Микродвигатели: основные характеристики, устройство и сферы применения

Высокоточные приводные решения — неотъемлемая часть современных технологий. Особое место среди них занимают микродвигатели. Малогабаритные двигатели, в отличие от обычных, имеют миниатюрные размеры, при этом обладают высокой эффективностью.

В статье рассмотрим, как устроены микроэлектродвигатели и какие виды представлены на рынке. Также разберем основные технические характеристики и области применения.

Содержание

• Основные виды малогабаритных двигателей
• Устройство и принцип работы
• Технические характеристики микродвигателей
• Где используются микродвигатели
• Преимущества применения
• Как выбрать подходящий микродвигатель
• Рекомендации по эксплуатации микроэлектродвигателей
• Ведущие производители микроэлектродвигателей постоянного тока

Основные виды малогабаритных двигателей

В зависимости от используемой энергии микроэлектродвигатели делятся на два основных типа: постоянного тока (DC) и переменного (AC).

Микродвигатели переменного тока работают от однофазного или трехфазного напряжения:

• Однофазные. Используются в бытовых приборах и некоторых вспомогательных промышленных устройствах, где требуется небольшая мощность.
• Трехфазные. Применяются в промышленности для мощных приводов: станков, вентиляторов и конвейеров.

Двигатели постоянного тока нашли широкое применение в промышленных приводах, где важно точно регулировать частоту вращения. Например, в автомобильной промышленности, кранах, оргтехнике.

Мини-электродвигатели постоянного и переменного тока, в свою очередь, бывают щеточными (коллекторными) или бесщеточными (бесколлекторными). Каждый из этих видов имеет свои особенности конструкции, от которых зависит как работают микродвигатели.

Устройство и принцип работы

Щеточные микродвигатели

Это классический тип микроэлектродвигателя, в котором электрический ток подается на ротор через щетки. Основные элементы конструкции:

• Корпус — несущая часть. Выполняет функцию наружной оболочки, которая защищает микродвигатель от грязи, влаги, пыли и механических воздействий.
• Ротор (якорь) — вращающаяся часть, преобразующая электрическую энергию в механическую.
• Статор — неподвижная часть, создающая постоянное магнитное поле. Может быть выполнен как на основе постоянных магнитов, так и с обмоткой возбуждения.
• Коллектор (коммутатор) — набор пластин из металла на валу ротора. Через них ток попадает на соответствующую обмотку, позволяя изменять направление вращения.
• Щетки — контактные элементы, передающие напряжение на обмотки ротора. Выполняются из графита или металла.

В основе принципа работы щеточного мини-мотора — взаимодействие магнитного поля статора и электромагнитного поля ротора. Когда ток проходит через обмотку ротора, она становится электромагнитом. Полюса этого магнита отталкиваются от полюсов магнита статора, вызывая вращение ротора.

Бесщеточные микродвигатели

В бесщеточных двигателях коллектор и щетки заменяются датчиками Холла и электронным контроллером, что делает их более сложными по конструкции, но и более эффективными. Основные компоненты:

• Ротор — содержит постоянные магниты с двумя или более полюсами.
• Статор — трехфазная обмотка, создающая вращающееся магнитное поле при прохождении тока.
• Контроллер — управляет напряжением на обмотках статора, регулируя момент и скорость вращения ротора.

Принцип действия основан на изменяющейся полярности магнитного поля. Контроллер с помощью датчиков Холла мониторит положение ротора и переключает напряжение на обмотках статора, поддерживая постоянное опережение магнитного поля ротора, что и заставляет его вращаться.

Технические характеристики микродвигателей

При выборе микроэлектродвигателя для конкретных задач важно учитывать технические параметры, которые определяют его производительность, надежность и применимость в той или иной области. Рассмотрим основные характеристики, на которые стоит обратить внимание.

Номинальное напряжение

Это напряжение питания, при котором двигатель работает с максимальной эффективностью. Для разных типов микроэлектродвигателей номинальные значения могут варьироваться:

• Низковольтные (до 12 В) — используются в компактных устройствах с малой мощностью.
• Высоковольтные (от 24 В) — применяются в промышленном оборудовании и робототехнике.

Мощность

У малогабаритных электродвигателей мощность может колебаться от нескольких милливатт до десятков ватт. Бесщеточные двигатели обладают более высоким КПД, что позволяет им выдавать больше мощности при тех же габаритах, что у щеточных.

Крутящий момент

Это величина, характеризующая силу вращения ротора двигателя и измеряемая в ньютон-метрах (Н·м). Крутящий момент важен для определения способности двигателя работать под нагрузкой.

Щеточные двигатели, как правило, обеспечивают меньший крутящий момент по сравнению с бесщеточными при равных размерах.

Скорость вращения

В щеточных микродвигателях скорость вращения ограничена. Потому что щетки соприкасаются с пластинами коллектора и при быстром вращении искрят.

Бесщеточные двигатели могут поддерживать более высокие скорости вращения, не искрят, могут разгоняться гораздо быстрее. Их скорость может составлять сотни тысяч оборотов в минуту.

Размеры

Микродвигатели проектируются для использования в ограниченном пространстве. Щеточные двигатели, как правило, немного больше и тяжелее из-за необходимости размещения щеток и коллектора. Бесщеточные — более компактны при тех же показателях мощности.

Где используются микродвигатели

Промышленная автоматизация

В системах промышленной автоматизации микродвигатели обеспечивают высокую точность управления движением. Они используются в сборочных линиях, транспортировочных системах, роботизированных манипуляторах и оборудовании для точной обработки материалов. Двигатели встраивают в сложные системы автоматического контроля и управления, повышая эффективность производства.

Робототехника

Микродвигатели отвечают за плавные и точные движения роботов. Компактные размеры двигателей позволяют создавать легкие и мобильные конструкции — это особенно важно для роботизированных манипуляторов и беспилотных аппаратов.

Медицинское оборудование

Микродвигатели применяются во многих видах медицинской техники: от хирургических инструментов до аппаратов для диагностики и терапии. Используются в устройствах для искусственной вентиляции легких, протезах, реабилитационных роботах и сложных диагностических системах.

Измерительное оборудование и системы неразрушающего контроля

Компактные электродвигатели используются в различных измерительных приборах и системах контроля качества. Они необходимы для приведения в движение механизмов в устройствах ультразвуковой, рентгеновской, магнитно-резонансной диагностики, а также в сканирующих системах для неразрушающего контроля.

Производственное оборудование

На производственных линиях микродвигатели применяются для автоматизации контроля качества продукции. Они управляют механизмами, предназначенными для обработки изделий и проверки на соответствие стандартам.

Нефтегазовая отрасль

Микродвигатели находят применение в оборудовании для мониторинга и управления скважинами, подводных роботах и системах автоматизации процессов добычи. Они исправно выполняют свои функции в экстремальных условиях.

Преимущества применения

Компактные размеры и малый вес

Одно из главных преимуществ микродвигателей — компактность. Эти устройства можно устанавливать в местах с ограниченным пространством, где применение обычных двигателей невозможно. Микроэлектродвигатели используются в системах, где важен каждый грамм нагрузки, например, в робототехнике, медицинском оборудовании. Минимальные размеры не снижают мощность и эффективность работы, позволяя разрабатывать легкие, мобильные устройства с высокими показателями производительности.

Высокая точность и контролируемость

Компактные электродвигатели обеспечивают высокую точность и контроль при работе с различным оборудованием. Это особенно важно в робототехнике, медицинских приборах и измерительных системах.

Многие параметры микродвигателей предусматривают тонкую настройку. Благодаря этому применение микродвигателей оптимально в микрохирургии, управлении манипуляторами и автоматизации производственных процессов.

Как выбрать подходящий микродвигатель

Тип двигателя

В зависимости от задачи следует выбрать подходящий вид микродвигателей. В этом вам поможет таблица, в которой сравниваются плюсы и минусы щеточных и бесщеточных моделей:

Для оборудования, которое не требует высоких скоростей вращения и не критично к уровню шумов, можно выбрать щеточные микродвигатели.

Для медоборудования, высокоточных устройств или требующих высоких скоростей — бесщеточные.

Характеристики и размеры

Микродвигатель должен соответствовать требованиям вашей системы по номинальному напряжению, мощности, крутящему моменту, скорости вращения. Размеры мотора также должны подходить для вашей задачи.

Условия эксплуатации

Учитывайте условия, в которых будет работать микроэлектродвигатель:

• температуру окружающей среды;
• влажность;
• наличие агрессивных веществ;
• уровень вибрации и ударных нагрузок.

Например, если устройство будет установлено в оборудовании, подверженном ударам или вибрациям, стоит выбрать модель с повышенной механической прочностью.

Бренд

Выбирайте микродвигатель от проверенного производителя с хорошей репутацией, который дает гарантию на свою продукцию. В этом случае меньше риск столкнуться с поломками и неполадками в ближайшее время после покупки.

Рекомендации по эксплуатации микроэлектродвигателей

Чтобы микродвигатель исправно работал, нужно его правильно установить и настроить. А в процессе эксплуатации — регулярно проверять и обслуживать.

Установка и подключение

Перед установкой убедитесь, что выбранный двигатель соответствует требованиям вашей системы по характеристикам и условиям эксплуатации.

Надежно закрепите микродвигатель, чтобы не было вибраций и смещений при работе. Для подключения используйте прочные провода достаточной мощности. Соблюдайте правильную полярность.

Режимы работы

Чтобы микродвигатель не вышел из строя раньше срока, соблюдайте рекомендованные режимы работы:

• Избегайте перегрузок. Каждый двигатель имеет свои предельные значения по моменту и скорости. Превышение этих значений может привести к перегреву, ускоренному износу деталей и сокращению срока службы.
• Тепловая защита. Следите за температурой микроэлектродвигателя и не допускайте перегрева. Особенно, если двигатель постоянно работает в режиме, близком к максимальной нагрузке.
• Контроль скорости и момента. Современные системы управления позволяют точно настраивать параметры работы микродвигателей. Но регулировать скорость и крутящий момент нужно плавно — резкие скачки могут привести к перегрузке.

Регулярное техническое обслуживание

Даже самые надежные двигатели требуют периодического обслуживания. Важно регулярно проверять механические соединения и крепления микродвигателя на наличие ослабленных болтов или смещений. В щеточных моделях нужна регулярная чистка, а при необходимости и замена щеток. Также следует вовремя смазывать подшипники, которые требуют регулярной смазки.

Особенности эксплуатации в агрессивных средах

Для защиты от пыли и влаги микродвигатели оснащаются герметичными корпусами. При эксплуатации в агрессивной среде важно следить за состоянием уплотнений и своевременно заменять их при износе.

В условиях повышенной влажности или химически агрессивной среды двигатели должны иметь защиту от коррозии. Это может быть специальное покрытие корпуса или использование нержавеющих материалов для отдельных компонентов.

В условиях высокой температуры или интенсивных нагрузок может потребоваться дополнительное охлаждение двигателя, например, путем установки внешнего вентилятора или системы жидкостного охлаждения.

Ведущие производители микроэлектродвигателей постоянного тока

На рынке высокоточных микродвигателей есть несколько известных производителей, которые предлагают надежные и эффективные решения для различных отраслей.

Constar специализируется на компактных приводных системах для робототехники и медицинского оборудования.

Fulling motor производит экономичные и высокоэффективные микродвигатели для промышленной автоматизации.

E-Drive System и Langyi предлагают микроэлектродвигатели для автомобильной и авиационной отраслей.

AT («Андроидная техника») активно развивает решения для робототехнических систем и оборонных технологий.

Все перечисленные бренды представлены в нашем каталоге