Введение

Мы живем в мире, который не стоит не месте, он развивается на наших глазах. Некоторые люди не могут представить свою жизнь без гаджетов. Однако мало кто знает, как на самом деле устроена техника, которой мы пользуемся каждый день. Мой проект связан с электродвигателями, их можно найти повсюду. Для режима вибрации в наших телефонах установлены электродвигатели, чтобы постирать одежду нам нужна стиральная машина, которая работает за счет электродвигателя, и самый экологичный автомобиль оснащен электродвигателем. Для него не нужно топливо, добыча которого приводит к истощению ресурсов и загрязнению окружающей среды, поэтому за таким типом двигателей стоит будущее машиностроения и не только.

Цель проекта: исследовать BLDC-двигатель, его устройство, отличия от других моделей, применение на практике.

Задачи проекта:

– Провести исследование, вследствие которого выяснить основной принцип работы.

– Изучить устройство двигателя и его характеристики.

– Сравнить BLDC-двигатель с другими моделями и выявить его преимущества среди других.

– Проанализировать, как подаваемое напряжение влияет на работу двигателя и на его показатели.

Теоретический материал

Для своего исследования я выбрала BLDC-двигатель, так как устройство его более простое. Однако главное отличие — наличие дополнительного контролера (драйвера), который обеспечивает своевременную подачу тока на обмотки. Не менее значительным условием стала его популярность и широкое применение.

Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC, от англ. Brushless DC motor) — это разновидность электродвигателя постоянного тока, в конструкции которого отсутствуют щетки и коллектор. Вместо механического коммутатора здесь используется электронный блок управления, который контролирует подачу тока в обмотки статора. Такое техническое решение позволяет значительно уменьшить трение, повысить надежность и продлить срок службы двигателя [1].

Основные компоненты и принцип работы

Электродвигатель состоит из трех основных частей. Статор — данная часть двигателя неподвижна. В нем находятся катушки, на которые попеременно подается постоянный электрический ток. Ротор — вращающаяся часть, включает в себя постоянные магниты. Однако их компоненты могу меняться местами в зависимости двигателя. Заключительным элементом является контроллер [3]. BLDC-двигатель не имеет щеточек как в коллекторном двигателе. В коллекторном двигателе они выполняют роль переключателей, подавая в нужный момент ток на определенную обмотку. Однако именно скользящий контакт — самое уязвимое место двигателя. Именно из-за этого фактора в технике начал чаще встречаться бесколлекторный двигатель. Контроллер пришёл на смету щеткам, выполняя роль переключателя за счет микросхем [3].

В основе работы электродвигателя лежит явление магнитной индукции. Как мы знаем, при пропускании тока через проводник он создает магнитное поле вокруг. Данными проводниками в нашем двигателе послужат катушки [4]. А также постоянные магниты имеют свое магнитное поле, за счет которого двигатель будет приводиться в действие. С помощью контроллера на катушки подается ток. Они создают уже свое магнитное поле, на которое реагирует магнит и начинает притягиваться. После катушки перестают получать ток и впоследствии они перестают создавать магнитное поле. Ток переходит к следующей катушке, и цикл повторяется. Таким образом, двигатель приводится в действие.

Отличия от щеточного двигателя от других моделей

Предшественником BLDC-двигателя является щеточный или коллекторный двигатель. Он был изобретён ранее, впоследствии стал прототипом для современного бесщеточного двигателя. Одним из главных его отличий является наличие щеток, они помогают без помощи какой-либо электроники подать ток на нужную обмотку в нужный промежуток времени. Происходит это механическим образом, однако это и является самой уязвимой частью двигателя. Так как щетки крутятся и трутся об контур, который впоследствии передает ток на обмотки, щетки при трении нагреваются и стираются. Поэтому за ними нужно следить и регулярно менять при необходимости.

В связи с данным фактором часть энергии уходит на нагревание и трение скользящих контактов, поэтому КПД у таких двигателей меньше. Также щетки нуждаются в регулярном уходе и при возможности замене, следовательно, двигатель уменьшает сроки своего действия. Также при трении создается довольно громкий звук, что является неоспоримым минусом при подборе двигателя для каких-либо целей. Однако из-за своего простого строения и отсутствия электроники это дает ему преимущество в цене.

Если говорить о бесщёточных двигателях, то у них есть целый ряд преимуществ: высокий КПД, стабильная работа, постоянность скоростей и напряжения на обмотках, минимальный шум. И все эти преимущества только из-за замены щеток на контроллер, который следит за каждым движением двигателя и контролирует подачу тока на обмотки. Это значительно упрощает его в работе, но усложняет конструкцию и понимание процессов, происходящих внутри [5].

Влияние подаваемого напряжения на работу двигателя

Подаваемое напряжение регулируется с помощью переменного резистора (реостата). Точное значение выяснить без дополнительных приборов не удастся. Поэтому в анализе не будут представлены точные значения напряжения.

Я рассмотрю несколько ситуаций: как влияет увеличение или уменьшение напряжения на переменный резистор, как влияет увеличение или уменьшение напряжения на двигатель.

По закону Ома прослеживается зависимость напряжения, сопротивления и силы тока в реостате:

Где I — сила тока, U — напряжение, R — сопротивление.

При подаче минимального возможного количества вольт, напряжение и сопротивление в резисторе уменьшается. Сила тока будет увеличиваться. Стоит заметить, в данном случае прослеживается нелинейная зависимость всех элементов формулы, все они меняются по-разному, сложно проследить четкую зависимость.

Напряжение, подаваемое на двигатель, так же уменьшилось, как и сила тока. Что касается сопротивления, оно не изменилось, так как это постоянная величина для двигателя. Двигатель, в свою очередь, снизил количество оборотов.

Где A — рабата, q — количество электрического заряда, — полезная работа, — затраченная работа, — КПД, t — время.

При уменьшении напряжения понижается работа и сила тока нелинейно, а также затраченная и полезная работа снизят свои значения. Система больше не нуждается в затратах большого количества энергии, так как полезная работа уменьшается, однако КПД не изменяется.

Где Р — мощность.

Мощность, напряжение и сопротивление уменьшились.

После я увеличила напряжение до максимума. Также в случае закона Ома мы рассмотрим 2 ситуации.

Рассмотрим, что происходит с показателями при увеличении напряжения.

При увеличении напряжения сопротивление увеличивается, так как переменный резистор был поставлен на минимальное значение. Однако сила тока, наоборот, уменьшается. Здесь также не прослеживается линейная зависимость.

Рассмотрим, что происходит с показателями двигателя при увеличении напряжения. Сопротивление не изменяется, так же, как и в случае с уменьшаем напряжения. Напряжение увеличилось, а вместе с ним и сила тока. В этом случае можно проследить линейную зависимость параметров.

С повышением напряжения растет работа и сила тока, а значит, полезная работа и затраченная работа тоже повысилась, однако КПД не повысился, он остался прежним. Система стала производить больше полезной энергии, а значит, и стала затрачивать больше.

Мощность повысилась, так как повысилось напряжение, сила тока осталась неизменной.

Где Q — количество теплоты

Однако если КПД начинает изменяться (уменьшаться или увеличиваться), оно перестаёт быть константой, это означает, что двигатель начал нагреваться. Также, если не учесть особенности двигателя и подключить к нему слишком сильный источник напряжения, — это также может вызвать перегрев двигателя, что может привести выходу его из строя [6].

Заключение

В результате работы над проектом:

– Я узнала, основной принцип работы электродвигателя, а также изучила его строение, разобралась в видах и таким образам выбрала наиболее интересный двигатель для своего проекта.

– Выяснила, как влияет подаваемое напряжение на работу двигателя и на его показатели, подробно рассмотрела на формулах их зависимости, а также выяснила признаки выхода из строя двигателя при повышенном напряжении.

– Смогла создать модель двигателя и довести до рабочего вида. Выяснила наиболее частые ошибки при создании двигателя и изучила, как они могут влиять на двигатель. Выяснила некоторые способы, которые помогут улучшить работу двигателя.

Литература:

1. Белов М. П., Новиков В. А., Рассудов Л. Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов. — М.: Издательский центр «Академия», 2007 г.
2. Соколовский Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. — М.: «Академия», 2006 г.
3. Кенио Т., Нагамори С. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. — М.: Энергоатомиздат, 1989 г.
4. [Электронный ресурс]: — Режим доступа: https://znanierussia.ru/articles/Магнитная_индукция
5. Коваленко И. И. Курс физики: учебное пособие. Электричество и магнетизм СПб.: ГУАП 2020
6. Уравнения Максвелла // Большая российская энциклопедия. — М.: Большая российская энциклопедия, 2004–2017.