Бессенсорные и сенсорные бесщеточные двигатели в электроинструментах

Быстрый ответ

Бездатчиковое управление бесщеточным двигателем определяет положение ротора по собственным сигналам обратной ЭДС двигателя вместо физических датчиков Холла. В промышленных электроинструментах это более надежно, чем сенсорное управление, поскольку исключает три наиболее распространенные точки отказа двигателя: проводящая шлифовальная пыль, замыкающая плату датчиков, вибрационное растрескивание паяных соединений и внешние магнитные поля (от стальных заготовок или магнитных оснований сверл), подавляющие датчики Холла. Меньшее количество компонентов внутри двигателя означает меньшее количество видов отказов и отсутствие периодических неисправностей, которые трудно диагностировать в полевых условиях.

Ключевые выводы

· Бесщеточные двигатели с датчиками используют датчики Холла на внутренней печатной плате; бессенсорные бесщеточные двигатели считывают противо-ЭДС с обмоток двигателя.

· Датчики Холла выходят из строя в мастерских по трем причинам: проводящая металлическая пыль, постоянная вибрация и магнитные помехи.

· Бессенсорные отказы почти всегда являются механическими (подшипники, зубчатая передача, узел переключателя) — видимыми, проверяемыми и заменяемыми на месте.

· Бездатчиковый контроллер уже контролирует скорость и ток, поэтому плавный пуск, защита от перегрузки и защита от перегрева не требуют дополнительных датчиков.

· Полевые данные с верфей и сталелитейных заводов: бездатчиковые бесщеточные угловые шлифовальные машины HOPRIO диаметром 100 мм показали уровень повреждений менее 1%, в то время как щеточные шлифовальные машины, работающие в тех же режимах, требовали замены угольных щеток каждые 300–500 часов работы.

· Сенсорное управление по-прежнему выигрывает в одном узком случае: устойчивый точный крутящий момент при почти нулевых оборотах в минуту (например, сервопозиционирование) — нетипичная работа с электроинструментом.

Что такое бездатчиковое управление бесщеточным двигателем?

Контроллер бесщеточного двигателя постоянного тока (BLDC) должен знать угловое положение ротора в каждый момент, чтобы он мог подать питание на правильные катушки статора в нужный момент. Если время коммутации неправильное, двигатель заикается, глохнет, теряет крутящий момент или перегревается.

Есть два способа получить эту информацию о местоположении:

· Сенсорное управление — датчики Холла, установленные внутри корпуса двигателя, сообщают о положении ротора непосредственно контроллеру.

· Бездатчиковое управление — контроллер вычисляет положение ротора на основе противо-ЭДС (обратной электродвижущей силы), генерируемой собственными обмотками двигателя, без использования дополнительного оборудования внутри двигателя.

Интуитивно, добавление датчиков кажется более безопасным инженерным решением. В реальных условиях эксплуатации промышленного электроинструмента — пыли, вибрации, тепла и сильных магнитных полей — всё наоборот.

Сенсорные и бессенсорные бесщеточные двигатели: параллельное сравнение

Почему датчики Холла выходят из строя в реальных условиях мастерской?

Датчики Холла представляют собой небольшие точные полупроводниковые устройства, установленные на тонкой монтажной плате внутри двигателя и подключаемые к контроллеру тонкими сигнальными проводами. Они надежно работают на испытательном стенде. На рабочем месте они сталкиваются с условиями, для которых они никогда не были предназначены.

1. Проводящая шлифовальная пыль вызывает короткие замыкания.

Мелкая металлическая и каменная пыль, образующаяся при резке и шлифовке, является электропроводной. Как только он проникнет внутрь корпуса двигателя и осядет на печатной плате датчика, он сможет перекрыть соседние дорожки. Затем контроллер получает поврежденные данные о положении, и инструмент начинает вести себя хаотично или выключается без предупреждения.

2. Вибрационные трещины в паяных соединениях.

Электроинструменты постоянно вибрируют. За несколько месяцев использования на небольших паяных соединениях на плате датчиков появляются микротрещины. В состоянии покоя соединение ведет себя нормально, но под нагрузкой размыкается, вызывая периодический отказ, который появляется только при интенсивном использовании и исчезает на сервисном стенде.

3. Магнитные помехи от заготовки.

Это характерно для магнитных сверл и любого инструмента, используемого для обработки черных металлов. Когда основание магнитного сверла зажимается на стальной балке, возникающая в результате плотность потока может насыщать датчики Холла. Они перестают точно отслеживать ротор, и время коммутации нарушается.

Общая черта всех трех: возникающие в результате неисправности носят периодический характер. Инструмент проходит проверку, возвращается в эксплуатацию и снова выходит из строя. Диагностика этого вопроса требует от технического персонала часов и приводит к простоям, которые обходятся гораздо дороже, чем сам двигатель.

Как бездатчиковое управление определяет положение ротора?

Когда ротор вращается, постоянные магниты индуцируют напряжение в обесточенной обмотке статора — противо-ЭДС. Его точки пересечения нуля напрямую связаны с положением ротора, поэтому контроллер определяет время коммутации на основе сигнала, который уже генерирует двигатель. Нет датчика, нет печатной платы, нет сигнального жгута.

Поскольку обратная ЭДС присутствует только во время движения ротора, при запуске контроллер выполняет краткую настройку разомкнутого контура и последовательность изменения скорости. В современном контроллере инструмента это выполняется менее чем за одну секунду. С точки зрения оператора, спусковой крючок нажат, и инструмент работает — переход к управлению с обратной связью происходит плавно.

Что означает бездатчиковое управление для надежности инструмента

Удаление датчиков Холла, печатной платы датчика и сигнальной проводки устраняет наиболее частые точки отказа внутри бесщеточного двигателя:

· Вибрация больше не является источником неисправности — нет сенсорной платы с усталостными паяными соединениями.

· Проводящая пыль не может закоротить цепь определения положения, поскольку эта цепь не существует внутри двигателя.

· Магнитные поля стальных деталей не могут ухудшить чувствительность ротора, поскольку ничто внутри двигателя не воспринимает магнитные поля.

Вместе с датчиками исчезает класс периодически возникающих неисправностей, которые затрудняют обслуживание сенсорных инструментов. Когда инструмент без датчиков со временем изнашивается, причина механическая — подшипники, зубчатая передача или узел якоря. Эти детали можно осмотреть, протестировать и заменить на месте.

Что показывают полевые данные: бездатчиковые бесщеточные и щеточные угловые шлифовальные машины

Приведенный выше случай надежности не является теоретическим. HOPRIO отслеживает отзывы на местах и ​​в сфере обслуживания в металлообработке, судостроении и строительстве стальных конструкций — в средах, где 100-миллиметровые угловые шлифовальные машины работают часами каждый день, и сообщаемая картина отказов одинакова для всех площадок.

Сообщения о закономерностях отказов угловых шлифовальных машин со щеточным двигателем

· Короткий срок службы щеток — двигатели с последовательной обмоткой (щеточные) передают ток через угольные щетки и коллектор. На высоких оборотах щетки быстро изнашиваются и заменяются примерно каждые 300–500 часов работы; Обмотки ротора также склонны к перегоранию от перегрева.

· Перегорание при перегрузке — когда оператор вдавливает твердый материал или оказывает сильное давление, коллекторный двигатель не может поддерживать постоянную мощность, температура обмотки повышается, и двигатель в конечном итоге выходит из строя.

· Усталость оператора от веса — вес большинства обычных агрегатов превышает 2 кг, что становится заметно во время полных смен непрерывного шлифования.

Результаты полевых работ с бессенсорной бесщеточной платформой

В тех же условиях наблюдается другая картина для серии S1M-100YE , в которой используется безконденсаторное бездатчиковое управление инвертором HOPRIO — без щеток, коммутатора и датчиков Холла внутри двигателя. При номинальной мощности 1050 Вт (пиковая 1900 Вт) и частоте вращения 12 000 об/мин он обеспечивает производительность более тяжелых щеточных машин с корпусом диаметром 170 мм и весом 1,26–1,5 кг.

За отслеживаемый период на верфях и сталелитейных заводах уровень повреждения этих бессенсорных бесщеточных инструментов оставался ниже 1 %, что явно выше, чем в среднем по отрасли для щеточных шлифовальных машин, выполняющих ту же задачу. Сбои, которые действительно имели место, были преимущественно механическими (подшипники, переключатели), а не электрическими.

Встроенная защита без дополнительных компонентов

Бездатчиковый контроллер постоянно измеряет фазный ток и рассчитывает скорость, чтобы двигатель вообще мог запуститься. Тот же поток данных выполняет функцию уровня защиты, поэтому перегрузки и тепловые события обнаруживаются и обрабатываются без добавления каких-либо специальных датчиков.

Если нагрузка на инструмент превышает номинальную, контроллер плавно снижает мощность или выполняет полное отключение. Как только условия нормализуются, он снова готов к работе — без процедуры сброса и замены расходных материалов.

Кроме того, бесщеточные электроинструменты HOPRIO реализуют плавный пуск, защиту от перегрузки, защиту от перегрева и защиту от отключения питания — функции защиты, которые расширяют возможности без добавления компонентов, которые сами по себе могут выйти из строя. Защита от отключения питания важна при непрерывном промышленном использовании: после неожиданного отключения электроэнергии инструмент не перезапускается сам по себе при возобновлении подачи электроэнергии. Китайский отраслевой стандарт JB/T 14524-2022 делает такое поведение обязательным для сертификации угловых шлифовальных машин, что подтверждается более строгими испытаниями сторонней организации CCC.

Когда сенсорное управление все еще имеет смысл?

Безсенсорное управление не всегда является лучшим решением. Сенсорное управление остается правильным выбором там, где двигатель должен поддерживать точный крутящий момент на нулевой или близкой к ней скорости вращения в течение длительных периодов времени — сервооси, роботизированные соединения и этапы позиционирования. В этих приложениях нагрузка предсказуема, а окружающая среда чиста, поэтому потери надежности внутренней платы датчика минимальны.

Промышленные электроинструменты находятся на противоположном конце спектра: высокая средняя частота вращения, непредсказуемая ударная нагрузка, абразивное загрязнение и — в случае магнитных дрелей — экстремальные магнитные поля окружающей среды. В такой среде меньшее количество внутренних компонентов является доминирующим фактором надежности.

Заключение

Бездатчиковое бесщеточное управление не является компромиссом в плане снижения затрат. В пыльной, вибрирующей, магнитоагрессивной среде промышленного цеха удаление физических датчиков внутри двигателя является осознанным решением, обеспечивающим надежность: меньше деталей, которые могут выйти из строя, и меньше видов отказов, которые проявляются в виде необъяснимых периодических проблем в полевых условиях.

Часто задаваемые вопросы

Является ли бесщеточный двигатель без датчика менее надежным, чем двигатель с датчиком?

Нет. В электроинструментах бессенсорный бесщеточный двигатель, как правило, более надежен, поскольку в нем отсутствует печатная плата датчика Холла и сигнальная проводка — компоненты, которые с наибольшей вероятностью выходят из строя из-за попадания пыли, вибрационной усталости и магнитных помех. Сенсорные двигатели сохраняют преимущество только в устойчивом точном позиционировании на низких оборотах.

Как запускается бессенсорный бесщеточный двигатель без обратной связи по положению?

Контроллер выполняет короткое выравнивание и линейное изменение в разомкнутом контуре: он подает питание на известную схему катушки для выравнивания ротора, затем ускоряет ее до тех пор, пока противо-ЭДС не станет измеримой — обычно менее чем за одну секунду — после чего он переключается на бездатчиковую коммутацию с замкнутым контуром.

Имеют ли бессенсорные бесщеточные инструменты меньший пусковой момент?

Для рабочих циклов электроинструмента значимой разницы не наблюдается. Фаза запуска с разомкнутым контуром длится доли секунды, и сразу после этого доступен полный крутящий момент. Этот зазор становится актуальным только в тех случаях, когда необходимо постоянно поддерживать крутящий момент при околонулевых оборотах в минуту.

Почему датчики Холла выходят из строя именно в магнитных сверлах?

Магнитное основание сверла создает сильное магнитное поле для закрепления стальной заготовки. Это поле, а также сама намагниченная заготовка могут насытить датчики Холла внутри двигателя, так что они больше не смогут точно отслеживать положение ротора, вызывая неустойчивую работу или остановку.

Может ли шлифовальная пыль действительно повредить электронику двигателя?

Да. Металлическая и каменная пыль от резки и шлифования является электропроводной. Когда он накапливается на внутренней плате датчика, он может закрывать дорожки и искажать сигналы положения. Двигатель без датчика не имеет такой платы внутри корпуса, поэтому этот вид неисправности исключается.

Требуются ли для бездатчикового управления дополнительные датчики перегрузки и тепловой защиты?

Нет. Контроллер уже измеряет фазный ток и рассчитывает скорость для переключения двигателя. Эти измерения повторно используются для обнаружения условий перегрузки и перегрева, поэтому функции защиты, такие как плавный пуск, снижение перегрузки и тепловое отключение, не требуют дополнительного оборудования.

Что обычно выходит из строя в первую очередь в бесщеточном электроинструменте без датчиков?

Механические детали — обычно подшипники, зубчатая передача или узел переключателя. Они видимы, проверяемы и заменяемы на месте, в отличие от периодических электрических неисправностей, связанных с внутренними датчиками Холла.

Какие инструменты HOPRIO используют бессенсорное бесщеточное управление?

Промышленная бесщеточная платформа HOPRIO, включающая угловые шлифовальные машины, магнитные дрели и мини-сетевые инструменты, использует бездатчиковые контроллеры со встроенным плавным пуском, защитой от перегрузки и перегрева.

Насколько надежны бесщеточные угловые шлифовальные машины без датчиков при непрерывном промышленном использовании?

Полевые записи, которые HOPRIO ведет на верфях и сталелитейных заводах, показывают, что уровень повреждений бездатчиковых бесщеточных систем серии S1M-100YE за отслеживаемый период составляет менее 1%. Щеточные шлифовальные машины, работающие в одном и том же режиме, требуют замены угольных щеток примерно каждые 300–500 часов работы, и именно они являются причиной большинства жалоб на перегрузку и перегорание.

Что такое защита от отключения питания и что требует от угловых шлифовальных машин стандарт JB/T 14524-2022?

Защита от отключения питания предотвращает самостоятельный перезапуск инструмента после неожиданного отключения электроэнергии. Китайский отраслевой стандарт JB/T 14524-2022 устанавливает это требование сертификации для угловых шлифовальных машин, что подтверждается более строгими испытаниями сторонней организации CCC. В инструментах HOPRIO он входит в комплект защиты бездатчикового контроллера вместе с защитой от плавного запуска, перегрузки и перегрева.