Электродвигатели 36 В

Электродвигатели постоянного и переменного тока на напряжение 36 В: конструкция, сферы применения и технические аспекты

Электродвигатели, рассчитанные на номинальное напряжение 36 вольт, занимают специфическую нишу в современной электротехнике. Данный класс напряжений относится к категории безопасного сверхнизкого напряжения (БСНН) согласно стандартам МЭК 61140 и ГОСТ Р МЭК 536-1, что предопределяет ключевые области их использования. В отличие от двигателей на 220/380 В, они проектируются с учетом требований к повышенной безопасности, компактности и эффективной работе от аккумуляторных батарей или низковольтных источников питания. В данной статье детально рассматриваются типы, конструктивные особенности, параметры и практические аспекты применения электродвигателей на 36 В.

Классификация и принцип действия

Двигатели на 36 В подразделяются на две основные группы, принципиально отличающиеся по конструкции и принципу работы.

1. Двигатели постоянного тока (ДПТ) на 36 В

Наиболее распространенный тип для данного напряжения. Принцип действия основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого обмотками статора (или постоянными магнитами), и тока в проводниках якоря. Подразделяются на:

• ДПТ с постоянными магнитами (ДПТ ПМ): Статор представляет собой постоянный магнит (ферритовый, неодимовый, самариево-кобальтовый). Отличаются простотой конструкции, линейной механической характеристикой, высоким КПД на малых мощностях. Недостаток – риск размагничивания при перегреве или коротком замыкании.
• ДПТ с параллельным, независимым, последовательным и смешанным возбуждением: Магнитное поле создается обмотками возбуждения. В низковольтном сегменте (36 В) сегодня применяются реже, в основном вытеснены ДПТ ПМ и бесщеточными аналогами, за исключением специализированных задач, требующих специфических характеристик (например, высокий пусковой момент у двигателей последовательного возбуждения).

2. Бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) на 36 В

Фактически являются синхронными двигателями с электронной коммутацией. Ротор – постоянный магнит, статор – многофазная обмотка. Управление осуществляется через специализированный контроллер (драйвер), который формирует вращающееся магнитное поле в статоре в зависимости от положения ротора, определяемого датчиками Холла или бессенсорными методами. Преимущества: высокая надежность (отсутствие щеточного узла), высокий КПД, широкий диапазон скоростей, низкий уровень акустического шума.

3. Асинхронные двигатели (АД) на 36 В

Трехфазные асинхронные двигатели на 36 В встречаются реже и используются в специфических промышленных установках с соответствующей низковольтной сетью или от частотных преобразователей. Однофазные конденсаторные АД на 36 В практически не применяются из-за низкой эффективности и экономической нецелесообразности.

Конструктивные особенности и материалы

Конструкция низковольтных двигателей оптимизирована для работы при повышенных токах (по сравнению с высоковольтными аналогами той же мощности).

• Обмотки: Используется провод большего сечения с высококачественной эмалевой изоляцией (класс F, H). В BLDC-двигателях статор часто имеет зубчатую конструкцию для концентрации магнитного потока.
• Магнитные системы: В ДПТ ПМ и BLDC широко применяются редкоземельные магниты (NdFeB), обеспечивающие высокую магнитную индукцию при малых габаритах.
• Подшипниковые узлы: Используются шарикоподшипники закрытого типа, не требующие обслуживания. Для высоконагруженных применений – роликовые подшипники.
• Корпус и охлаждение: Корпуса выполняются из алюминиевого сплава (обеспечивает хороший теплоотвод) или стали. Для двигателей мощностью до 200-300 Вт часто используется естественное охлаждение (ребристый корпус). Для более мощных – принудительное обдувом или жидкостное.
• Щеточный узел (для ДПТ): Графитовые или медно-графитовые щетки, работающие на коллекторе из твердотянутой меди. Требуют периодического обслуживания и замены.

Основные технические характеристики и параметры выбора

При подборе электродвигателя на 36 В необходимо анализировать следующий набор параметров.

Таблица 1. Ключевые параметры электродвигателей на 36 В

Параметр	Описание	Типичный диапазон для 36 В	Единица измерения
Номинальная мощность (PN)	Механическая мощность на валу при номинальных условиях.	От 10 Вт до 5 кВт и более	Вт, кВт
Номинальный момент (MN)	Вращающий момент при номинальной мощности и скорости.	Зависит от мощности и конструкции (M = 9.55 P / n)	Н·м
Номинальная скорость (nN)	Частота вращения вала при номинальной нагрузке.	Для ДПТ: 1000-6000 об/мин. Для BLDC: 1000-20000 об/мин.	об/мин
Номинальный ток (IN)	Потребляемый ток при номинальной нагрузке.	IN = PN / (UN η) – для ДПТ. Для BLDC – из паспорта.	А
КПД (η)	Коэффициент полезного действия.	ДПТ ПМ: 70-85%. BLDC: 80-95%.	%
Степень защиты (IP)	Класс защиты от проникновения твердых тел и воды.	IP20 (открытые), IP54 (брызгозащищенные), IP65 (пылевлагозащищенные).	—
Класс изоляции	Определяет максимально допустимую температуру обмоток.	B (130°C), F (155°C), H (180°C).	—
Перегрузочная способность	Способность выдерживать кратковременные перегрузки по моменту/току.	Обычно 150-200% от номинала в течение 1-2 минут.	%

Сферы применения

Безопасное напряжение 36 В определяет приоритетные области использования данных двигателей.

• Погрузочная и складская техника: Электрокары, штабелеры, тележки (двигатели приводов движения и подъема).
• Мобильная робототехника и AGV: Приводы колес или манипуляторов.
• Специальный электротранспорт: Гольф-кары, инвалидные коляски с электроприводом.
• Подъемно-транспортное оборудование: Низковольтные тали и лебедки.
• Медицинская техника: Приводы медицинских кроватей, стоматологических установок, лабораторного оборудования (требования безопасности).
• Промышленная автоматизация: Приводы конвейеров, рольгангов, позиционирующих столов в условиях повышенной влажности или взрывоопасности (в составе искробезопасных систем).
• Авиация и автономные системы: Вспомогательные приводы в бортовых сетях летательных аппаратов, работающие от аккумуляторов.

Системы управления и питания

Эффективная работа двигателя на 36 В невозможна без правильно подобранной системы управления.

• Для ДПТ: Управление скоростью и моментом осуществляется путем регулирования напряжения на якоре с помощью ШИМ-контроллеров (драйверов). Регулировка может быть одноквадрантной (только двигательный режим) или дву- и четырехквадрантной (с рекуперацией энергии).
• Для BLDC: Обязательно применение специализированного контроллера (инвертора), преобразующего постоянное напряжение 36 В в трехфазное переменное с требуемой частотой и амплитудой. Современные контроллеры реализуют векторное управление, обеспечивая высокую точность по скорости и моменту.
• Источники питания: В стационарных установках – низковольтные выпрямители или импульсные блоки питания с запасом по току 20-30%. В мобильных системах – аккумуляторные батареи, чаще всего свинцово-кислотные (AGM, GEL) или литий-ионные (LiFePO4, NMC). Напряжение полностью заряженной батареи должно соответствовать номинальному напряжению двигателя с учетом падения в цепях.

Расчет и подбор: практический пример

Рассмотрим задачу выбора двигателя для привода конвейера. Исходные данные: требуемый момент на валу M = 2 Н·м, скорость n = 1500 об/мин, режим работы S1 (продолжительный).

1. Рассчитываем требуемую механическую мощность: P = M n / 9.55 = 2 1500 / 9.55 ≈ 314 Вт.
2. Предполагаем использование BLDC-двигателя с КПД η = 0.9. Электрическая мощность: P_el = P / η = 314 / 0.9 ≈ 349 Вт.
3. Номинальный ток: I_N = P_el / U_N = 349 / 36 ≈ 9.7 А.
4. С учетом возможных кратковременных перегрузок выбираем двигатель с номинальными параметрами: 36 В, 350-400 Вт, 1500 об/мин, номинальный ток ~10 А, степень защиты не ниже IP54. Контроллер выбирается с максимальным током не менее 12-15 А.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокий уровень электробезопасности, возможность применения во влажных и опасных помещениях.
• Простота интеграции с системами на аккумуляторных батареях.
• Относительная простота управления (особенно для ДПТ).
• Для BLDC – высокая надежность и срок службы.
• Меньшие требования к изоляции по сравнению с сетевыми двигателями.

Недостатки:

• Более высокие рабочие токи при той же мощности, что требует применения проводников большего сечения и силовой электроники на большие токи.
• Падение напряжения в питающих кабелях становится критичным и требует минимизации длины и увеличения сечения.
• Ограниченная доступность мощных промышленных моделей по сравнению с двигателями на 380 В.
• Необходимость в источнике низкого напряжения (дорогостоящая аккумуляторная батарея или преобразователь).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Вопрос 1: Можно ли подключить двигатель на 36 В к сети 220 В через понижающий трансформатор и выпрямитель?

Ответ: Теоретически да, но с критически важными оговорками. Для ДПТ необходим не просто источник постоянного тока 36 В, а регулируемый источник или ШИМ-контроллер, обеспечивающий стабилизацию скорости и ограничение пускового тока. Прямое подключение к источнику с низким внутренним сопротивлением (например, выпрямитель с большим конденсатором) вызовет огромный пусковой ток и выход двигателя из строя. Для BLDC такое подключение невозможно без штатного контроллера.

Вопрос 2: Что будет, если подать на двигатель 36 В напряжение 24 В или 48 В?

Ответ: При пониженном напряжении (24 В):
— Снизится максимальная скорость холостого хода (пропорционально напряжению).
— Упадет максимальная механическая мощность на валу.
— Увеличится ток при той же нагрузке, что может привести к перегреву.
При повышенном напряжении (48 В):
— Возрастет скорость холостого хода.
— Увеличится риск пробоя изоляции обмоток.
— Возможен повышенный износ щеток и коллектора (для ДПТ).
— Контроллер управления (если есть) может выйти из строя из-за перенапряжения.
Работа при напряжении, отличном от номинального, не рекомендуется и допустима лишь в узком диапазоне, указанном в паспорте изделия (обычно ±10%).

Вопрос 3: Как определить необходимую емкость аккумуляторной батареи для автономной работы двигателя?

Ответ: Емкость (Q) в ампер-часах (А·ч) рассчитывается исходя из потребляемого тока (I) и требуемого времени работы (t): Q = I

• t. Например, если двигатель потребляет 10 А и должен работать 2 часа, необходима батарея емкостью не менее 20 А·ч. Критически важно учитывать:

— Глубину разряда (DoD) батареи. Для свинцово-кислотных не более 50%, для литиевых – 80-90%.
— Падение емкости при высоких разрядных токах (проверять по разрядным характеристикам АКБ).
— Запас 20-30% на потери в контроллере и проводах.
Таким образом, для примера выше, с учетом DoD 50% для свинцовой АКБ, потребуется батарея емкостью 20 А·ч / 0.5 = 40 А·ч.

Вопрос 4: Чем принципиально отличается управление ДПТ и BLDC?

Ответ: Управление ДПТ (с постоянными магнитами) сводится к регулировке напряжения на якоре, что легко реализуется одним силовым ключом (транзистором) с ШИМ. Изменение направления вращения (реверс) осуществляется переполюсовкой напряжения на якоре. Управление BLDC – значительно сложнее. Требуется трехфазный мостовой инвертор (6 ключей) и система управления, которая в реальном времени определяет положение ротора и коммутирует обмотки статора в строгой последовательности. Это обеспечивает более высокую эффективность, но и увеличивает сложность и стоимость системы.

Вопрос 5: Как выбрать между щеточным ДПТ и бесщеточным BLDC двигателем на 36 В?

Ответ: Выбор основан на требованиях к применению:
— Выбирайте ДПТ (щеточный), если: критична минимальная стоимость системы, не требуется длительный срок службы (более 1000-2000 часов), система управления должна быть максимально простой, допустимы искрение и необходимость периодического обслуживания (замена щеток).
— Выбирайте BLDC, если: требуются высокий КПД, большой срок службы (десятки тысяч часов), высокая надежность, широкий диапазон регулирования скорости, низкий уровень шума и электромагнитных помех, отсутствие обслуживания. BLDC предпочтительнее для ответственных и непрерывных производственных процессов.

Заключение

Электродвигатели на напряжение 36 В представляют собой технически зрелый и востребованный класс продукции, оптимальный для систем, где приоритетами являются безопасность персонала, автономность от сети или работа в особых условиях. Современный рынок предлагает решения от классических щеточных ДПТ до высокотехнологичных BLDC-приводов. Корректный выбор двигателя требует комплексного анализа механических, электрических и эксплуатационных параметров, а также грамотного проектирования системы питания и управления. Понимание принципов работы, характеристик и ограничений данных двигателей позволяет инженерам и специалистам по электрооборудованию эффективно интегрировать их в создаваемые системы, обеспечивая надежность, экономичность и безопасность эксплуатации.