхронный, более эффективен?

Статор и ротор двигателя BLDC

Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC), являющийся разновидностью синхронного двигателя, работает за счет постоянных магнитов на роторе и электронно-управляемой коммутации на статоре. Он широко известен своей высокой удельной мощностью, превосходными скоростно-крутящими характеристиками и общей эффективностью системы.

Конструкция статора

Статор в бесщеточном двигателе постоянного тока (BLDC) состоит из ламинированных стальных сердечников с медными обмотками. Эти обмотки расположены в трехфазной конфигурации и последовательно запитываются контроллером. Вместо механических щеток и коммутаторов, в двигателе BLDC для определения положения ротора и подачи правильной фазы тока используются либо датчики Холла, либо бессенсорные методы.

• Основной материал:Обычно состоит из ламинированных пластин из высококачественной кремнистой стали с низкими потерями на гистерезис.
• Тип обмотки:Может быть распределенным или концентрированным, часто с индивидуальной настройкой для оптимизации крутящего момента и уменьшения заеданий.
• Профиль электромагнитного поля на спине:Обычно имеет трапециевидную или синусоидальную форму, влияя на сложность и плавность управления.

Конструкция ротора

Ротор состоит из редкоземельных постоянных магнитов — обычно неодимовых (NdFeB) — расположенных на сердечнике ротора или внутри него. Эти магниты поддерживают постоянные магнитные поля, что исключает необходимость в токе возбуждения ротора и, следовательно, значительно снижает потери мощности.

• Топологии роторов:Включает конструкции с поверхностным монтажом, внутренними постоянными магнитами (IPM) и спицевого типа.
• Материал:Для обеспечения структурной целостности для изготовления вала и сердечника ротора часто используют нержавеющую сталь или другие немагнитные материалы.

Крутящий момент возникает, когда постоянное магнитное поле ротора взаимодействует с электромагнитным полем статора, а точное переключение тока обеспечивает жесткий контроль.

Статор и ротор асинхронного двигателя

Асинхронные двигатели, особенно двигатели с короткозамкнутым ротором, доминируют в промышленности благодаря своей надежности, простоте и низкой стоимости. В отличие от бесщеточных двигателей постоянного тока, они не имеют постоянных магнитов или обмоток ротора, требующих электрического соединения.

Конструкция статора

В статоре асинхронного двигателя также используются ламинированные сердечники из кремниевой стали со встроенными обмотками. При подключении к источнику переменного тока эти обмотки создают вращающееся магнитное поле.

• Конфигурация обмотки:Стандартная трехфазная распределенная обмотка обеспечивает плавные синусоидальные магнитные поля.
• Слоистые ламинированные элементы:Более толстые ламинированные слои, чем Статоры BLDCчто приводит к увеличению потерь в сердечнике на высоких частотах.
• Дизайн слота:Большее количество пазов используется для уменьшения гармонических искажений и улучшения характеристик пульсаций крутящего момента.

Конструкция ротора

Ротор обычно представляет собой литую алюминиевую (или медную) короткозамкнутую роторную систему — сплошные проводящие стержни, закороченные концевыми кольцами. Эти проводники генерируют ток, когда мимо них проходит вращающееся магнитное поле статора. Затем этот ток генерирует собственное магнитное поле, которое, объединяясь с полем статора, создает движение.

• Принцип скольжения:Для индукции тока ротор должен вращаться с меньшей скоростью, чем поле статора, что является ключевым отличием от синхронной работы бесщеточных двигателей постоянного тока.
• Материальные соображения:Медные роторы более эффективны, но и дороже алюминиевых.

Такой режим работы приводит к более высоким внутренним потерям мощности, но также упрощает конструкцию и обслуживание двигателя.

Показатели эффективности

После учета всех видов потерь эффективность электродвигателей определяется путем оценки того, насколько хорошо электрическая энергия преобразуется в механическую.

Показатели эффективности бесщеточных двигателей постоянного тока

• Типичная эффективность:От 85% до 95%, в зависимости от скорости, нагрузки и стратегии управления.
• Потери меди:Происходит в обмотки статораМинимизируется за счет оптимизации сечения проволоки и охлаждения.
• Отсутствие потерь меди в роторе:Благодаря использованию магнитов потери I²R в роторе исключаются.
• Основные потери:Более низкий уровень обусловлен более тонкой ламинацией и высокой частотой переключения.
• Пульсация крутящего момента:Управление осуществляется посредством формирования формы сигнала и алгоритмов бессенсорного управления.

Показатели эффективности асинхронных двигателей

• Типичная эффективность:От 75% до 90%, обычно оптимальный показатель для нагрузки, близкой к номинальной.
• Потери меди в роторе:Учитывайте значительные потери мощности из-за наведенного тока.
• Потери в меди и сердечнике статора:Более высокие показатели при малых нагрузках и низких частотах.
• Потери на трение и сопротивление воздуха:Несколько выше из-за особенностей механической конструкции.
• Потери на скольжение:В процессе работы происходит постоянный расход энергии, чего нет у бесщеточных двигателей постоянного тока.

При сравнении двух типов двигателей, бесколлекторные двигатели постоянного тока демонстрируют более высокую пиковую эффективность и лучшие характеристики в условиях частичной нагрузки и переменной скорости.

Требования к тепловому регулированию и охлаждению

Тепловые характеристики напрямую влияют на способность двигателя сохранять эффективность в течение длительного времени.

Теплодинамика бесщеточного двигателя постоянного тока

• Статорно-центрированный нагрев:Большая часть тепла выделяется в статоре, где более легко реализовать активное охлаждение (воздушное или жидкостное).
• Ротор остаётся холодным:Постоянные магниты выделяют незначительное количество тепла, что повышает тепловую надежность.
• Термодатчики:Часто интегрируется с контроллерами для точной обратной связи по температуре.

Теплодинамика асинхронного двигателя

• Распределенное отопление: Оба статор и роторПри этом выделяется тепло, и ротор часто труднее охладить из-за вращения.
• Риск перегрева ротора:Индуцированный ток может привести к термической деградации концевых колец или проводников.
• Методы охлаждения:В больших двигателях широко используются внешние вентиляторы или системы охлаждения с замкнутым контуром.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока обладают тепловым преимуществом, особенно в компактных или герметичных конструкциях, где рассеивание тепла представляет собой сложную задачу.

Влияние стратегии управления на эффективность

Стратегии управления двигательной активностью не только регулируют производительность, но и играют решающую роль в энергопотреблении.

Системы управления бесщеточными двигателями постоянного тока

• Электронные коммуникации:Заменяет механическую коммутацию для точного управления.
• Бессенсорное против сенсорного управления:Бессенсорные конструкции снижают стоимость оборудования, но требуют применения сложных алгоритмов.
• Улучшенная модуляция:Прямое управление крутящим моментом (DTC) и управление, ориентированное на поле (FOC), обеспечивают максимальную динамическую реакцию и снижают потери.

Системы управления асинхронными двигателями

• Частотно-регулируемые приводы (ЧРП):Модулируйте напряжение и частоту для повышения эффективности при частичной нагрузке.
• Скалярное управление (В/ф):Простой и экономичный, но менее эффективный при переменных нагрузках.
• Бессенсорное векторное управление:Обеспечивает лучший контроль крутящего момента, но приводит к гармоническим потерям.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока (BLDC) с цифровым управлением и рекуперативным торможением обеспечивают более высокую общую эффективность управления, особенно в современных условиях, требующих частого изменения скорости.

Специализированные характеристики

Электромобили (ЭМ)

• Преимущества бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC):Высокий крутящий момент на низких оборотах, компактные размеры, рекуперативное торможение.
• Использование индукционной плиты:Исторически этот тип двигателей использовался компанией Tesla, но сейчас он в значительной степени заменен двигателями с постоянными магнитами для повышения эффективности.

Промышленная автоматизация

• Асинхронные двигатели:Благодаря своей прочности и простоте, этот материал предпочтителен для конвейерных лент, насосов и компрессоров.
• Бесколлекторные двигатели постоянного тока:Всё чаще используется в роботизированных манипуляторах, станках с ЧПУ и сервосистемах, требующих точного управления.

Бытовая техника

• Бесколлекторные двигатели постоянного тока:Используется в стиральных машинах, вентиляторах и системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха для экономии энергии и более тихой работы.
• Асинхронные двигатели:Всё ещё широко распространены в устаревших системах благодаря низкой стоимости и длительному сроку службы.

Системы возобновляемой энергии

• Бесколлекторные двигатели постоянного тока:Используется в маломасштабных ветро- и гидроэнергетических системах.
• Асинхронные двигатели:Используется в крупных ветротурбинах, подключенных к электросети и имеющих внешние инверторы.

Сложность и стоимость производства.

Производство бесщеточных двигателей постоянного тока

• Интеграция магнитов:Работа с редкоземельными магнитами требует точности и тепловой защиты.
• Интеграция контроллера:Увеличивает стоимость системы, но обеспечивает программируемую гибкость.
• Настройка:Высокий уровень, особенно в топологии обмотки статора и форме ротора.

Производство асинхронных двигателей

• Подходит для массового производства:Простые, стандартизированные компоненты позволяют осуществлять экономически эффективное производство.
• Литые роторы:Литье алюминия снижает трудозатраты и потребность в механической обработке.
• Сниженные требования к электронике:Для конфигураций с фиксированной скоростью приводы и контроллеры являются опциональными.

Несмотря на более высокую эффективность бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC), их первоначальная себестоимость выше из-за материалов и электроники. Однако долгосрочная экономия энергии может это компенсировать.

Эффективность жизненного цикла и техническое обслуживание

Жизненный цикл бесщеточного двигателя постоянного тока

• Увеличенный срок службы:Отсутствие изнашивающихся щеток, меньше механических контактов.
• Низкие эксплуатационные расходы:Идеально подходит для герметичных или труднодоступных систем.
• Прогнозирующий мониторинг:Обратная связь от контроллера позволяет проводить профилактическую диагностику.

Жизненный цикл асинхронного двигателя

• Механическая прочность:Проверено десятилетиями эксплуатации, особенно в промышленных условиях.
• Требуется техническое обслуживание:Подшипники, вентиляторы и изоляция со временем изнашиваются.
• Легко перематывается и ремонтируется:Снижение затрат на ремонт в случае поломки.

С учетом общей стоимости владения и времени простоя на техническое обслуживание, бесщеточные двигатели постоянного тока часто обеспечивают более высокую эффективность на протяжении всего срока службы, особенно в системах с частыми циклами запуска/остановки.