Отличия коллекторных и бесколлекторных двигателей

Особенности конструкции

Для лучшего понимания данного вопроса следует подробнее рассмотреть, что легло в основу представленного устройства. Тип электродвигателя коллекторный универсальный представляет собой прибор постоянного тока, имеющий последовательно включенные обмотки возбуждения, оптимизированные для работы на переменном токе бытовой сети электрического питания. Вращение двигателя происходит в одну сторону вне зависимости от полярности. Это связано с тем, что обмоток статора и ротора приводит к одновременной смене их магнитных полюсов, а благодаря этому результирующий момент направляется в одну сторону.

Коллекторный и бесколлекторный двигатель

Чем отличаются коллекторные двигатели от бесколлекторных, главные преимущества и недостатки обоих типов.

Щеточные электродвигатели постоянного тока

Электродвигатели работают за счет сил Лоренца, которые возникают при прохождении электрического тока через обмотки, расположенные в магнитном поле. Воздействие этих сил заставляет ротор поворачиваться вокруг своей оси. Крутящий момент, создаваемый силой Лоренца, является векторным произведением, что означает, что когда полюса электромагнитов, образованных обмотками ротора, выровнены с противоположными полюсами магнитов статора, сила падает до нуля, а ротор прекращает вращение.

Отсутствие датчика

Для определения положения ротора необходимо проводить измерение напряжения на незадействованную обмотку. Данный способ применим при вращении двигателя, иначе он не будет действовать.
Бездатчиковые регуляторы хода изготавливаются легче, это объясняет их широкое распространение.

Контроллеры обладают следующими свойствами:

значение максимального постоянного тока;
значение максимального рабочего напряжения;
число максимальных оборотов;
сопротивление силовых ключей;
импульсная частота.

При подключении контроллера важно делать провода, как можно короче. Из-за возникновения бросков тока на старте

Если провод длинный, то могут возникнуть погрешности определения положения ротора. Поэтому контроллеры продаются с проводом 12 — 16 см.

Контроллеры обладают множеством программных настроек:

контроль выключения двигателя;
плавное или жёсткое выключение;
торможение и плавное выключение;
опережение мощности и КПД;
мягкий, жесткий, быстрый старт;
ограничения тока;
режим газа;
смена направления.

Контроллер LB11880, изображенный на рисунке, содержит драйвер бесколлекторного двигателя мощной нагрузки, то есть можно запустить двигатель напрямую к микросхеме без дополнительных драйверов.

Описание ВД

Этот тип двигателя создан с целью улучшения свойств электродвигателей постоянного тока . Высокие требования к исполнительным механизмам (в частности, высокооборотных микроприводов точного позиционирования) обусловили применение специфических двигателей постоянного тока: бесконтактных трехфазных двигателей постоянного тока (БДПТ или BLDC). Конструктивно они напоминают синхронные двигатели переменного тока: магнитный ротор вращается в шихтованом статоре с трехфазными обмотками. Но обороты являются функцией от нагрузки и напряжения на статоре. Эта функция реализована с помощью переключения обмоток статора в зависимости от координат ротора. БДПТ существуют в исполнении с отдельными датчиками на роторе и без отдельных датчиков. В качестве отдельных датчиков применяются датчики Холла. Если выполнение без отдельных датчиков, то в качестве фиксирующего элемента выступают обмотки статора. При вращении магнита, ротор наводит в обмотках статора ЭДС, в результате чего возникает ток. При выключении одной обмотки измеряется и обрабатывается сигнал, который был в ней наведен. Этот алгоритм требует процессора обработки сигналов. Для торможения и реверса БДПС не нужна мостовая схема реверса питания — достаточно подавать управляющие импульсы на обмотки статора в обратной последовательности.

Основным отличием ВД от синхронного двигателя является его самосинхронизация с помощью ДПР, в результате чего у ВД, частота вращения поля пропорциональна частоте вращения ротора.

Статор

Статор бесколлекторного электродвигателя

Статор имеет традиционную конструкцию и похож на статор асинхронной машины . Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки,уложенной в пазы по периметру сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. Для самозапуска и вращения достаточно двух фаз — синусной и косинусной. Обычно ВД трёхфазные, реже- четырёхфазные.

По способу укладки витков в обмотки статора различают двигатели имеющие обратную электродвижущую силу трапецеидальной (BLDC) и синусоидальной (PMSM) формы. По способу питания фазный электрический ток в соответствующих типах двигателя также изменяется трапецеидально или синусоидально.

Ротор

Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до восьми пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов.

Вначале для изготовления ротора использовались ферритовые магниты. Они распространены и дёшевы, но им присущ недостаток в виде низкого уровня магнитной индукции. Сейчас получают популярность магниты из сплавов редкоземельных элементов , так как они позволяют получить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.

Датчик положения ротора

Датчик положения ротора (ДПР) реализует обратную связь по положению ротора. Его работа может быть основана на разных принципах — фотоэлектрический , индуктивный, на эффекте Холла , и т. д. Наибольшую популярность приобрели датчики Холла и фотоэлектрические, так как они практически безинерционны и позволяют избавиться от запаздывания в канале обратной связи по положению ротора.

Фотоэлектрический датчик, в классическом виде, содержит три неподвижных фотоприёмника, которые поочерёдно закрываются шторкой вращающейся синхронно с ротором. Это показано на рисунке 1 (желтая точечка). Двоичный код, получаемый с ДПР, фиксирует шесть различных положений ротора. Сигналы датчиков преобразуются управляющим устройством в комбинацию управляющих напряжений, которые управляют силовыми ключами, так, что в каждый такт (фазу) работы двигателя включены два ключа и к сети подключены последовательно две из трёх обмоток якоря. Обмотки якоря U, V, W

расположены на статоре со сдвигом на 120° и их начала и концы соединены так, что при переключении ключей создаётся вращающийся градиент магнитных полей.

Бесколлекторный двигатель

Если в коллекторном двигателе всё приходит в действие за счёт механики, то в бесщёточном — чистая электроника. Также позиции некоторых элементов в конструкции меняются местами. В коллекторном двигателе обмотки находились на роторе, а постоянные магниты — на статоре. У бесколлеторного — постоянные магниты переносятся на ротор, а катушки с обмоткой располагаются на статоре. Также ротор и статор могут менять свои позиции: есть модели двигателей с внешним ротором. Здесь отсутствуют щётки и коллектор, вместо них добавлен микропроцессор (контроллер) и кулер для охлаждения системы. Микропроцессор контролирует положение ротора, скорость вращения, равномерное распределение напряжения по катушкам обмотки.

Основные типы бесщёточного двигателя :

Тип двигателя с внешним ротором

Расположение ротора и статора в бесщёточном двигателе DigiPro

Вывод:

Несомненно бесколлекторные двигатели ориентированы на профессиональные работы с приличной нагрузкой. Несмотря на высокие показатели усовершенствованного типа двигателя, его единственный недостаток бьёт по кошельку. И перед тем, как приобретать инструмент на том или ином двигателе, прежде всего надо поставить перед собой вопрос: для каких целей он нужен. Уже исходя из ответа делать свой выбор.

Сколько людей — столько и мнений. Компания Greenworks старается делать качественную продукцию на разных типах двигателя, чтобы каждый мог подобрать себе инструмент по предпочтениям, функционалу и необходимой мощности под конкретные задачи, которые у каждого клиента свои. Именно поэтому, например, в разделе «Ручной инструмент» Вы можете наблюдать один тип агрегата на коллекторном и бесколлекторном двигателях. Какой лучше? Выбор за Вами!

Источник

Устройство, плюсы и минусы

Электрические шуруповерты отличаются друг от друга принципом питания: бывают сетевые с питанием в 220 вольт и переносные, оснащенные аккумулятором. Кроме того, модели могут быть оснащены ударным механизмом. Других принципиальных новшеств не внедрено за последнее десятилетие за исключением одного – бесщеточный механизм.

Щеточный шуруповерт

Самый распространенный тип – коллекторный мотор установлен на большинстве моделей. Его принцип работы прост: обмотки переключаются механическим путем и в якорной цепи. Контакты – коллектор, а энергия передается благодаря подпружиненным щеткам.

Сильные стороны:

старая, надежная технология;
низкая стоимость деталей;
простота и понятность ремонта.

Недостатки:

коллектор приводят к потерям электроэнергии, а значит – более низкому КПД;
возникновение искр, нагрев мотора;
взаимозависимость оборотов и крутящего момента;
мощностные потери при реверсной работе;
быстрый износ;
потери оборотов при нагрузке.

Слабостей у щеточного мотора много, но их можно оправдать дешевыми комплектующими и простотой ремонта – это более доступный вариант.

Бесщеточный шуруповерт

С инверторными моделями ситуация обратная. Они эффективнее и более пригодны для работы. Преимущества:

возможность контроля частоты вращения: пользователь получает широкий диапазон настроек – оборот можно подправить, в зависимости от характера работы и обрабатываемой поверхности.
двигатель не предусматривает коллекторно-щеточный узел, а значит, инструмент будет реже ломаться (если его правильно эксплуатировать), а техническое обслуживание не вызовет проблем ввиду простоты конструкции;
модели эффективнее справляются с увеличенной нагрузкой, вызванной большим крутящим моментом;
электроэнергия аккумулятора, если это переносной шуруповерт, расходуется экономнее;
более высокий КПД – бесщеточный двигатель выдает 90%;
возможность эксплуатации инструмента в опасной среде: рядом с газовыми смесями и горючими веществами (инверторный двигатель работает без искры);
в прямом и реверсном режиме поддерживается одинаковая мощность;
повышенная нагрузка не приводит к снижению скорости вращения.

Слабые стороны:

высокая стоимость;
большие размеры корпуса, если сравнивать с щеточными моделями – это мешает работать на вытянутой руке или проникать в узкие места.

При выборе важно уделить внимание типу аккумулятора внутри шуруповерта. Если рассудить правильно, то инструмент долгие годы прослужит хозяину верой и правдой без потери в производительности

Выбор типа электродвигателя для механизма

Нижний порог для выбора между компонентами любого типа — это тип приложения и ограничение затрат для конечного продукта. Например, игрушечный робот, ориентированный на детей от шести до восьми лет, может потребовать от четырех до девяти электродвигателей. Они могут быть коллекторными или бесколлекторными машинами постоянного тока или их компоновкой.

Если данный робот выполняет только основные движения или входит в игрушечный набор, нет необходимости применять бесколлекторные BLDC машины, которые стоят дороже, чем их коллекторные аналоги. Игрушка или набор, вероятно, попадут в мусорный ящик задолго до того, как щетки электрической машины выйдут из строя.

Типичные электроприводы с электродвигателем постоянного тока включают моторизованные игрушки, приборы и компьютерную периферию. Авто их к электроприводам окон, сидений и другим конструкциям в салоне из-за их низкой стоимости и простого исполнения.

Бесколлекторные электродвигатели более универсальны, главным образом из-за их «сообразительности» в отношении скорости и крутящего момента. Они также поставляются в компактных корпусах, что делает их «жизнеспособными» для различных небольших конструкций. Типичные приложения включают компьютерные жесткие диски, механические мультимедийные проигрыватели, вентиляторы с электронным управлением, беспроводные электроинструменты, HVAC и холодильные установки, промышленные и производственные системы и CD приводы.

Автомобильная промышленность применяет бесколлекторные BLDC машины для электрических и гибридных автомобилей. Эти электродвигатели представляют собой, по существу, синхронные машины с постоянными магнитами в роторе. Другие уникальные применения включают электрические велосипеды, где двигатели устанавливаются в колеса или колпаки, промышленное позиционирование и управление, монтажные роботы и линейные приводы для управления клапаном.

Выбор подходящего двигателя

Чтобы подобрать агрегат, необходимо сравнить принцип работы и особенности коллекторных и бесколлекторных двигателей.

Слева направо: коллекторный двигатель и двигатель ФК 28-12 бесколлекторный

Коллекторные стоят меньше, но развивают невысокую скорость вращения крутящего момента. Они работают от постоянного тока, имеет небольшой вес и размер, доступный ремонт по замене деталей. Проявление негативного качества выявляется при получении огромного количества оборотов. Щетки контактируют с коллектором, вызывая трение, что может повредить механизм. Работоспособность агрегата снижается.

Щеточки не только требуют ремонта из-за быстрого износа, но и могут привести к перегреву механизма.

Главным преимуществом бесколлекторного двигателя постоянного тока является неимение контактов крутящего момента и переключения. Значит отсутствие источников потерь, как в двигателях с постоянными магнитами. Их функции выполняют транзисторы МОП. Ранее их стоимость была высокой, поэтому они не были доступны. Сегодня цена стала приемлемой, а показатели значительно улучшились. При отсутствии в системе радиатора, мощность ограничивается от 2,5 до 4 ватт, а ток работы от 10 до 30 Ампер. КПД бесколлекторных электродвигателей очень высокий.

Вторым преимуществом выступает настройки механики. Ось устанавливается на широкоподшипники. В структуре нет ломающих и стирающихся элементов.

Рассмотрим, пример механики ЧПУ станка со шпинделем.

Замена коллекторного двигателя на бесколлекторный оградит от поломки шпинделя для ЧПУ. Под шпинделем имеется в видувал, обладающий правыми и левыми оборотами крутящего момента. Шпиндель для ЧПУ обладает большой мощностью. Скорость крутящего момента контролируется регулятором сервотестором, а обороты управляются автоматом контроллером. Стоимость ЧПУ со шпинделем около 4 тысяч рублей.

Наверняка у каждого новичка в какой-то момент увлечения RC моделями появляется вопрос: что выбрать — коллекторный и бесколлекторный двигатель?

Коллекторные моторы имеют всего два исходящих питающих провода. Один из них « + » другой « — ». В свою очередь они подключаются к регулятору скорости вращения. Разобрав коллекторный мотор, вы всегда там найдете 2-а магнита изогнутой формы, вал совместно с якорем, на который намотана медная нить (проволока), где по одну сторону вала стоит шестерня, а по другую сторону располагается коллектор, собранный из пластин, в составе которых чистая медь.

Принцип работы коллекторного двигателя

Электрический ток (DC или direct current), поступая на обмотки якоря (в зависимости от их количества на каждую по очереди) создает в них электромагнитное поле, которое с одной стороны имеет южный полюс, а с другой стороны северный. Электромагнитное поле, возникшее в любой из обмоток якоря, взаимодействуя с каждым из полюсов магнитов статора, приводит в действие (вращение) сам якорь. Далее ток, через коллектор и щетки переходит к следующей обмотке и так последовательно, переходя от одной обмотки якоря к другой, вал электродвигателя совместно с якорем вращается, но лишь до тех пор, пока к нему подается напряжение. В стандартном коллекторном моторе якорь имеет три полюса (3-ри обмотки) ‑ это сделано для того чтобы движок не «залипал» в одном положении.

Минусы коллекторных моторов

Сами по себе коллекторные моторы неплохо справляются со своей работой, но лишь до того момента, пока не возникает необходимость получить от них на выходе максимально высокие обороты. Все дело в тех самых щетках, о которых упоминалось выше. Т.к. они всегда находятся в плотном контакте с коллектором, то в результате высоких оборотов в месте их соприкосновения возникает трение, которое в дальнейшем вызовет скорый износ обоих и в последствии приведёт к потере эффективной мощности двигателя. Это самый весомый минус таких моторов.

Принцип работы бесколлекторного мотора

Здесь все наоборот, у моторов отсутствуют как щетки, так и коллектор. Магниты в них располагаются строго вокруг вала и выполняют функцию ротора. Обмотки, которые имеют уже несколько магнитных полюсов, размещаются вокруг него. На роторе бесколлектоных моторов устанавливается так называемый сенсор (датчик) который будет контролировать его положение и передавать эту информацию процессору который работает в купе с регулятором скорости вращения. На выходе мы получаем более плавную работу самого мотора с максимальной отдачей.

Бесколлекторные моторы могут быть с датчиком (сенсором) и без него. Отличить друг от друга их просто. У моторов с датчиком, помимо 3-х толстых проводов питания, есть еще дополнительный шлейф из тонких проводков, которые идут к регулятору скорости.

Плюсы бесколлекторных моторов

Почти нет изнашиваемых деталей. Почти, потому что вал ротора устанавливается на подшипники, которые в свою очередь имеют свойство изнашиваться, но ресурс у них крайне велик, да и взаимозаменяемость их очень проста. Такие моторы очень надежны и эффективны. Устанавливается датчик контроля положения ротора. На коллекторных моторах работа щеток всегда сопровождается искрением, а этот факт вызывает помехи в работе радиоаппаратуры, так вот у бесколлектоных как вы уже поняли, эти проблемы исключены. Нет трения, нет перегрева, а это так же существенное преимущество. По сравнению с коллекторными моторами не требуют дополнительного обслуживания в процессе эксплуатации.

Минусы бесколлекторных моторов

У таких моторов минус только один — это цена. Но если учесть тот факт, что эксплуатация таких моторов освобождает владельца сразу от заморочек в виде замены пружин, якоря, щеток, коллекторов, то есть смысл переплатить.

Другие сравнения

При сопоставлении коллекторных и асинхронных двигателей одинаковой мощности, вне зависимости от номинальной частоты последних, получается разная характеристика. Далее это будет описано подробнее. Универсальный коллекторный электродвигатель реализует «мягкую» характеристику. В данном случае момент прямо пропорционален нагрузке на валу, при этом обороты обратно пропорциональны ей. Номинальный момент обычно меньше максимального в 3-5 раз. Ограничение оборотов холостого хода характеризуется исключительно потерями в двигателе, при этом при включении мощного агрегата без нагрузки он может разрушиться.

Характеристикой асинхронного двигателя является «вентиляторная», то есть агрегат поддерживает частоту вращения, приближенную к номинальной, увеличивая момент максимально резко при незначительном снижении оборотов. Если речь идет о значительном изменении этого показателя, то момент двигателя не только не растет, но и падает до нулевой отметки, что приводит к полной остановке. Обороты холостого хода немного превышают номинальные, при этом остаются постоянными. Характеристикой однофазного асинхронного двигателя является дополнительный набор проблем, сопряженных с запуском, так как он не развивает пускового момента в нормальных условиях. Магнитное поле однофазного статора, пульсирующее во времени, распадается на два поля с противоположными фазами, из-за чего пуск без всевозможных ухищрений становится невозможным:

Емкость, создающая искусственную фазу;

Расщепленный паз;

Активное сопротивление, формирующее искусственную фазу.

Теоретически поле, вращающееся в противофазе, снижает максимальный КПД однофазного асинхронного агрегата до 50-60% из-за потерь в перенасыщенной магнитной системе и обмотках, нагружаемых токами противополя. Получается, что на одном валу находятся две электрические машины, при этом одна работает в двигательном режиме, а вторая — режиме противовключения. Получается, что электродвигатели однофазные коллекторные не знают конкурентов в соответствующих сетях. Чем и заслужили столь высокую популярность.

Механические характеристики электродвигателя обеспечивает ему определенную сферу использования. Малые обороты, ограниченные частотой сети переменного тока, делают асинхронные агрегаты аналогичной мощности большими по весу и размеру в сравнении с универсальными коллекторными. Однако при включении в цепь питания инвертора с высокой частотой можно добиться соизмеримых размеров и веса. Остается жесткость механической характеристики электродвигателя, к которой добавляются потери на токопреобразование, а также увеличение частоты, повышаются магнитные и индуктивные потери.

Принцип работы ВД

Принцип работы ВД основан на том, что контроллер ВД коммутирует обмотки статора так, чтобы вектор магнитного поля статора всегда был ортогонален вектору магнитного поля ротора. С помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) контроллер управляет током, протекающим через обмотки ВД, т.е. вектором магнитного поля статора, и таким образом регулируется момент, действующий на ротор ВД. Знак у угла между векторами определяет направление момента действующего на ротор.

Коммутация производится так, что поток возбуждения ротора — Ф 0

поддерживается постоянным относительно потока якоря. В результате взаимодействия потока якоря и возбуждения создаётся вращающий момент
M
, который стремится развернуть ротор так, чтобы потоки якоря и возбуждения совпали, но при повороте ротора под действием ДПР происходит переключение обмоток и поток якоря поворачивается на следующий шаг.

В этом случае и результирующий вектор тока будет сдвинут и неподвижен относительно потока ротора, что и создаёт момент на валу двигателя.

В двигательном режиме работы МДС статора опережает МДС ротора на угол 90°, который поддерживается с помощью ДПР. В тормозном режиме МДС статора отстаёт от МДС ротора, угол 90° так же поддерживается с помощью ДПР.

Достоинства и недостатки

Для сравнения используются следующие условия: приборы подключены к бытовой электрической сети с напряжением 220 вольт и частотой 50 Гц, мощность двигателей при этом одинакова. Разность в механических характеристиках устройств может быть недостатком или достоинством в зависимости от того, какие предъявляются требования к приводу.

Итак, коллекторный электродвигатель переменного тока: достоинства в сравнении с агрегатом постоянного тока:

Включение в сеть производится напрямую, при этом нет необходимости в использовании дополнительных компонентов. В случае с агрегатом постоянного тока требуется выпрямление.

Пусковой ток гораздо меньше, что весьма важно для устройств, используемых в быту. При наличии управляющей схемы ее устройство гораздо проще — реостат и тиристор

Если электронный компонент выйдет их строя, то коллекторный электродвигатель, цена которого зависит от мощности и составляет от 1400 рублей и более, останется работоспособным, но будет сразу же включаться на полную мощность

При наличии управляющей схемы ее устройство гораздо проще — реостат и тиристор. Если электронный компонент выйдет их строя, то коллекторный электродвигатель, цена которого зависит от мощности и составляет от 1400 рублей и более, останется работоспособным, но будет сразу же включаться на полную мощность.

Имеются и определенные недостатки:

За счет потерь на перемагничивание статора и индуктивность общий КПД заметно снижается.

Максимальный момент тоже уменьшен.

Электродвигатели однофазные коллекторные обладают определенными достоинствами в сравнении с асинхронными:

Компактность;

Отсутствие привязки к сетевой частоте и быстроходность;

Значительный пусковой момент;

Пропорциональное снижение и увеличение оборотов в автоматическом режиме, а также увеличение момента при возрастании нагрузки, при этом напряжение питания остается неизменным;

Регулирование оборотов может быть плавным в довольно широком диапазоне посредством изменения питающего напряжения.

Как работает бесщеточный двигатель

В 1970-х годах произошел скачок в сфере полупроводниковой электроники, благодаря которому было решено устранить коллектор и щетки в двигателях постоянного тока. В бесщеточном двигателе усилитель заменил собой механические соединения контактов. Электронный датчик понимает угол поворота ротора и способен контролировать полупроводниковые переключатели. Отказ от скользящих контактов привел к снижению трения в механизме, а значит, и увеличению срока службы.

Бесщеточный двигатель в шуруповерте гораздо эффективнее и меньше страдает от износа. Также он гораздо тише и обеспечивает высокий крутящий момент. Внутренние элементы полностью закрываются, благодаря чему грязь и вода не попадают внутрь. Эффективность преобразования энергии в силу позволяет получить высокий КПД.

На скорость вращение влияет не центробежная сила, а напряжение, потому двигатель может работать в заданном режиме без перебоев. Если ток начнет просачиваться или мотор намагнитится – производительность не пострадает, а скорость не отстанет от момента вращения.

При эксплуатации механизма нет нужны в использовании коммутатора и обмотки, а магнит гораздо меньше, как по массе, так и по габаритам, если сравнивать с щеточным конкурентом.

Такое решение применяется в шуруповертах, мощность которых не переходит за 5 кВт. Их неразумно устанавливать в моделях с большими параметрами. Магниты внутри корпуса чувствительны к магнитному полю и сильному нагреву.

Разница щеточного и бесщеточного шуруповерта в принципе работы двигателя:

Ток переключается не в роторе, а в обмотках статора. На якоре не достает катушки, магнитное поле образуется благодаря специальным магнитам внутри корпуса.
Миг, когда требуется подача электричества, определяется встроенными датчиками. Они работают по принципу эффекта Холла. ДПР импульсы и регуляторные сигналы скорости проходят через встроенный процессор, где и формируются. Это называется ШИМ сигналом.
Образованные импульсы в порядке друг за другом направляются на инверторы или, если проще, усилители – они увеличивают полученный ток. Их выходы связаны с обмоткой на статоре. Инверторы необходимы для коммутирования тока, возникающего в катушках, следуя импульсам, которые подаются из узла внутреннего процессора.

В результате описанного процесса формируется магнитное поле, которое связывается с тем, что вокруг ротора. Якорь начинает вращение – инструмент работает.

Делаем выбор

Решение о выборе типа двигателя является простым и сложным одновременно. Даже при существовании основных принципов выбора могут возникнуть ситуации, которые будут исключением из правил. Каждый тип двигателя отличается характеристиками скорости, угла поворота против крутящего момента, остановки. При выборе необходимо сопоставить желаемые функции и ограничения готового устройства с параметрами двигателя.

В большинстве случаев коллекторный и бесколлекторный двигатели не подходят для решений, в которых необходим шаговый вариант. Он лучше подходит для постоянного чередования запуска/остановки/позиционирования, в то время как первые два более пригодны для непрерывной работы. При выборе между коллекторным и бесколлекторным двигателями рассмотрите следующие аспекты:

коллекторные двигатели имеют меньший срок службы, чем двигатели BLDC; в первом случае срок службы зависит от износа подшипников и щеточного механизма, во втором срок ограничен только износом подшипников. Кроме того, щетки, быстро собирающие проводящую пыль, могут загрязнять другие поверхности;
высококачественные коллекторные двигатели могут достигать скорости 10 000 об/мин, в то время как конструкции двигателей BLDC позволяют увеличить эту скорость в 5 или даже в 10 раз;
коллекторные двигатели могут работать непосредственно от источника питания и, следовательно, нуждаются только в двух проводах, в то время как двигатели BLDC нуждаются в электронной коммутации, и в этом случае необходимо не менее трех проводов плюс провода датчика;
КПД обоих типов примерно одинаков, а вот источники потерь в них различаются. Для коллекторных двигателей большая их часть возникает в обмотках и при трении, связанном со щеточным механизмом, в то время как двигатели BLDC испытывают те же потери в обмотках, плюс дополнительные потери от вихревых токов, которые растут с увеличением скорости;
схема управления для шаговых двигателей изначально является гораздо более сложной, чем для коллекторных, но новые интегральные схемы, например, разработки STMicroelectronics, практически устраняют эти различия;
маломощный коллекторный двигатель, например, для недорогой игрушки, может быть наиболее экономичным решением в плане электропроводки и электроники управления (если она есть), но при этом он может обеспечить весьма ограниченную производительность.

Разновидности

Трехполюсной ротор на подшипниках скольжения;

Двухполюсной статор на постоянных магнитах;

В качестве щеток коллекторного узла.

Этот набор характерен для самых маломощных решений, используемых обычно в детских игрушках, где не требуется большая мощность. В состав более мощных двигателей включается еще несколько конструктивных элементов:

Четыре графитовые щетки в виде коллекторного узла;

Ротор с несколькими полюсами на подшипниках качения;

Статор из постоянных магнитов с четырьмя полюсами.

Чаще всего устройство электродвигателя такого типа используется в современных автомобилях для реализации привода вентилятора системы охлаждения и вентиляции, насосов омывателей, дворников и прочих элементов. Существую и более сложные агрегаты.

Мощность электродвигателя в несколько сотен ватт предполагает использование в составе четырехполюсного статора, выполненного из электромагнитов. Для подключения его обмоток может использоваться один из нескольких способов:

Последовательно с ротором. В данном случае получается большой максимальный момент, однако из-за больших оборотов холостого хода велик риск повреждения двигателя.

Параллельно с ротором. В данном случае обороты остаются стабильными в условиях изменяющейся нагрузки, однако максимальный момент заметно меньше.

Смешанное возбуждение, когда часть обмотки подключается последовательно, а часть параллельно. В данном случае совмещены достоинства предыдущих вариантов. Используется этот тип для стартеров автомобилей.

Независимое возбуждение, при котором используется отдельный источник питания. В данном случае получаются характеристики, соответствующие параллельному подключению. Используется этот вариант довольно редко.

Коллекторный электродвигатель обладает определенными достоинствами: их просто изготавливать, ремонтировать, эксплуатировать, а их ресурс работы достаточно велик. В качестве недостатков обычно выделяется следующий: эффективные конструкции подобных устройств обычно являются быстроходными и низкомоментными, поэтому большинство приводов требует установки редукторов. Это утверждение вполне обосновано, так как электрическая машина, ориентированная на низкую скорость, характеризуется заниженным КПД, а также связанными с этим проблемами охлаждения. Последние таковы, что для них сложно найти изящное решение.

Бесколлекторные электродвигатели постоянного тока (BLDC)

В самом названии уже можно увидеть коренное различие между этими машинами. В BLDC машинах отсутствуют щетки, что делает их конструкцию заметно сложнее. Бесщеточная машина постоянного тока имеет четыре или более постоянных магнита в роторе.

Эффективность – основная фишка данных машин. Поскольку ротор имеет постоянные магниты, он не нуждается в источнике напряжения, следовательно, нет физического подключения. Нет подключения – нет щеточно-коллекторного узла, соответственно, исчезают все проблемы связанные с ним. Но есть и минус – такой тип электрических машин должен иметь электронную систему управления положением ротора в пространстве. Для анализа поворотов машины и выработки управляющих импульсов в нужный момент используют микроконтроллер, а для отслеживания поворота вала в пространстве – поворотные датчики или датчики на основе эффекта Холла.

Электродвигатели BLDC представляют собой синхронные машины, что означает, что магнитные поля ротора и статора вращаются с одинаковой частотой. Они могут иметь одно-, двух- и трехфазные конфигурации.

Коллекторный двигатель

Коллекторным двигателем называют электромашину, состоящею из нескольких важных деталей. Основным элементом считается коллектор – барабан медного цвета. Имеется подвижная (ротор) и неподвижная часть (статор), обмотка якоря, специальная щетка, вентилятор, сердечник и обмотка полюса.

Также наблюдаются 2 исходящих питающих провода (положительный и отрицательный). Принцип работы устройства базируется на качественном преобразовании электрической энергии в механическую. Вначале происходит создание электромагнитного поля в пределах якорных обмоток.

Образованное в якоре поле начинает взаимодействовать с полюсами статора, что приводит к движению якоря. Постепенно образовавшийся ток через щетки и коллектор попадает на следующую обмотку. Движение тока заставляет одновременно вращаться вал и якорь. Радиоуправляемые модели с подобными агрегатами работают от постоянного тока.

Коллекторные двигатели делятся на несколько видов. Классификация приборов зависит от типа их питания. Специалисты выделяют универсальные и постоянные КД.

Универсальные агрегаты способны функционировать от переменного и постоянного источника электропитания. Простые в использовании и компактные по размеру электромашины востребованы благодаря своей стоимости.

Второй вид коллекторного двигателя знаменит высоким пусковым моментом. Простая конструкция с плавным управлением частоты вращения. Функционирование агрегата осуществляется на постоянных магнитах или при помощи специальных катушек возбуждения.

Преимуществами таких двигателей считают габариты и вес конструкции. К достоинствам относят и стоимость агрегата.

Обсуждаемый КД встречается в разных бытовых электроприборах, таких как стиральная машина, пылесосы, детские игрушки, а также силовые установки.

И все же некоторые производители отдают предпочтение бесколлекторным устройствам.

Двигатель коллекторного типа

Под понятие коллекторных двигателей попадают различные электромашины, где переключатель тока и роторный датчик по сути являются одним устройством. С его помощью обеспечивается качественное соединение цепей в неподвижном отсеке двигателя с рабочим ротором.

Внешний вид коллекторного двигателя

Конструкция включает в себя мощные щётки и непосредственно сам коллектор. Интересно и то, что коллекторный тип мотора обладает преимуществом в виде простоты ухода и эксплуатации, легко ремонтируется и долго служит. Но есть и недостаток, проявляющийся в малом весе при большом КПД. Изначально это может показаться преимуществом. Быстроходность вместе с малым весом вынуждают использовать дополнительно хороший редуктор, иначе нормально эксплуатировать моторчик не получится.

Если же машины подстроить под меньшие значения скорости, то моментально упадёт коэффициент полезного действия. Это, в свою очередь, негативно отразится на эффективности охлаждения.

Многих интересует, что же значит коллекторный двигатель. Фактически это электромашина переменного тока, способная с лёгкостью преобразовывать постоянный ток в механическую полезную энергию. При этом минимум одна обмотка соединяется с основным коллектором.

В зависимости от комплектации и входящих в состав моторчика компонентов, коллекторные двигатели (КД) могут применяться в игрушках, радиоуправляемых моделях и в автомобильных, выступая в качестве составляющего элемента системы охлаждения, вентиляции, стеклоочистителей, насосов омывателя ветрового стекла и пр.

Ведущим производителям удалось создать универсальные моторы коллекторного типа, которые способны функционировать на всех видах тока, то есть на переменном и постоянном. Они нашли широкое применение при создании электрических инструментов, бытовой техники, на ЖД транспорте. Их преимущество в небольшом весе и компактных размерах при достаточно адекватной цене.

Независимо от того, какая полярность у двигателя, этот электромотор будет всегда осуществлять вращения только в одном направлении, то есть в одну неизменную сторону. Это объясняется последовательным соединением роторным и статорных обмоток, что провоцирует одновременную смену полюсов. Потому момент всегда направлен в одну и ту же сторону.

Базовыми составляющими компонентами КД являются:

Двухполюсный статор, имеющий в своей основе постоянные магниты. В конструкции используются изогнутые магниты соответствующей формы;
Ротор трёхполюсного типа. Здесь также применяются специфические подшипники, обладающие эффектом скольжения;
Пластины из меди. Они применяются в роли щёток для двигателя коллекторного типа.

Набор действительно минимальный, потому встречается в основном в наиболее бюджетных и простых версиях коллекторных электромоторов. В их числе моторчики детских игрушек, которые не нуждаются в повышенной мощности.

Если вы хотите получить более качественный КД, тогда в его состав добавляют:

многополюсные роторы с подшипниками качения;
графитовые щётки;
четырёхполюсный статор на основе постоянных магнитов.

Чтобы добиться высокой эффективности, в состав КД включили несколько основных компонентов. А именно:

Коллектор. Фактически основообразующий элемент двигателя, вступающий в контакт с рабочими щётками. В итоге эти два компонента начинают распределять электроток по катушкам якорной обмотки;
Статор. Выступает в качестве неподвижной составляющей двигателя;
Якорь. Обязательный элемент коллекторных электромоторов. Внутри него индуцирует электродвижущая сила и проходит ток. Важно добавить, что якорем может выступать ротор и статор;
Индуктор. Особая система возбуждения, входящая в состав электромотора коллекторного типа. Служит для создания магнитного потока для того, чтобы вовремя создавать крутящий момент. На индукторе обязательно присутствует возбуждающая обмотка или постоянные машины;
Щёточки. Щётки входят в состав цепи, по которой следует электрическая энергия от поставщика к якорю. Щётки изготавливаются из высокопрочного графита. В зависимости от конкретного КД, моторчик оснащается 1 парой щёточек и более.

Вне зависимости от компоновки и входящих в состав элементов на основе тех или иных материалов, принцип работы у всех коллекторных типов двигателей остаётся одинаковым.

Принцип работы

Вам будет не сложно представить 2 магнита, у которых есть разные плюса. Попробуйте приставить их друг к другу одноимённым полюсом и посмотрите, что из этого получится. Вам не удастся соединить их, как бы ни старались. Но стоит соединить магниты разными полюсами, как создастся высокопрочное соединение. Именно этот эффект входит в основу работы и устройства коллекторных двигателей.

Схема электродвигателя коллекторного типа

Вы узнали про устройство КД. Теперь в процессе эксплуатации наверняка захочется узнать, как можно самостоятельно проверить коллекторный двигатель. Для этого следует разобраться в принципе его работы. Функционирует электромотор такого типа следующим образом:

электрический ток поступает на якорные обмотки;
в зависимости от того, сколько обмоток используется на моторе, ток поочерёдно поступает на каждую из них;
тем самым создаётся электромагнитное поле;
с одной стороны южный полюс, а с другой — северный;
магнитное поле, появляющееся в обмотках, вступает во взаимодействие с полюсами магнитов статора моторчика;
это позволяет привести в движение, то есть заставить вращаться якорь;
ток, проходя через коллектор и щёточки, приходит на следующую обмотку;
так происходит последовательно, в зависимости от числа якорных обмоток;
переходя с обмотки на обмотку, вал мотора вместе с якорем начинают вращаться;
вращение происходит до тех пор, пока есть источник напряжения.

В стандартных моторах коллекторного типа предусматривается использование трёхполюсного якоря. То есть он имеет 3 обмотки. Это позволяет двигателю не залипать в одном из положений.

Преимущества и недостатки

Нельзя отрицать тот факт, что коллекторные движки или же коллекторные электрические двигатели активно применяются в различных сферах и отраслях. В том числе они часто используются в автомобильном производстве.

Но для объективности нужно добавить, что КД используется не всегда и не везде, поскольку в конкретных ситуациях более эффективным и рациональным решением станет бесколлекторный электромотор.

Большой опыт в использовании КД позволяет выделить ряд сильных и слабых качеств эксплуатации такого типа электродвигателя.

Внутреннее строение коллекторного асинхронного двигателя

К основным достоинствам можно отнести следующие моменты:

Сравнительно небольшой показатель параметров пускового тока. Это заметно проявляется в ситуациях, когда коллекторные моторы устанавливаются в различную бытовую технику;
Такие электромоторы можно подключать напрямую к энергоносителю, то есть к сети. При этом исключается необходимость в использовании разного рода дополнительных и вспомогательных приспособлений;
Высокие показатели быстроходности;
Независимости от параметров сетевой частоты;
При наличии схемы управления устройство становится проще.

Но не стоит делать поспешные выводы. Сначала нужно взглянуть на имеющиеся минусы коллекторного двигателя. А именно:

Общие показатели коэффициента полезного действия снижены. Это обусловлено наличием индуктивности, а также потерь, необходимых для перемагничивания статора;
Максимальные показатели крутящего момента далеки от совершенства;
Сравнительно низкий уровень надёжности;
Относительно небольшой срок службы.

Специалисты выделяют один ключевой недостаток, характеризующий коллекторные типы электромоторов. Никто не спорит, что в коллекторниках очень удобно регулировать обороты. Но если они высокие, сразу же проявляют себя щётки. Причём не с самой лучшей стороны. Щётки всё время находятся в состоянии плотного прилегания к самому коллектору электромотора. При высокой скорости работы начинает их быстрый износ. С течением времени происходит засорение, результатом чего становится появление искр.

Постепенный износ щёток двигателя и всего узла коллектора с щётками способствует снижению общих показателей эффективности работы КД. То есть коллекторно-щёточный узел смело можно считать главным недостатком конструкции. Потому производители всё чаще отказываются от коллекторников, выбирая вместо них бесщёточные аналоги.

Главным конкурентом коллекторного типа электродвигателя выступает бесколлекторный аналог. Он имеет отличный от КД принцип работы, а также характеризуется своими сильными и слабыми сторонами.

Что называют коллекторным двигателем?

Коллекторным двигателем называется электрическая машина, датчик положения ротора и переключатель тока в которой — это одно и то же устройство, называемое щеточно-коллекторным узлом. Про последний можно рассказать дополнительно. Он обеспечивает электрическое соединение цепей в неподвижной части машины с цепями ротора. Конструктивно он состоит из щеток (под ними понимаются скользящие контакты, которые расположены вокруг вращающейся части двигателя) и коллектора (то, что находится на движимом элементе механизма).

К общим достоинствам можно отнести то, что коллекторный двигатель прост в изготовлении и эксплуатации, имеет значительный ресурс использования и легко может быть отремонтирован. К общим недостаткам причисляют то, что они имеют малую массу и большой коэффициент полезного действия. В большинстве случаев это только плюс, но не сейчас. Так, соединение низкой массы и быстроходности (которая достигает сотен и тысяч оборотов в минуту) приводит к тому, что для нормальной работы почти всегда требуются редукторы. А при перестройке на низкую скорость машина имеет пониженный КПД, и возникают проблемы с охлаждением. Пока изящного решения этой проблемы найти не удалось.

Бесколлекторный мотор

Теперь можно поговорить о том, чем же коллекторный двигатель в действительности отличается от рассматриваемого бесколлекторного аналога.

Внешний вид двигателя бесколлекторного типа

Очевидная разница просматривается при изучении принципа работы бесколлекторного двигателя (БКД). Хотя часто бесколлекторный и коллекторный двигатель сопоставляют друг с другом, воспринимая их как конкурентов, по сути это два разных мотора. Потому и отличия между ними обязательно присутствуют.

Фактически БКД работает наоборот.

Подобное устройство и принцип работы позволяет получить более плавный режим работы двигателя при его максимальной отдаче.

В случае с бесколлекторными электродвигателями они могут оснащаться датчиками или сенсорами, а также эксплуатироваться без них. Если датчика нет, это в определённой, но незначительной степени снизит эффективность работы всего электродвигателя.

Распознать БКД с сенсором и без него достаточно просто. Если у обычного двигателя присутствует 3 провода питания, то в моделях с датчиком дополнительно имеется шлейф, состоящий из тонких проводов. Он идёт от самого моторчика к регулятору скорости.

Преимущества и недостатки

Главный и неоспоримый плюс бесщёточных электромоторов заключается в практически полном отсутствии деталей, способных изнашиваться. Говорить о полном их отсутствии нельзя, поскольку роторный вал устанавливается на подшипники. Именно они всё же могут с течением времени износиться. Хотя даже у подшипников ресурс огромный. Плюс всегда можно быстро и без особого труда заменить подшипник в случае его износа.

Бесколлекторный бесщеточный электродвигатель в разборке

Такие особенности конструкции породили преимущества в виде надёжности, высокой эффективности и длительного срока службы. За счёт наличия датчика положения ротора улучшается его производительность и точность в процессе работы.

Вспомните недостаток коллекторных аналогов, где щётки искрятся и быстро изнашиваются, параллельно провоцируя помехи в процессе работы узла, механизма или машины, в которой установлен КД. В случае с бесколлекторными или бесщёточными моторами от такой проблемы удалось избавиться. Никаких искрений здесь не наблюдается.

Бесколлекторники не трутся, не перегреваются, что также справедливо относится к весомым достоинствам механизма. Дополнительное обслуживание в процессе даже очень активной эксплуатации тут не требуется.

Если же говорить про недостатки, то из существенного и всё равно условного можно выделить только один минус. Это более высокая стоимость. Минус условный по причине того, что при своей цене исключается необходимость в замене пружин, якоря, коллектора или щёток. Потому стоимость целиком и полностью себя оправдывает.

Далее уже можно сделать собственные субъективные выводы, отталкиваясь от приведённой выше информации.

Источник