Коллекторные и бесколлекторные двигатели: в чем разница и что лучше

в чем разница и что лучше

Наша жизнь немыслима без всевозможных механизмов. Это детские игрушки, бытовая техника сложная электроника, промышленное оборудование и т.п. Во всех этих приборах и устройствах применяются электродвигатели, работающие от различных источников питания. В этой статье мы решили рассмотреть, чем отличаются коллекторные и бесколлекторные двигатели, а также какой тип двигателей лучше и почему.

Коллекторные двигатели

Электродвигатели, используемые в детских игрушках, имеют небольшие габариты и малую мощность. Конструктивно коллекторный двигатель представляет собой два постоянных магнита, установленных на статоре, и ротор (якорь) с обмотками. Отметим, что на статоре могут быть и обмотки возбуждения, вместо постоянных магнитов.

К обмоткам подводится постоянное напряжение через ламели коллектора. Для подачи напряжения используются графитовые щетки. В двигателях малой мощности в качестве щеток применяются медные пластины.

Питаются коллекторные двигатели как от постоянного тока, так и от переменного. Для подключения питания они имеют два провода.

Бесколлекторные двигатели

Название электродвигателя говорит об отсутствии токосъемного устройства. Что является основной конструктивной разницей. Это позволяет снизить потери на трение и повысить мощность. При этом постоянные магниты смонтированы на роторе, а обмотки размещены на статоре.

Выпускаются бесколлекторные двигатели, у которых магниты смонтированы на корпусе. В этом случае корпус выполняет функцию ротора.

Для пуска двигателя требуется специальное устройство (контроллер или коммутатор), что увеличивает стоимость бесколлекторных электродвигателей.

Плюсы и минусы сравниваемых двигателей

Электродвигатели с коллектором применяются в детских игрушках, моделях автомобиля, судомоделировании и т.п. Более мощные устройства с обмоткой возбуждения применяются в автомобилестроении, бытовой технике, в токарном станке или сверлильном и т.

д.

Широкое применение обусловлено:

• Невысокой ценой.
• Простотой управления. Для регулировки скорости достаточно иметь реостат, а для осуществления реверса — изменить полярность в цепи возбуждения или якоря.
• Можно подключать непосредственно к питающей сети.
• Скорости вращения ротора можно менять в широком диапазоне.
• Небольшие пусковые токи.

Но при простоте устройства коллекторные двигатели имеют недостатки:

• Невысокий КПД.
• Ограниченный срок службы.
• Необходимость в постоянном обслуживании.
• Невысокая надежность устройства.

При этом такие двигатели применяются не во всех отраслях промышленности. Их нельзя использовать во взрывоопасных помещениях. При эксплуатации на высоких скоростях быстро выходит из строя коллектор и щетки.

В результате происходит снижение мощности, а токоподводящие щетки начинают искрить. Такое конструктивное отличие приводит к быстрому выходу из строя ламелей коллектора, создаются помехи в радиоаппаратуре.

Щетки приходится менять, а коллектор протачивать, что сокращает срок службы двигателя. Это является основным недостатком таких устройств.

В бесколлекторных электродвигателях отсутствует коллектор. В этом состоит отличие бесеколлекторных двигателей от коллекторных, в связи с чем и отсутствуют указанные выше недостатки.

Достоинствами таких электрических машин являются:

• Отсутствие трущихся частей позволяет сократить потери мощности на трение. Не требуется постоянно следить за состоянием щеток, так как они отсутствуют. Это отличие позволяет увеличить межремонтный период.
• Возможность использования корпуса в качестве рабочего органа. Эта конструктивная разница позволяет применять механизмы непосредственно в качестве колес.
• Бесколлекторные электродвигатели, в отличие от коллекторных более долговечны. При этом они менее подвержены перегреву, т.к. отсутствует коллектор и щетки, которые в процессе работы сильно нагреваются.
• Мгновенно набирают обороты.
• Могут применяться во всех отраслях промышленности, в пожаро- и взрывоопасных помещениях. Из-за отсутствия коллектора не возникает искрения, чем они и лучше.

Но у данного типа двигателя имеется существенный недостаток: бесколлекторные модели можно использовать только с драйвером-коммутатором. С помощью этого устройства задаются режимы работы, скорость и направление вращения. При этом стоимость бесколлекторных двигателей значительно выше. Разница в стоимости может быть значительной. Это то, чем отличаются они от устройств с коллектором.

Малый вес и высокая мощность — это то, что лучше сочетается в приборах с дистанционным управлением, например, для квадрокоптера, где от веса и КПД зависит дальность и время полёта.

Заключение

Итак, подведем итоги и обозначим в чем разница между коллекторным и бесколлекторным двигателем, перечислив их особенности.

Коллекторный двигатель:

1. Есть щетки и коллектор, которые искрят и изнашиваются.
2. Нужно чаще обслуживать, соответственно и срок службы не слишком долгий.
3. Легко регулировать скорость лишь изменением напряжения.
4. Для реверса нужно просто сменить полярность.
5. Два предыдущих факта позволяют их использовать в бюджетных устройствах без сложных электросхем.

Бесколлекторный двигатель:

1. Для запуска нужен контроллер, который хоть и не слишком дорого стоит, но увеличивает конечную стоимость, схемотехнику и вес изделия.
2. Весят меньше чем коллекторные, при одинаковой мощности (но это частично компенсируется предыдущим фактом).
3. Нет щеток и коллектора, поэтому не требуют обслуживания, не искрят.
4. Больший срок службы, он ограничен лишь ресурсом подшипников ротора.
5. Стоят обычно дороже чем коллекторные.
6. Зачастую выдают больший момент на валу и обороты.
7. При наличии датчиков положения вала обеспечивают большую стабильность оборотов при изменении нагрузки (жесткая механическая характеристика). Это особенно важно при использовании на станках и ручном инструменте.

От автора:

Добавлю то, что нельзя однозначно сказать какой лучше или какой мощнее, можно найти коллекторный двигатель размером с холодильник, а можно бесколлекторный размером с ноготь. При этом оба будут отлично выполнять те функции, на которые рассчитаны и использоваться в конкретных устройствах с учетом требований к их надежности и особенностям эксплуатации. Каждый вид электропривода хорош по своему и идеален по конструкции как таковой.

Теперь вы знаете, в чем разница между коллекторным и бесколлекоторным двигателем, а также какие плюсы и минусы у каждого варианта исполнения. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!

Материалы по теме:

Какой тип электродвигателя лучше всего подходит для моего проекта?

Добавлено 4 июля 2019 в 15:20

Сохранить или поделиться

Узнайте, какие проекты лучше всего работают с коллекторными двигателями постоянного тока, бесколлекторными двигателями, серводвигателями и шаговыми двигателями.

Если вы разрабатываете проекты с движущимися частями, скорее всего, вам понадобится электродвигатель. Но существует несколько различных типов электродвигателей, обычно доступных разработчикам.

Коллекторные двигатели постоянного тока, бесколлекторные двигатели, серводвигатели и шаговые двигатели – это четыре наиболее распространенных типа электродвигателей, которые можно найти практически в любом проекте, в котором есть движение. Использование каждого из этих типов двигателей в вашем проекте имеет свой набор преимуществ и потенциальных проблем.

В данной статье рассматриваются типы проектов, для которых хорошо подходит тот или иной тип двигателя, и приводятся базовые рейтинги стоимости, крутящего момента, максимальной скорости и точности позиционирования по шкале от 0 до 5.

Коллекторный двигатель постоянного тока

Коллекторные двигатели постоянного тока являются самыми дешевыми, простыми и легкими в управлении из всех технологий двигателей, обсуждаемых в данной статье. Они идеально подходят для проектов с ограниченным бюджетом, которые не требую какого-либо точного управления позиционированием, и для которых отношение мощность/масса не очень важно.

Оценка характеристик коллекторных двигателей постоянного тока

Коллекторные двигатели постоянного тока также полезны для проектов, требующих чрезвычайно простого управления. Эти типы двигателей могут управляться не более чем замыканием/размыканием ключа. Управление их скоростью – это просто регулировка напряжения, подаваемого на двигатель или изменение коэффициента заполнения (или скважности) ШИМ сигнала, если задействован микроконтроллер.

Пример коллекторного двигателя постоянного тока, используемого в проекте

Лучшие типы проектов для коллекторных двигателей постоянного тока

Наборы для создания роботов для начинающих

Наборы для создания роботов для начинающих почти повсеместно используют коллекторные двигатели постоянного тока из-за их низкой стоимости и потому, что для их работы не требуются современные микроконтроллеры или сложное программирование.

Используя два двигателя с двумя колесами на каждой стороне шасси робота, мы можете создать достаточно сложного робота. Многие из базовых наборов робототехники такого типа доступны в магазинах.

Конструкции, использующие вибромоторы

Вибромоторы состоят из коллекторного двигателя постоянного тока с грузом, прикрепленным асимметрично к валу двигателя. Вы можете использовать вибромоторы в самодельных контроллерах и в любых других проектах, требующих доставки пользователю неслышимых уведомлений (например, как ваш телефон в режиме вибрации).

Из-за простоты управления коллекторными двигателями постоянного тока интенсивность вибрации можно модулировать, просто регулируя напряжение, подаваемое на двигатель.

Бесколлекторные двигатели

Несмотря на то, что бесколлекторные двигатели начинают заменять коллекторные двигатели постоянного тока в профессиональных устройствах и электромобилях, они также приобретают популярность в самодельных проектах благодаря наличию мощных, но доступных по цене микроконтроллеров.

Оценка характеристик бесколлекторных двигателейПара примеров бесколлекторных двигателей

Бесколлекторные двигатели обеспечивают большую надежность, более высокие максимальные скорости и более высокую эффективность по сравнению с коллекторными двигателями постоянного тока. Однако они дороже, чем коллекторные двигатели постоянного тока, особенно с учетом того, что им требуются специализированные контроллеры скорости для взаимодействия с микроконтроллерами, что иногда может быть дороже, чем сам двигатель.

Зачастую стоимость управления бесколлекторным двигателем превышает стоимость самого двигателя

Лучшие типы проектов для бесколлекторных двигателей

Любительские проекты летательных аппаратов

Бесколлекторные двигатели чрезвычайно полезны в любительских проектах летательных аппаратов, включая квадрокоптеры, вертолеты и самолеты.

Более высокая эффективность бесколлекторных двигателей, по сравнению с коллекторными двигателями постоянного тока, имеет два основных последствия для проектов радиоуправляемых летательных аппаратов:

1. Бесколлекторные двигатели потребляют меньше энергии для выработки той же мощности, что и коллекторный двигатель постоянного тока примерно такого же размера, что означает, что разработчики получают больше энергии от того же аккумулятора.
2. Бесколлекторные двигатели имеют боле высокую выходную мощность при том же размере двигателя. В частности, для летательных аппаратов отношение мощности к весу является критически важной характеристикой, и бесколлекторные двигатели полезны для увеличения этого отношения.

Бесколлекторные двигатели являются хорошим выбором для любительских проектов летательных аппаратов

Радиоуправляемые машины

Радиоуправляемые машины, особенно те, которые используются для гонок, также выигрывают от технологий бесколлекторных двигателей. Более высокое отношение мощности к весу полезно в радиоуправляемых машинах по той же причине, что и для летательных аппаратов, для повышения производительности.

Для радиоуправляемых машин бесколлекторные двигатели обеспечивают большие крутящий момент и максимальные скорости, чем бензиновые двигатели. Кроме того, бесколлекторные двигатели в радиоуправляемых машинах обеспечивают пиковый крутящий момент почти мгновенно при подаче питания. Бензиновые двигатели, напротив, должны развивать более высокие скорости, чтобы максимизировать крутящий момент.

Стабилизатор камеры

Если вы записываете видео своего проекта, очень полезным инструментом для повышения профессионализма ваших видео за счет уменьшения тряски может стать стабилизатор камеры.

Стабилизатор камеры – это устройство, которое поддерживает камеру неподвижно, обеспечивая более плавные кадры. Стабилизаторы выполняют это, компенсируя движение, используя три бесколлекторных двигателя, по одному на каждую ось движения.

Стабилизируйте камеру с помощью стабилизатора, состоящего из трех бесколлекторных двигателей

Серводвигатели

В то время как коллекторные двигатели постоянного тока и бесколлекторные двигатели разработаны для регулируемой скорости, серводвигатели разработаны для точного позиционирования.

Оценка характеристик серводвигателей

Серводвигатели оснащены встроенным аппаратным обеспечением для определения положения, что позволяет контроллеру серводвигателя измерять точное угловое положение вала двигателя, также называемое углом поворота. Сочетание точного позиционирования и высокого крутящего момента, предлагаемое серводвигателями, делает их отличным выбором для ряда проектов, связанных с робототехникой.

Примеры использования серводвигателей в проектах

Лучшие типы проектов для серводвигателей

Шагающий робот

Если вы создаете шагающего робота, имеет ли он две, четыре, шесть или даже большее количество ног, серводвигатели почти наверняка будут выполнять основную работу в вашем проекте.

В шагающих роботах серводвигатели действуют как суставы

В шагающих роботах серводвигатели выступают в качестве суставов (и немного похожи на мышцы, но анатомическая аналогия здесь немного нарушается). Компьютер, на котором работает ваш робот, будет использовать обратную кинематику для вычисления угла, который должен принимать каждый сустав, чтобы выставить робота в определенном положении. Серводвигатели позволяют контроллеру точно управлять углом каждого сустава робота.

Если вы строите шагающего робота, то, скорее всего, вы будете использовать много серводвигателей!

Роботизированные руки

Серводвигатели также полезны для создания роботизированных рук (роботов-манипуляторов). Высокая точность позиционирования, предлагаемая серводвигателями, позволяет микроконтроллеру устанавливать конечный исполнительный механизм манипулятора с высокой степенью точности.

Это робот-манипулятор uArm Metal, работающий на сервоприводах

Серводвигатели также обеспечивают высокий крутящий момент на низких скоростях, благодаря редуктору между двигателем и выходным валом, что позволяет роботам-манипуляторам поднимать тяжелые предметы.

Наконец, сервопривод будет сопротивляться внешним силам, пытающимся изменить положение манипулятора. Например, если вы соберете роботизированную руку и заставите ее пройти дальше точки, которую ищет микроконтроллер, то, как только вы перестанете прикладывать усилие к манипулятору, серводвигатели вернутся в исходное положение.

Шаговые двигатели (описанные в следующем разделе), напротив, не имеют механизма для определения того, изменяют ли их положение внешние силы.

Рулевое управление для радиоуправляемых машин

В радиоуправляемых машинах серводвигатели обычно используются для рулевых механизмов. Поскольку сервоприводы могут быть точно установлены в нужное положение, а затем возвращены в центральное положение, они идеально подходят для рулевого управления. Серводвигатели позволяют управлять всеми видами радиоуправляемых проектов: от рулевых реек на радиоуправляемых машинках, до рулей направления на лодках, до управляющих поверхностей на самолетах.

Шаговые двигатели

Шаговые двигатели, как и серводвигатели, предназначены для построения машин, требующих точных управления и отслеживания позиционирования.

Оценка характеристик шаговых двигателей

То, как шаговые двигатели позволяют управлять позиционированием, сильно отличается от способа, используемого сервоприводами. Серводвигатели имеют возможности абсолютного позиционирования. В любой момент микроконтроллер может сделать запрос контроллеру сервопривода и получить назад значение угла.

Шаговый двигатель, напротив, использует относительное позиционирование. Шаговые двигатели вращаются не непрерывно (как коллекторные двигатели постоянного тока или бесколлекторные двигатели), а дискретными «шагами»,

Типовой шаговый двигатель имеет 200 шагов на полный оборот. Таким образом, каждый раз, когда шаговый двигатель «делает шаг», он поворачивается на 1,8°. Тщательно отслеживая количество шагов, на которое шаговый двигатель повернулся из известного начального положения, микроконтроллер может с высокой степенью точности определять положение двигателя или всего, что к нему прикреплено.

Примеры использования шаговых двигателей в проектах

Лучшие типы проектов для шаговых двигателей

3D принтеры

Шаговые двигатели используются практически во всех настольных 3D принтерах. Эта технология двигателей позволяет контроллерам 3D принтеров отслеживать положение печатающей головки с точностью до минуты (обычно в масштабе микрометров). Кроме того, шаговые двигатели обеспечивают высокий крутящий момент на низких скоростях, что полезно для перемещения тяжелого экструдера вокруг рабочей области.

3D принтеры используют шаговые двигатели для отслеживания положения печатающей головки

Станки ЧПУ

По причинам, аналогичным 3D принтерам, шаговые двигатели широко используются в станках ЧПУ. Станок с ЧПУ запускает задание с известной нулевой позиции. Контроллер подсчитывает количество шагов, на которое перемещаются двигатели, переводя их в расстояния в соответствие с конструкцией ремней, которыми управляют шаговые двигатели. Этот тип отслеживания положения обеспечивает высокий уровень точности размеров обрабатываемых станком ЧПУ деталей.

Большие роботы-манипуляторы

В предыдущем разделе объяснялось, как в более мелких роботах манипуляторах используются серводвигатели. В более крупных роботах манипуляторах часто используются шаговые двигатели. Таким образом, если вы разрабатываете робота-манипулятора, который должен будет перемещать тяжелые грузы, дополнительный крутящий момент больших шаговых двигателей по сравнению с крутящим моментом, обеспечиваемым серводвигателями, позволит вашему роботу-манипулятору поднимать и перемещать гораздо более тяжелые объекты.

Шаговые двигатели хорошо работают в больших роботах-манипуляторах, которые требуют возможности подъема более тяжелых объектов

Оригинал статьи:

Теги

Бесколлекторный двигательДвигательДвигатель постоянного токаКоллекторный двигатель постоянного токаШаговый двигательЭлектродвигатель

Сохранить или поделиться

«БезБанановый мотор».

Бесколлекторный двигатель есть, а коллекторного не существует! | Дмитрий КомпанецБесбанановый мотор

Бесбанановый мотор

Спросите любого Электрика — «Какой величины фаза* в розетке?« и вы еще долго будете смеяться над его ответом.

Многие из Вас, кто пытался или пытается самостоятельно разбираться в электрических машинах и устройствах, наверняка слышали и читали о двух разновидностях электрических моторов Коллекторные и Бесколлекторные. И хотя вариаций электрических машин вращения бесконечное множество (каждый день изобретаются новые), мы рассмотрим эту классическую парочку более подробно.

И ДА! ЗА НАЗВАНИЕ СТАТЬИ ОТВЕЧАЮ СЛОВОМ !

Двигатели/моторы в роторных машинах бывают двух типов: Коллекторные (Brushed) другой вариант названия (Сoreless) и Бесколлекторные/Brushless.
Не вооруженным глазом легко заметить, что название последних Brushless дано по отсутствующему в них элементу.

Рассуждая так, можно легко заявить что
В ЭТИХ МОТОРАХ НЕТ БАНАНОВ ! (BANANALESS)

В “Бесколлекторных моторах” отсутствует знакомый всем по разборке электроинструмента элемент “Щетки”, роль которых заключается в передаче тока на обмотку вращающегося ротора. В бесколлекторных двигателях ток подается на обмотки не-двигающегося статора, который, создавая магнитное поле поочередно на отдельных своих полюсах, раскручивает ротор, на котором закреплены магниты.

Аналогичным образом большинство электродвигателей можно назвать Безвентильными …. Вентильный электродвигатель — это разновидность электродвигателя постоянного тока, у которого щёточно-коллекторный узел (ЩКУ) заменён полупроводниковым коммутатором.

Знатоки моторных дел расскажут о множестве вариаций электромоторов, так что я приведу некоторые из них:
1) Коллекторный двигатель с редуктором.
2) Коллекторный двигатель обычный, из игрушки.
3) Синхронный двигатель переменного тока с постоянным магнитом. Имеет интересную особенность при включении рандомно выбирать направление вращения.
4) Бесколлекторный высокооборотный двигатель (BLDC) от CD rom. Он имеет шарики системы автоматической балансировки привода, встроенные в шпиндель.
5) Высокомоментный бесколлекторный двигатель (BLDC) от лазерного принтера.
6) Биполярный шаговый двигатель.
7) Униполярный шаговый двигатель.

И так далее и тому подобные.…..

БезБанановый двигатель

БезБанановый двигатель

С БАНАНАМИ ВРОДЕ РАЗОБРАЛИСЬ

теперь пора узнать

ПОЧЕМУ КОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НЕ СУЩЕСТВУЕТ ?

Для начала выясним что называют коллекторным двигателем ?

Колле́кторный электродви́гатель — электрическая машина, в которой датчиком положения ротора и переключателем тока в обмотках является одно и то же устройство — щёточно-коллекторный узел. Самые маленькие двигатели данного типа (единицы Ватт) содержат в корпусе: трёхполюсной ротор на подшипниках скольжения; коллекторный узел из 2-х щёток, контактируемые с 3-мя медными пластинами; двухполюсной статор из постоянных магнитов.

Устройство — щёточно-коллекторный узел

присутствует далеко не во всех моторах, а вот коллектор есть даже у бензинового двигателя внутреннего сгорания и у транзистора !

Разумные люди, даже без специального образования, интерпретируют слово коллектор так — оно происходит от английского слова Collect — собирать. Изначально коллектором называли узел генератора, находящийся на роторе генератора, который позволял снимать ток с обмоток для его дальнейшего использования.
Позже это название прижилось на идентичном узле электродвигателя постоянного тока, так как по сути, в связи с обратимостью данных электрических машин, конструкция их мало отличима.
Но в двигателе данный узел отвечает не за сбор токов с обмоток, а за их распределение, поэтому название коллектор по отношению к нему абсолютно некорректно.

Но, опустим эти лингвистические нюансы и заблуждения. Вернемся к коллектору и его двух основных функциях об одной из которых просто напрочь забыли.
Большинство занет что :

Коллектор — технический элемент, в том числе в котлах, в системах отопления и водоснабжения, для смешения среды из разных параллельных веток или раздачи по ним. Обеспечивает выравнивание параметров за счёт относительно большого поперечного сечения и, соответственно, низкой скорости. Коллектор — участок канализационной сети.

(тут мы не будем вспоминать о службе приставов и коллекторстве)

В словаре — коллектор. Общее прототипическое значение — тот, кто собирает, накапливает, объединяет что-либо.

Общее мнение о том что КОЛЛЕКТОР это то что СОБИРАЕТ как раз и приводит нас к тому что КОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НЕ СУЩЕСТВУЕТ!

А НА САМОМ ДЕЛЕ ЭТО НЕ ТАК !
Если поискать и почитать литературу, то можно обнаружить, что Коллекторы это не только вымогатели и собиратели нечистот и прочего тока, а еще и РАСПРЕДЕЛИТЕЛИ !

Во как ! всю жизнь думал , что коллектор только воняет и всасывает, а он еще и впрыскивает и распределяет !

В бензиновом и солярном двигателе Впускной коллектор — деталь двигателя внутреннего сгорания.
В канализации (водопроводе) Коллектор — технический элемент, в том числе в котлах, в системах отопления и водоснабжения, для смешения среды из разных параллельных веток или раздачи по ним.

Убрав поясняющее слово — приставку , мы утратили часть смысла этого слова и сами себя ввели в заблуждение.
Коллектор ( распределительный. впускной) — элемент отдающий и питающий.
Коллектор ( собирающий. выпускной) — элемент отбирающий и удаляющий.

Прижившееся (разговорное) слово Коллектор вошло в техническую литературу и применяется безграмотно. Если пораскинуть мозгами, то получится, что именно двигатели с щеточным распределительным коллектором и вентильным распределительным коллектором и трансформаторным распределительным коллектором существуют, а вот бесколлекторные нет. (также как и безБанановые).

*А теперь вернемся к нашим Электрикам!

«фаза в розетке» не стану перечислять всё то что делают с фазой «грамотеи» — её щепят, умножают, изолируют, кидают и . …. вот что говорит словарь : Фаза (разговорное) — провод, находящийся под напряжением переменного электрического тока относительно другого, общего провода — заземленного, нулевого, соединенного с массой, корпусом электротехнического устройства.

Какой величины фаза в розетке — пусть Вам ответит ваш знакомы электрик или гуру пишущий об фазах статьи и снимающий ролики.
Я только напомню, что значит слово ФАЗА в некотрых случаях:
Фа́за — период, ступень, этап в развитии какого-либо явления. Термодинамическая фаза — термодинамически равновесное состояние вещества, качественно отличное по своим свойствам от других равновесных состояний того же вещества.
В каких случаях фаза измеряется и в чем — Вы легко найдете сами.

Коль впитываете вы знания из приведенных ниже источников….

Такие понятия как «электрический ток», «напряжение» «фаза» и «ноль» для большинства являются темным лесом, хотя с ними мы сталкиваемся каждый день. Давайте же получим крупицу полезных знаний и разберемся, что такое фаза и ноль в электричестве. Для обучения электричеству с «нуля» нам нужно разобраться с фундаментальными понятиями.

Имейте в виду, что во всем мире используется обозначение «L» для токоведущего провода «Линия» и электричество к нам в дома поступает по Линиям электропередач, а не по фазам!

П.С. Если некоторым электрикам и электричкам показалось что я обидел их профессию знайте — Профессиональный я Электрик Осветительных Сетей с соответствующими документами. (могу предъявить)

Мотор

Коллекторный или бесколлекторный?

Преимущества бесколлекторного двигателя

Все довольно просто. Представьте, что из конструкции двигателя удаляется довольно сложный, требующий обслуживания тяжелый и искрящий узел – коллектор…
Конструкция двигателя существенно упрощается. Двигатель получается легче и компактнее. Значительно уменьшаются потери на коммутацию, поскольку контакты коллектора и щетки заменяются электронными ключами. Эти двигатели служат в 10 раз дольше. Такой потрясающий ресурс достигнут сборкой механической части. Сама вращающая ось крепиться на подшипниках. Получается, что и ломаться в таком двигателе просто не чему. В итоге получаем электродвигатель с наилучшими показателями КПД и показателем мощности на килограмм собственного веса, с наиболее широким диапазоном изменения скорости вращения. На практике бесколлекторные двигатели греются меньше, чем их коллекторные братья. Переносят бОльшую нагрузку по моменту. Применение мощных неодимовых магнитов сделали бесколлекторные двигатели еще более компактными. Конструкция бесколекторного двигателя позволяет эксплуатировать его в воде и агресивных средах (разумеется, только двигатель, регулятор мочить будет очень дорого). Бесколлекторные двигатели практически не создают радиопомех.

Недостатки бесколлекторного двигателя

Единственным недостатком считают сложный дорогостоящий электронный блок управления (регулятор или ESC).

Выводы

Применять коллекторный двигатель целесообразно в недорогих моделях. Там где срок службы изделия сопоставим со сроком службы щеток в коллекторе двигателя.

Как влияют напряжение батареи и мощность двигателя на скорость электротранспорта?

Если коротко, без длительных и спорных выкладок, можно сказать так: 

1. Чем выше НАПРЯЖЕНИЕ, тем выше возможная максимальная СКОРОСТЬ вашего транспорта. 
2. Чем выше НАПРЯЖЕНИЕ, тем меньшая СИЛА ТОКА требуется для достижения нужной МОЩНОСТИ.
3. Чем выше МОЩНОСТЬ, тем выше возможная максимальная СКОРОСТЬ вашего транспорта.

Надо понимать, что увеличение напряжения впрямую увеличивает мощность двигателя.
Вспомним электротехнику из школы: Мощность = U (напряжение) * I (сила тока). Чем больше подаваемое напряжение, тем больше мощность двигателя.
Образно можно сравнить работу электрического двигателя с работой мельницы, установленной на водопаде:
— Напряжение — это высота, с которой падает вода на лопасти.
— Сила тока — количество этой падающей воды, течение реки.

Коллекторный двигатель постоянного тока

Преобразование электрического тока в механическое движение (вращение) осуществляется электромеханическим преобразователем энергии — электрической машиной. Принцип работы, которой, основан на явлениях электромагнитной индукции и силы Ампера, действующей на проводник с током, движущийся в магнитном поле.

Электрические машины делятся по видам преобразования энергии:

• Генератор — преобразует механическую энергию в электрическую и тепло;
• Электрический двигатель — преобразует электрическую энергию в механическую работу и тепло;
• Электромеханический преобразователь (трансформатор) — преобразуют электрическую энергию одного вида в электрическую энергию другого вида, отличающуюся по напряжению, частоте и другим параметрам;
• Электромагнитный тормоз — механическая и электрическая энергии преобразуются в тепло.

В большинстве случаев электрическая машина состоит из двух элементов рис. 1;
• Ротор (якорь) — вращающаяся часть, состоит из обмотки якоря и коллекторного узла;
• Статор — неподвижная часть, состоит из источника магнитного поля. Постоянный магнит или электромагнит.

Рисунок 1. Основные узлы двигателя.

Между ротором и статором присутствует воздушный зазор, который служит их разделителем.

Электрические машины делятся на:

Коллекторные	Бесколлекторные
Постоянного тока	Синхронные
Универсальные	Асинхронные

Коллекторный двигатель постоянного тока

Коллекторный электродвигатель — электрическая машина, в которой датчиком положения ротора и переключателем тока в обмотках является одно и то же устройство — щёточно-коллекторный узел.

Щеточно-коллекторный узел — обеспечивает электрическое соединение цепи ротора с цепями, расположенными в неподвижной части двигателя. Состоит из коллектора (набора контактов, расположенных на роторе) и щёток (скользящих контактов, расположенных вне ротора и прижатых к коллектору), рис. 2.

Рисунок 2. Коллекторно-щеточный узел

Обычно в маломощных моторах всего два полюса обмотки возбуждения (одна пара) и трехзубцовый якорь. Три зуба это минимум для запуска из любого положения, но чем больше зубцов тем более эффективно используется обмотка, меньше токи и более плавный момент, т.к сила является проекцией на угол, а активный участок обмотки проворачивается на меньший угол.

В коллекторном электродвигателе щёточно-коллекторный узел одновременно выполняет две функции:
• является датчиком углового положения ротора (датчик угла) со скользящими контактами;
• переключателем направления тока со скользящими контактами в обмотках ротора в зависимости от углового положения ротора.

Щеточно-коллекторный узел является сам ненадежным элементом электрических машин, поскольку скользящие контакты интенсивно изнашиваются от трения.

Электродвигатели характеризуют два основных параметра — это скорость вращения вала (ротора) и момент вращения, развиваемый на валу. В общем плане оба этих параметра зависят от напряжения, подаваемого на двигатель и тока в его обмотках.

Принцип работы коллекторного двигателя постоянного тока.

Рисунок 3. Принцип работы коллекторного двигателя постоянного тока.

Прямоугольная рамка (ротор), свободно вращающаяся вокруг своей оси, помещена между постоянными магнитами. Если через рамку пропустить ток, то на обе ее стороны начнут действовать электродинамические силы. Действие этих сил, приводит рамку в движение. Рамка будет двигаться до тех пор, пока не достигнет положения, когда щетки попадут на диэлектрический зазор между пластинами коллектора. Рамка по инерции проскочит это положение, направление тока в рамке поменяется на противоположное, но силы действующие на рамку не поменяют своего направления, и она продолжит свое вращение в том-же направлении.

Разновидности коллекторных двигателей постоянного тока:

Малой мощности (единицы Ватт), рабочее напряжение 3-9 В:
• трёхполюсной ротор на подшипниках скольжения;
• коллекторный узел из двух щёток — медных пластин;
• двухполюсной статор из постоянных магнитов.

Более мощные (десятки Ватт), рабочее напряжение 12–24 В:
• многополюсный ротор на подшипниках качения;
• коллекторный узел из двух или четырёх графитовых щёток;
• четырёхполюсный статор из постоянных магнитов.

Высокой мощности (сотни Ватт):
• Четырех полюсный статор из электромагнитов.

Подключение обмотки статора

Обмотки статора могут подключаться несколькими способами:

1. Последовательно с ротором (так называемое последовательное возбуждение, см. рис. 4

Преимущество: большой максимальный момент;

Недостаток: большие обороты холостого хода, способные повредить двигатель.

Рисунок 4. Последовательное соединение.

2. Параллельно с ротором (параллельное возбуждение), см. рис. 5

Преимущество: большая стабильность оборотов при изменении нагрузки;

Недостаток: меньший максимальный момент.

Рисунок 5. Параллельное соединение

3. Часть обмоток параллельно с ротором, часть последовательно (смешанное возбуждение), см. рис. 6.

До некоторой степени совмещает достоинства предыдущих типов.

Рисунок 6. Смешанное возбуждение

4. Отдельным источником питания (независимое возбуждение), см. рис. 7.

Рисунок 7. Независимое возбуждение

Общие достоинства коллекторных двигателей постоянного тока — простота изготовления, эксплуатации и ремонта, достаточно большой ресурс.
К недостаткам можно отнести то, что эффективные конструкции (с большим КПД и малой массой) таких двигателей являются низкомоментыми и быстроходными (сотни и тысячи оборотов в минуту), поэтому для большинства приводов (кроме вентиляторов и насосов) необходимы редукторы.

Управление коллекторными двигателями постоянного тока.

Для работы двигателя достаточно подать на него напряжения питания постоянного тока. Проблемы начинают возникать, когда появляется необходимость в регулировке скорости вращения вала такого двигателя. Нужно учитывать, что при вращении на малых скоростях, крутящий момент на валу будет то же мал. Если требуются низкие скорости вращения, то применяются редуктора.

В коллекторных двигателях постоянного тока ярко выражен пусковой ток, который превышает номинальный в несколько раз (10-40 раз). Почему это происходит? Это работает противоэдс. Когда двигатель стоит, то ток который через него может пройти зависит только лишь от двух параметров — напряжения питания и сопротивления якорной обмотки, (8).

Рисунок 8

Ioя — ток обмотки якоря;
U — напряжение питающей сети;
∑r — сопротивление обмоток якоря;

Как только двигатель начнет движение, то возникает противоЭДС — Епр. Обмотка якоря движется поперек магнитного поля статора и в ней наводится ЭДС, как в генераторе, но направлена она встречно той, что вращает двигатель. И в результате, ток через якорь резко снижается, тем больше, чем выше скорость, формула 9.

Рисунок 9

Снижение пускового тока можно добится уменьшением напряжения питания или повышением сопротивления обмотки якоря. Для повышения сопротивления обмотки якоря применяется ввод дополнительного сопротивления Rд, формула (10).

Рисунок 10

Таким образом, можно добиться величины пускового тока, в нужном диапазоне, безопасном для двигателя. Добавочное сопротивление может быть как в виде реостата, так и в виде нескольких резисторов. Это нужно для того, чтобы в процессе запуска двигателя, менять сопротивление в якорной цепи.

Епр — противоэдс, зависит от конструкции двигателя, и оборотов, формула 11.

Рисунок 11

Ce — одна из конструктивных констант. Они зависят от конструкции двигателя, числа полюсов, количества витков, толщин зазоров между якорем и статором. Нам она не особо нужна, при желании ее можно вычислить экспериментально. Главное, что она константа и на форму кривых не влияет.
Ф — поток возбуждения. т.е. сила магнитного поля статора. В моторах, где она задается постоянным магнитом это тоже константа, а в двигателях с обмоткой возбуждения, этот параметр можно менять.
n — обороты якоря.

Зависимость момента M от тока и потока, формула 12.

Рисунок 12

См — конструктивная константа.

Вот тут стоит обратить внимание, что зависимость момента от тока совершенно прямая. Т.е. просто замеряя ток, при неизменном потоке возбуждения, мы можем совершенно точно узнать величину момента.

Импульсный способ управления.

Следующий метод управления, как более перспективный, основан на применении широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Он, действительно, самый распространенный. К двигателю подводятся импульсы неизменного по амплитуде напряжения управления U у.ном, в результате чего его работа состоит из чередующихся периодов разгона и торможения, рис 14. Если эти периоды малы по сравнению с полным временем разгона и остановки ротора, то угловая скорость ротора не успевает к концу каждого периода достигать установившихся значений и установится некоторая средняя угловая скорость. Значение при неизменных моменте нагрузки и напряжении возбуждения однозначно определяется относительной продолжительностью импульсов ε

Рисунок 14

tи — длительность импульса;
Ти — период.

С увеличением относительной продолжительности импульсов угловая скорость ротора растет (ωср>ωср).В период паузы tп ротор обязательно должен тормозиться. Если это условие не будет выполняться, то угловая скорость ротора при любом значении ω будет непрерывно увеличиваться, пока не достигнет значения угловой скорости х.х., так как во время импульса угловая скорость будет возрастать, а во время паузы — оставаться практически неизменной.
С ростом частоты управляющих импульсов амплитуда колебаний скорости уменьшается; среднее значение угловой скорости остается при этом неизменным.

Литература

1. Щёточно-коллекторный узел
2. Электрическая машина
3. Коллекторный электродвигатель
4. Электрические машины
5. Двигатель постоянного тока
6. Способы управления исполнительными двигателями постоянного тока
7. Управление коллекторными электродвигателями постоянного тока
8. Управление двигателями постоянного тока

Как отремонтировать бесколлекторный мотор Velineon PRO Хобби – интернет-журнал о моделизме

вторник, 16 октября 2018 г.

Все знают о том, что бесколлекторные двигатели более мощные и производительные, если сравнивать их с коллекторными. Однако не все знают, что эти моторы и более требовательны к обслуживанию и эксплуатации.

Что делать, если вдруг вы заметили, что ваш подопечный перестал работать или стал вести себя странно?

Выбрасывать и покупать новый? — Не торопитесь, возможно, удастся обойтись “малой кровью” и минимальными финансовыми вложениями. Как? — Отремонтировать его своими руками!

Бесколлекторные RC двигатели, такие как Velineon® 3500, обеспечивают превосходную производительность и эффективность по сравнению с их коллекторными аналогами. Они также могут быть перебраны и отремонтированы, что позволит их эксплуатировать в течение многих лет без ущерба для производительности. Подшипники — вот типичное слабое звено в конструкции бесколлекторных двигателей. Неисправные подшипники обычно приводят к перегреву и снижению производительности, уменьшают время работы узла. Это также может привести к тому, что двигатель будет работать рывками (можно легко узнать, вручную повернув выходной вал). В этой статье будет показано, как восстановить работоспособность двигателя Velineon 3500, заменив подшипники и другие детали, подверженные естественному износу.

Данный экземпляр принесли в нашу сервисную мастерскую с симптомами перегрева и нестабильной работы. Поверхностная ржавчина видна на спуре, при попытке вращения вала вручную чувствуется сопротивление и рывки. Как правило, все это — признак неисправного подшипника.

Начнем с разборки двигателя. Используйте 2 мм биту для винтов, крепящих мотораму и 1.5 мм биту для демонтажа пиньона.

Отщелкните пластиковую заглушку. Используйте 1.5 мм биту для четырех винтов, крепящих торцевую деталь.

Осторожно извлеките ее. Необходимости снимать подшипник нет, так как ремкомплект включает в себя новую деталь целиком. Не потеряйте тонкие шайбы, которые могут находиться на валу двигателя. Они будут установлены повторно.

Ротор удерживается на месте сильным магнитным полем. Надавите на вал двигателя, используя твердую поверхность (например, стол). Это позволит извлечь ротор. Держите его плотно и достаньте из корпуса. Будьте осторожны при снятии ротора! Действие электромагнитных сил может привести к тому, что ротор попытается вернуться на свое место и ваши пальцы могут пострадать.

Демонтировав ротор, самое время извлечь передний подшипник из корпуса двигателя. Здесь могут возникнуть некоторые трудности. Постарайтесь использовать похожую по размеру оправку, чтобы извлечь подшипник целиком.

Детальный осмотр подшипников позволяет подтвердить проблему. Они сильно заржавели, что негативно сказывается на двигателе — он работает с повышенной нагрузкой, что вызывает перегрев узла в целом. Именно поэтому очень важно после каждого катания, когда происходит контакт подшипников с влагой, использовать WD-40, чтобы вытеснить из них влагу и предотвратить образование ржавчины. Это избавит вас от проблем в будущем. К счастью, даже если произошло то, что произошло, этот двигатель можно отремонтировать, восстановив полностью его производительность.

Ремкомплект для Velineon 3500 содержит все детали, необходимые для восстановления двигателя. Используйте специальный очиститель для электронных контактов электродвигателя или продуйте сжатым воздухом корпус двигателя. Обязательно надевайте защитные очки во время данной процедуры. Замените два подшипника и установите новую латунную втулку на задней части вала двигателя. Повторно используйте тонкие шайбы на валу двигателя. Они должны быть максимально близко к центру.

Аккуратно вставьте ротор в корпус двигателя, берегите пальцы. Установите на место торцевую деталь, закрепите ее винтами из ремнабора. Наконец, очистите поверхность корпуса двигателя и установите пластиковую заглушку. Теперь ваш мотор полностью восстановлен и готов к действию!

Двигатель, показанный в этой статье, не получил должного внимания и технического обслуживания, необходимого после запуска и эксплуатации в воде. Обязательно ознакомьтесь с советами по уходу за моделью в условиях повышенной влажности, приведенными в руководстве вашего автомобиля, для обеспечения надлежащего ухода. Помните, что при должном обслуживании ваш Velineon будет работать долго и обеспечит модель запасом мощности и динамичности, а вас — потрясающими эмоциями от любимого хобби!

В любом случае, если у вас остались вопросы — смело звоните + 7 (495) 411-90-19, +7 (495) 419-16-90 или пишите — [email protected], приходите к нам! Наши менеджеры и продавцы с радостью помогут разобраться и проконсультируют по любым вопросам, а сервис-мастер окажет техническую поддержку. Ждем вас!

 

все, что нужно знать Как работает бесколлекторный двигатель

Работа бесщеточного электродвигателя основывается на электрических приводах, создающих магнитное вращающееся поле. В настоящее время существует несколько типов устройств, имеющих различные характеристики. С развитием технологий и использованием новых материалов, отличающихся высокой коэрцитивной силой и достаточным уровнем магнитного насыщения, стало возможным получение сильного магнитного поля и, как следствие, вентильных конструкций нового вида, в которых отсутствует обмотка на роторных элементах или стартере. Обширное распространение переключателей полупроводникового типа с высокой мощностью и приемлемой стоимостью ускорило создание подобных конструкций, облегчило исполнение и избавило от множества сложностей с коммутацией.

Принцип работы

Увеличение надежности, уменьшение цены и более простое изготовление обеспечивается отсутствием механических коммутационных элементов, обмотки ротора и постоянных магнитов. При этом повышение результативности возможно благодаря уменьшению потерь трения в коллекторной системе. Бесщеточный двигатель может функционировать на переменном либо непрерывном токе. Последний вариант отличается заметным сходством с Его характерной особенностью является формирование магнитного вращающегося поля и применение импульсного тока. В его основе присутствует электронный коммутатор, из-за чего повышается сложность конструкции.

Вычисление положения

Генерирование импульсов происходит в управляющей системе после сигнала, отражающего положение ротора. От стремительности вращения мотора напрямую зависит степень напряжения и подачи. Датчик в стартере определяет положение ротора и подает электрический сигнал. Вместе с магнитными полюсами, проходящими рядом с датчиком, меняется амплитуда сигнала. Также существуют бездатчиковые методики установления положения, к их числу относятся точки прохождения тока и преобразователи. ШИМ на входящих зажимах обеспечивают сохранение переменного уровня напряжения и управление мощностью.

Для ротора с неизменными магнитами подведение тока необязательно, благодаря чему отсутствуют потери в обмотке ротора. Бесщеточный двигатель для шуруповерта отличается низким уровнем инерции, обеспечиваемым отсутствием обмоток и механизированного коллектора. Таким образом появилась возможность использования на высоких скоростях без искрения и электромагнитного шума. Высокие значения тока и упрощение рассеивания тепла достигаются размещением нагревающих цепей на статоре. Стоит также отметить наличие электронного встроенного блока на некоторых моделях.

Магнитные элементы

Расположение магнитов может быть различным в соответствии с размерами двигателя, к примеру, на полюсах или по всему ротору. Создание качественных магнитов с большей мощностью возможно благодаря использованию неодима в сочетании с бором и железом. Несмотря на высокие показатели эксплуатации, бесщеточный двигатель для шуруповертас постоянными магнитами обладает некоторыми недостатками, в их числе утрата магнитных характеристик при высоких температурах. Но они отличаются большей эффективностью и отсутствием потерь по сравнению с машинами, в конструкции которых имеются обмотки.

Импульсы инвертора определяют механизма. При неизменной питающей частоте работа двигателя осуществляется с постоянной скоростью в разомкнутой системе. Соответственно, скорость вращения меняется в зависимости от уровня питающей частоты.

Характеристики

Работает в установленных режимах и имеет функционал щеточного аналога, скорость которого зависит от приложенного напряжения. Механизм обладает множеством достоинств:

• отсутствие изменений при намагничивании и утечке тока;
• соответствие скорости вращения и самого вращающего момента;
• скорость не ограничивается влияющей на коллектор и роторную электрообмотку;
• нет необходимости в коммутаторе и обмотке возбуждения;
• используемые магниты отличаются небольшим весом и компактными размерами;
• высокий момент силы;
• энергонасыщенность и эффективность.

Использование

Постоянного тока с постоянными магнитами встречается в основном в устройствах с мощностью в пределах 5 кВт. В более мощной аппаратуре их применение нерационально. Также стоит отметить, что магниты в двигателях данного типа отличаются особой чувствительностью к высоким температурам и сильным полям. Индукционные и щеточные варианты лишены таких недостатков. Двигатели активно используются в автомобильных приводах благодаря отсутствию трения в коллекторе. Среди особенностей нужно выделить равномерность вращающего момента и тока, что обеспечивает снижение акустического шума.

Наверняка у каждого новичка, который впервые связал свою жизнь с электромоделями на радиоуправлении, после тщательного изучения начинки, появляется вопрос. Что такое коллекторный (Brushed) и ? Какой из них лучше поставить на свою радиоуправляемую электромодель?

Коллекторные моторы, которые так часто используются для приведения в движение электромоделей на радиоуправлении, 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 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 мотора

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.

Многие знают, что, если взять два любых магнита и приставить их одноименными полюсами друг другу, то они не за что не сойдутся, а если приставить разноименными, то они прилипнут так, что не всегда возможно их разъединить.

Так вот, это электромагнитное поле, которое возникает 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 (три 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 это 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. Так как 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 эл. двигателя. Это самый весомый минус таких моторов, который сводит на нет все его положительные качества.

Принцип работы бесколлекторного мотора

Здесь все наоборот, у моторов типа 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 (обмен данными о положении ротора происходит более 100 раз в секунду). На выходе мы получаем более плавную работу самого мотора с максимальной отдачей.

Бесколлекторные моторы могут быть с датчиком (сенсором) и без него. Отсутствие датчика незначительно снижает эффективность работы мотора, поэтому их отсутствие вряд ли расстроит новичка, но зато, приятно удивит ценник. Отличить друг от друга их просто. У моторов с датчиком, помимо 3-х толстых проводов питания есть еще дополнительный шлейф из тонких, которые идут к регулятору скорости. Не стоит гнаться за моторами с датчиком как новичку так и любителю, т.к их потенциал оценит только профи, а остальные просто переплатят, причем значительно.

Плюсы бесколлекторных моторов

Почти нет изнашиваемых деталей. Почему «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, что впоследствии вызывает помехи в работе радиоаппаратуры. Так вот у бесколлектоных, как вы уже поняли, эти проблемы исключены. Нет трения, нет перегрева, что так же является существенным преимуществом. 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 посмотреть на это с другой стороны, и учесть тот факт что эксплуатация освобождает владельца сразу от таких заморочек как замена пружин, якоря, щеток, коллекторов, то вы с легкостью отдадите предпочтение в пользу последних.

Одна из причин, по которой конструкторы проявляют интерес именно к бесколлекторным электродвигателям — это необходимость в высокооборотных моторах с небольшими размерами. Причём у этих двигателей очень точное позиционирование. В конструкции имеется подвижный ротор и неподвижный статор. На роторе находится один постоянный магнит или несколько, расположенных в определённой последовательности. На статоре же находятся катушки, которые создают магнитное поле.

Нужно отметить еще одну особенность — бесколлекторные электродвигатели могут иметь якорь, расположенный как внутри, так и на внешней стороне. Следовательно, два типа конструкции могут иметь определенное применение в различных сферах. При расположении якоря внутри получается добиться очень высокой скорости вращения, поэтому такие моторы очень хорошо работают в конструкциях систем охлаждения. В том случае, если устанавливается привод с внешним расположением ротора, можно добиться очень точного позиционирования, а также высокой устойчивости к перегрузкам. Очень часто такие моторы используются в робототехнике, медицинском оборудовании, в станках с частотным программным управлением.

Как работают моторы

Для того чтобы привести в движение ротор бесколлекторного электродвигателя постоянного тока необходимо использовать специальный микроконтроллер. Его не получится запустить таким же образом, как синхронную или асинхронную машину. При помощи микроконтроллера получается включить обмотки двигателя так, чтобы направление векторов магнитных полей на статоре и якоре были ортогональны.

Другими словами, при помощи драйвера получается регулировать который действует на ротор бесколлекторного двигателя. Чтобы переместить якорь необходимо осуществить правильную коммутацию в обмотках статора. К сожалению, обеспечить плавное управление вращением не получается. Зато можно очень быстро увеличить ротора электродвигателя.

Отличия коллекторных и бесколлекторных двигателей

Основное отличие заключается в том, что на бесколлекторных электродвигателях для моделей отсутствует обмотка на роторе. В случае с коллекторными электромоторами, на их роторах имеются обмотки. А вот постоянные магниты устанавливаются на неподвижной части двигателя. Кроме того, на роторе устанавливается специальной конструкции коллектор, к которому производится подключение графитовых щёток. С их помощью подается напряжение на обмотку ротора. Принцип работы бесколлекторного электродвигателя тоже существенно отличается.

Как работает коллекторная машина

Чтобы произвести запуск коллекторного двигателя, потребуется подать напряжение на обмотку возбуждения, которая расположена непосредственно на якоре. При этом образуется постоянное магнитное поле, которое взаимодействует с магнитами на статоре, в результате чего проворачиваются якорь и коллектор, закрепленный на нём. При этом подается питание на следующую обмотку, происходит повтор цикла.

Скорость вращения ротора зависит напрямую от того, насколько интенсивно магнитное поле, а последняя характеристика зависит напрямую от величины напряжения. Следовательно, чтобы увеличить или уменьшить частоту вращения, необходимо изменить напряжение питания.

Для реализации реверса потребуется только лишь изменить полярность подключения мотора. Для такого управления не нужно использовать специальные микроконтроллеры, изменять частоту вращения можно при помощи обычного переменного резистора.

Особенности бесколлекторных машин

Но вот управление бесколлекторным электродвигателем невозможно без использования специальных контроллеров. Исходя из этого, можно сделать вывод, что в качестве генератора моторы такого типа применяться не могут. Для эффективности управления можно отслеживать положение ротора с помощью нескольких датчиков Холла. При помощи таких несложных устройств получается значительно улучшить характеристики, но стоимость электродвигателя увеличится в несколько раз.

Запуск бесколлекторных моторов

Изготавливать микроконтроллеры самостоятельно нет смысла, намного лучшим вариантом окажется покупка готового, пусть и китайского. Но необходимо придерживаться следующих рекомендаций при выборе:

1. Учитывайте максимально допустимую силу тока. Этот параметр обязательно пригодится для различных видов работы привода. Характеристика часто указывается производителями непосредственно в названии модели. Очень редко указываются значения, характерные для пиковых режимов, в которых микроконтроллер не может работать продолжительное время.
2. Для продолжительной работы необходимо учитывать и максимальную величину напряжения питания.
3. Обязательно учитывайте сопротивление всех внутренних цепей микроконтроллера.
4. Обязательно нужно учитывать максимальное число оборотов, которое характерно для работы этого микроконтроллера. Обратите внимание на то, что он не сможет увеличить максимальную частоту вращения, так как ограничение сделано на уровне программного обеспечения.
5. Дешёвые модели микроконтроллерных устройств имеют импульсов в интервале 7…8 кГц. Дорогие экземпляры можно перепрограммировать, и этот параметр увеличивается в 2-4 раза.

Старайтесь подбирать микроконтроллеры по всем параметрам, так как они влияют на мощность, которую может развить электродвигатель.

Как осуществляется управление

Электронный блок управления позволяет провести коммутацию обмоток привода. Для определения момента переключения при помощи драйвера отслеживается положение ротора по датчику Холла, установленном на приводе.

В том случае, если нет таких устройств, необходимо считывать обратное напряжение. Оно генерируется в катушках статора, не подключенных на данный момент времени. Контроллер — это аппаратно-программный комплекс, он позволяет отслеживать все изменения и максимально точно задавать порядок коммутации.

Трехфазные бесколлекторные электродвигатели

Очень много бесколлекторных электродвигателей для авиамоделей выполняется под питание постоянным током. Но существуют и трехфазные экземпляры, в которых устанавливаются преобразователи. Они позволяют из постоянного напряжения сделать трехфазные импульсы.

Работа происходит следующим образом:

1. На катушку «А» поступают импульсы с положительным значением. На катушку «В» — с отрицательным значением. В результате этого якорь начнет двигаться. Датчики фиксируют смещение и подаётся сигнал на контроллер для осуществления следующей коммутации.
2. Происходит отключение катушки «А», при этом импульс положительного значения поступает на обмотку «С». Коммутация обмотки «В» не претерпевает изменений.
3. На катушку «С» попадается положительный импульс, а отрицательный поступает на «А».
4. Затем вступает в работу пара «А» и «В». На них и подаются положительные отрицательные значения импульсов соответственно.
5. Затем положительный импульс опять поступает на катушку «В», а отрицательный на «С».
6. На последнем этапе происходит включение катушки «А», на которую поступает положительный импульс, и отрицательный идет к С.

И после этого происходит повтор всего цикла.

Преимущества использования

Изготовить своими руками бесколлекторный электродвигатель сложно, а реализовать микроконтроллерное управление практически невозможно. Поэтому лучше всего использовать готовые промышленные образцы. Но обязательно учитывайте достоинства, которые получает привод при использовании бесколлекторных электродвигателей:

1. Существенно больший ресурс, нежели у коллекторных машин.
2. Высокий уровень КПД.
3. Мощность выше, нежели у коллекторных моторов.
4. Скорость вращения набирается намного быстрее.
5. Во время работы не образуются искры, поэтому их можно использовать в условиях с высокой пожарной опасностью.
6. Очень простая эксплуатация привода.
7. При работе не нужно использовать дополнительные компоненты для охлаждения.

Среди недостатков можно выделить очень высокую стоимость, если учитывать еще и цену контроллера. Даже кратковременно включить для проверки работоспособности такой электродвигатель не получится. Кроме того, ремонтировать такие моторы намного сложнее из-за их особенностей конструкции.

Опубліковано 11.04.2013

Общее устройство (Inrunner, Outrunner)

Бесколлекторный двигатель постоянного тока состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Различают два типа двигателей: Inrunner , у которых магниты ротора находятся внутри статора с обмотками, и Outrunner , у которых магниты расположены снаружи и вращаются вокруг неподвижного статора с обмотками.

Схему Inrunner обычно применяют для высокооборотистых двигателей с небольшим количеством полюсов. Outrunner при необходимости получить высокомоментный двигатель со сравнительно небольшими оборотами. Конструктивно Inrunners проще из за того, что неподвижный статор может служить корпусом. К нему могут быть смонтированы крепежные приспособления. В случае Outrunners вращается вся внешняя часть. Крепеж двигателя осуществляется за неподвижную ось либо детали статора. В случае мотор-колеса крепление осуществляется за неподвижную ось статора, провода заводятся к статору через полую ось.

Магниты и полюса

Количество полюсов на роторе четное. Форма применяемых магнитов обычно прямоугольная. Цилиндрические магниты применяются реже. Устанавливаются они с чередованием полюсов.

Количество магнитов не всегда соответствует количеству полюсов. Несколько магнитов могут формировать один полюс:

В этом случае 8 магнитов формируют 4 полюса. Размер магнитов зависит от геометрии двигателя и характеристик мотора. Чем сильнее применяемые магниты, тем выше момент силы, развиваемый двигателем на валу.

Магниты на роторе закрепляются с помощью специального клея. Реже встречаются конструкции с держателем магнитов. Материал ротора может быть магнитопроводящим (стальным), немагнитопроводящим (алюминиевые сплавы, пластики и т.п.), комбинированным.

Обмотки и зубья

Обмотка трехфазного бесколлекторного двигателя выполняется медным проводом. Провод может быть одножильным или состоять из нескольких изолированных жил. Статор выполняется из нескольких сложенных вместе листов магнитопроводящей стали.

Количество зубьев статора должно делиться на количество фаз. т.е. для трехфазного бесколлекторного двигателя количество зубьев статора должно делиться на 3 . Количество зубьев статора может быть как больше так и меньше количества полюсов на роторе. Например существуют моторы со схемами: 9 зубьев/12 магнитов; 51 зуб/46 магнитов.

Двигателя с 3-х зубым статором применяют крайне редко. Поскольку в каждый момент времени работает только две фазы (при включении звездой), магнитные силы воздействуют на ротор не равномерно по всей окружности (см. рис.).

Силы, воздействующие на ротор, стараются его перекосить, что приводит к увеличению вибраций. Для устранения этого эффекта статор делают с большим количеством зубьев, а обмотку распределяют по зубьям всей окружности статора как можно равномернее.

В этом случае магнитные силы, воздействующие на ротор, компенсируют друг друга. Дисбаланса не возникает.

Варианты распределения обмоток фаз по зубьям статора

Вариант обмотки на 9 зубов

Вариант обмотки на 12 зубов

В приведенных схемах число зубов выбрано таким образом, чтобы оно делилось не только на 3 . Например, при 36 зубьях приходится 12 зубьев на одну фазу. 12 зубьев можно распределить так:

Наиболее предпочтительна схема 6 групп по 2 зуба.

Существует двигатель с 51 зубом на статоре! 17 зубов на одну фазу. 17 – это простое число , оно нацело делится только на 1 и на само себя. Как же распределить обмотку по зубьям? Увы, но я не смог найти в литературе примеров и методик, которые помогли бы решить эту задачу. Оказалось, что обмотка распределялась следующим образом:

Рассмотрим реальную схему обмотки.

Обратите внимание, что обмотка имеет разные направления намотки на разных зубьях. Разные направления намотки обозначаются прописными и заглавными буквами. Детально о проектировании обмоток можно прочитать в литературе, предложенной в конце статьи.

Классическая обмотка выполняется одним проводом для одной фазы. Т.е. все обмотки на зубьях одной фазы соединены последовательно.

Обмотки зубьев могут соединяться и параллельно.

Так же могут быть комбинированные включения

Параллельное и комбинированное включение позволяет уменьшить индуктивность обмотки, что приводит к увеличению тока статора (следовательно и мощности) и скорости вращения двигателя.

Обороты электрические и реальные

Если ротор двигателя имеет два полюса, то при одном полном обороте магнитного поля на статоре, ротор совершает один полный оборот. При 4 полюсах, чтобы повернуть вал двигателя на один полный оборот потребуется два оборота магнитного поля на статоре. Чем больше количество полюсов ротора, тем больше потребуется электрических оборотов для вращения вала двигателя на один оборот. Например, имеем 42 магнита на роторе. Для того чтобы провернуть ротор на один оборот, потребуется 42/2=21 электрический оборот. Это свойство можно использовать как своеобразный редуктор. Подобрав необходимое количество полюсов, можно получить двигатель с желаемыми скоростными характеристиками. Кроме того, понимание этого процесса будет нам необходимо в будущем, при выборе параметров регулятора.

Датчики положения

Устройство двигателей без датчиков отличается от двигателей с датчиками только отсутствием последних. Других принципиальных отличий нет. Наиболее распространены датчики положения, работающие на основе эффекта Холла. Датчики реагируют на магнитное поле, их располагают, как правило, на статоре таким образом, чтобы на них воздействовали магниты ротора. Угол между датчиками должен быть 120 градусов.

Имеется в виду “электрических” градусов. Т.е. для многополюсного двигателя физическое расположение датчиков может быть таким:

Иногда датчики располагают снаружи двигателя. Вот один из примеров расположения датчиков. На самом деле это был двигатель без датчиков. Таким простым способом его оснастили датчиками холла.

На некоторых двигателях датчики устанавливают на специальном устройстве, которое позволяет перемещать датчики в определенных пределах. С помощью такого устройства устанавливается угол опережения (timing). Однако, если двигатель требует реверса (вращения в обратную сторону) потребуется второй комплект датчиков, настроенных на обратный ход. Поскольку timing не имеет решающего значения при старте и низких оборотах, можно установить датчики в нулевую точку, а угол опережения корректировать программно, когда двигатель начнет вращаться.

Основные характеристики двигателя

Каждый двигатель рассчитывается под определенные требования и имеет следующие основные характеристики:

• Режим работы на который рассчитан двигатель: длительный или кратковременный. Длительный режим работы подразумевает, что двигатель может работать часами. Такие двигатели рассчитываются таким образом, чтобы теплоотдача в окружающую среду была выше тепловыделения самого двигателя. В этом случае он не будет разогреваться. Пример: вентиляция, привод эскалатора или конвейера. Кратковременный – подразумевает, что двигатель будет включаться на короткий период, за который не успеет разогреться до максимальной температуры, после чего следует длительный период, за время которого двигатель успевает остыть. Пример: привод лифта, электробритвы, фены.
• Сопротивление обмотки двигателя . Сопротивление обмотки двигателя влияет на КПД двигателя. Чем меньше сопротивление, тем выше КПД. Измерив сопротивление, можно выяснить наличие межвиткового замыкания в обмотке. Сопротивление обмотки двигателя составляет тысячные доли Ома. Для его измерения требуется специальный прибор или специальная методика измерения.
• Максимальное рабочее напряжение . Максимальное напряжение, которое способна выдержать обмотка статора. Максимальное напряжение взаимосвязано со следующим параметром.
• Максимальные обороты . Иногда указывают не максимальные обороты, а Kv – количество оборотов двигателя на один вольт без нагрузки на валу. Умножив этот показатель на максимальное напряжение, получим максимальные обороты двигателя без нагрузки на валу.
• Максимальный ток . Максимально допустимый ток обмотки. Как правило, указывается и время, в течение которого двигатель может выдержать указанный ток. Ограничение максимального тока связано с возможным перегревом обмотки. Поэтому при низких температурах окружающей среды реальное время работы с максимальным током будет больше, а в жару двигатель сгорит раньше.
• Максимальная мощность двигателя. Напрямую связана с предыдущим параметром. Это пиковая мощность, которую двигатель может развить на небольшой период времени, обычно – несколько секунд. При длительной работе на максимальной мощности неизбежен перегрев двигателя и выход его из строя.
• Номинальная мощность . Мощность, которую двигатель может развивать на протяжении всего времени включения.
• Угол опережения фазы (timing) . Обмотка статора имеет некоторую индуктивность, которая затормаживает рост тока в обмотке. Ток достигнет максимума через некоторое время. Для того, чтобы компенсировать эту задержку переключение фаз выполняют с некоторым опережением. Аналогично зажиганию в двигателе внутреннего сгорания, где выставляется угол опережения зажигания с учетом времени воспламенения топлива.

Так же следует обратить внимание на то, что при номинальной нагрузке Вы не получите максимальных оборотов на валу двигателя. Kv указывается для не загруженного двигателя. При питании двигателя от батарей следует учесть “проседание” питающего напряжения под нагрузкой, что в свою очередь также снизит максимальные обороты двигателя.

Опубліковано 19.03.2013

Этой статьёй я начинаю цикл публикаций о бесколлекторных двигателях постоянного тока. Доступным языком опишу общие сведения, устройство, алгоритмы управления бесколлекторным двигателем. Будут рассмотрены разные типы двигателей, приведены примеры подбора параметров регуляторов. Опишу устройство и алгоритм работы регулятора, методику выбора силовых ключей и основных параметров регулятора. Логическим завершением публикаций будет схема регулятора.

Бесколлекторные двигатели получили широкое распространение благодаря развитию электроники и, в том числе, благодаря появлению недорогих силовых транзисторных ключей. Также немаловажную роль сыграло появление мощных неодимовых магнитов.

Однако не стоит считать бесколлекторный двигатель новинкой. Идея бесколлекторного двигателя появилась на заре электричества. Но, в силу неготовности технологий, ждала своего времени до 1962 года, когда появился первый коммерческий бесколлекторный двигатель постоянного тока. Т.е. уже более полувека существуют различные серийные реализации этого типа электропривода!

Немного терминологии

Бесколлекторные двигатели постоянного тока называют так же вентильными, в зарубежной литературе BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) или PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor).

Конструктивно бесколлекторный двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Обращаю Ваше внимание на то, что в коллекторном двигателе наоборот, обмотки находятся на роторе. Поэтому, далее в тексте ротор – магниты, статор – обмотки.

Для управления двигателем применяется электронный регулятор. В зарубежной литературе Speed Controller или ESC (Electronic speed control).

Что такое бесколлекторный двигатель?

Обычно люди, сталкиваясь с чем-то новым, ищут аналогии. Иногда приходится слышать фразы “ну это как синхронник”, или еще хуже “он похож на шаговик”. Поскольку большинство бесколлекторных двигателей трехфазные, это еще больше путает, что приводит к неправильному мнению о том, что регулятор “кормит” двигатель переменным 3-x фазным током. Все вышесказанное соответствует действительности только отчасти. Дело в том, что синхронными можно назвать все двигатели кроме асинхронных. Все двигатели постоянного тока являются синхронными с самосинхронизацией, но их принцип действия отличается от синхронных двигателей переменного тока, у которых самосинхронизация отсутствует. Как шаговый бесколлекторный двигатель тоже, наверное, сможет работать. Но тут такое дело: кирпич он тоже может летать… правда, недалеко, ибо для этого не предназначен. В качестве шагового двигателя больше подойдет вентильный реактивный двигатель .

Попробуем разобраться, что собой представляет бесколлекторный двигатель постоянного тока (Brushles Direct Current Motor). В самой этой фразе уже кроется ответ – это двигатель постоянного тока без коллектора. Функции коллектора выполняет электроника.

Преимущества и недостатки

Из конструкции двигателя удаляется довольно сложный, требующий обслуживания тяжелый и искрящий узел – коллектор. Конструкция двигателя существенно упрощается. Двигатель получается легче и компактнее. Значительно уменьшаются потери на коммутацию, поскольку контакты коллектора и щетки заменяются электронными ключами. В итоге получаем электродвигатель с наилучшими показателями КПД и показателем мощности на килограмм собственного веса, с наиболее широким диапазоном изменения скорости вращения. На практике бесколлекторные двигатели греются меньше, чем их коллекторные братья. Переносят большую нагрузку по моменту. Применение мощных неодимовых магнитов сделали бесколлекторные двигатели еще более компактными. Конструкция бесколекторного двигателя позволяет эксплуатировать его в воде и агресивных средах (разумеется, только двигатель, регулятор мочить будет очень дорого). Бесколлекторные двигатели практически не создают радиопомех.

Единственным недостатком считают сложный дорогостоящий электронный блок управления (регулятор или ESC). Однако, если вы хотите управлять оборотами двигателя, без электроники никак не обойтись. Если вам не надо управлять оборотами бесколлекторного двигателя, без электронного блока управления все равно не обойтись. Бесколлекторный двигатель без электроники – просто железка. Нет возможности подать на него напряжение и добиться нормального вращения как у других двигателей.

Что происходит в регуляторе бесколлекторного двигателя?

Для того чтобы понять, что происходит в электронике регулятора, управляющего бесколлекторным двигателем, вернемся немного назад и сначала разберемся как работает коллекторный двигатель. Из школьного курса физики помним, как магнитное поле действует на рамку с током. Рамка с током вращается в магнитном поле. При этом она не вращается постоянно, а поворачивается до определенного положения. Для того чтобы происходило непрерывное вращение, нужно переключать направление тока в рамке в зависимости от положения рамки. В нашем случае рамка с током – это обмотка двигателя, а переключением занимается коллектор – устройство со щетками и контактами. Устройство простейшего двигателя смотри на рисунке.

То же самое делает и электроника, управляющая бесколлекторным двигателем – в нужные моменты подключает постоянное напряжение на нужные обмотки статора.

Датчики положения, двигатели без датчиков

Из вышесказанного важно уяснить, что подавать напряжение на обмотки двигателя нужно в зависимости от положения ротора. Поэтому электроника должна уметь определять положение ротора двигателя. Для этого применяются датчики положения. Они могут быть различного типа, оптические, магнитные и т. д. В настоящее время очень распространены дискретные датчики на основе эффекта Холла (например SS41). В трехфазном бесколлекторном двигателе используется 3 датчика. Благодаря таким датчикам электронный блок управления всегда знает, в каком положении находится ротор и на какие обмотки подавать напряжение в каждый момент времени. Позже будет рассмотрен алгоритм управления трехфазным бесколлекторным двигателем.

Существуют бесколлекторные двигатели, которые не имеют датчиков. В таких двигателях положение ротора определяется путем измерения напряжения на незадействованной в данный момент времени обмотке. Эти методы также будут рассмотрены позднее. Следует обратить внимание на существенный момент: этот способ актуален только при вращении двигателя. Когда двигатель не вращается или вращается очень медленно, такой метод не работает.

В каких случаях применяют бесколлекорные двигатели с датчиками, а в каких – без датчиков? В чем их отличие?

Двигатели с датчиками положения более предпочтительны с технической точки зрения. Алгоритм управления такими двигателями значительно проще. Однако есть и свои минусы: требуется обеспечить питание датчиков и прокладку проводов от датчиков в двигателе к управляющей электронике; в случае выхода со строя одного из датчиков, двигатель прекращает работу, а замена датчиков, как правило, требует разборки двигателя.

В тех случаях, когда конструктивно невозможно разместить датчики в корпусе двигателя, используют двигатели без датчиков. Конструктивно такие двигатели практически не отличаются от двигателей с датчиками. А вот электронный блок должен уметь управлять двигателем без датчиков. При этом блок управления должен соответствовать характеристикам конкретной модели двигателя.

Если двигатель должен стартовать с существенной нагрузкой на валу двигателя (электротранспорт, подъёмные механизмы и т.п.) – применяют двигатели с датчиками.
Если двигатель стартует без нагрузки на валу (вентиляция, воздушный винт, применяется центробежная муфта сцепления и т.п.), можно применять двигатели без датчиков. Запомните: двигатель без датчиков положения должен стартовать без нагрузки на валу. Если это условие не соблюдается, следует использовать двигатель с датчиками. Кроме того, в момент старта двигателя без датчиков возможны вращательные колебания оси двигателя в разные стороны. Если это критично для Вашей системы, применяйте двигатель с датчиками.

Три фазы

Трехфазные бесколлекторные двигатели приобрели наибольшее распространение. Но они могут быть и одно, двух, трех и более фазными. Чем больше фаз, тем более плавное вращение магнитного поля, но и сложнее система управления двигателем. 3-х фазная система наиболее оптимальна по соотношению эффективность/сложность, поэтому и получила столь широкое распространение. Далее будет рассматриваться только трехфазная схема, как наиболее распространенная. Фактически фазы – это обмотки двигателя. Поэтому если сказать “трехобмоточный”, думаю, это тоже будет правильно. Три обмотки соединяются по схеме “звезда” или “треугольник”. Трехфазный бесколлекторный двигатель имеет три провода – выводы обмоток, см. рисунок.

Двигатели с датчиками имеют дополнительных 5 проводов (2-питание датчиков положения, и 3 сигналы от датчиков).

В трехфазной системе в каждый момент времени напряжение подается на две из трех обмоток. Таким образом, есть 6 вариантов подачи постоянного напряжения на обмотки двигателя, как показано на рисунке ниже.

Коллекторные и бесщеточные двигатели: в чем разница?

Вот уже несколько лет мы наблюдаем, как бесщеточные двигатели начинают доминировать в индустрии профессиональных инструментов в области аккумуляторных инструментов. Это здорово, но что в этом такого? Пока я еще могу крутить этот шуруп, разве это имеет значение? Ну да, это так. Существуют значительные различия и последствия при работе с щеточными и бесщеточными двигателями.

Начните здесь: как работает щеточный двигатель постоянного тока

Прежде чем мы обеими ногами углубимся в сравнение щеточных и бесщеточных двигателей, давайте рассмотрим основы того, как на самом деле работает двигатель постоянного тока. Когда дело доходит до управления двигателем, все дело в магнитах. Разноименно заряженные магниты притягиваются друг к другу. Основная идея в двигателе постоянного тока состоит в том, чтобы поддерживать противоположный заряд вращающейся части (ротора), притягивая неподвижные магниты (статор) перед собой, чтобы было постоянное тяговое усилие. Это все равно, что держать перед собой пончик с бостонским кремом на палочке, пока я бегу — я буду продолжать пытаться его поймать!

Вопрос в том, как заставить этот пончик двигаться. Нет простого способа сделать это.Он начинается с набора магнитов, которые удерживают постоянный заряд (постоянные магниты). У набора электромагнитов меняется заряд (меняется полярность), в то время как происходит вращение, поэтому всегда есть противоположно заряженный постоянный магнит, к которому он движется. Кроме того, одноименный заряд, который испытывает электромагнитная катушка при изменении, отталкивает катушку. Когда мы смотрим на щеточные и бесщеточные двигатели, вся разница заключается в том, как этот электромагнит меняет полярность.

Взгляд внутрь щеточного двигателя

Коллекторный двигатель состоит из четырех основных частей: постоянных магнитов, якоря, коллекторных колец и щеток.Постоянные магниты составляют внешнюю часть механизма и не двигаются (статор). Один заряжен положительно, а другой отрицательно, создавая постоянное магнитное поле.

Якорь представляет собой катушку или ряд катушек, которые становятся электромагнитами при подаче питания. Это также та часть, которая вращается (ротор) и обычно изготавливается из меди, хотя возможен и алюминий.

Коллекторные кольца крепятся к обмотке якоря в виде двух (2-полюсная конфигурация), четырех (4-полюсная конфигурация) и более штук.Они вращаются вместе с арматурой. Наконец, угольные щетки остаются на месте и передают электрический заряд на каждую часть коммутатора.

Все дело в якоре

Когда на якорь подается питание, заряженная катушка притягивается к противоположно заряженному постоянному магниту. Поскольку кольцо коммутатора над ним также вращается, оно перемещается от соединения с одной угольной щеткой к другой. Когда он достигает следующей щетки, он получает обратную полярность и теперь притягивается к другому постоянному магниту, но отталкивается от такого же заряда.Ощутимо, когда коммутатор достигает отрицательной щетки, теперь он притягивается к положительному постоянному магниту. Коммутатор появляется как раз вовремя, чтобы сформировать соединение с положительной щеткой и следует за отрицательным постоянным магнитом. Щетки расположены парами, поэтому положительная катушка будет тянуться к отрицательному магниту, а отрицательная катушка одновременно будет тянуться к положительному магниту.

Как будто я катушка арматуры, гоняющаяся за пончиком с бостонским кремом. Я приближаюсь, но затем передумал и пошел за более здоровым смузи (моя полярность или желание изменились).Ведь пончик полон калорий и жира. Теперь я гоняюсь за смузи, пока меня отталкивают от Boston Creme. Когда я прихожу туда, я понимаю, насколько этот пончик будет вкуснее смузи. Пока спусковой крючок нажат, я меняю свое мнение каждый раз, когда добираюсь до следующей кисти, лихорадочно гоняясь по кругу за объектом своей привязанности. Это лучшее средство от СДВГ, которое можно использовать с пользой. Кроме того, нас там двое, так что один из нас всегда страстно, но нерешительно гонится за пончиком и смузи с бостонским кремом.

Внутри бесщеточного двигателя

В бесщеточном двигателе вы теряете коммутатор и щетки, но получаете электронный контроллер. Теперь постоянные магниты действуют как ротор и вращаются внутри, в то время как статор состоит из фиксированных электромагнитных катушек, которые теперь находятся снаружи. Контроллер питает каждую катушку в зависимости от того, какой заряд необходим для притяжения постоянного магнита.

В дополнение к электронному перемещению заряда, контроллер также может обеспечивать аналогичный заряд для противодействия постоянному магниту.Поскольку одинаковые заряды противостоят друг другу, это толкает постоянный магнит. Теперь ротор движется благодаря тяге и толчку.

Постоянные магниты в этом случае движутся, так что теперь они мои партнеры по бегу и я. Мы больше не меняем свое мнение о том, чего мы хотим. Вместо этого мы знаем, что я хочу пончик с бостонским кремом, а мой партнер хочет смузи.

Электронный контроллер заставляет наши деликатесы для завтрака двигаться перед нами, и мы всегда гонимся за одним и тем же.Контроллер также помещает то, что нам не нужно, прямо позади, чтобы предложить толчок.

Стоимость щеточных и бесщеточных двигателей постоянного тока

Коллекторный двигатель постоянного тока относительно прост, а детали для его изготовления недороги (хотя медь не становится дешевле). Поскольку для бесщеточных двигателей требуется этот электронный коммуникатор, вы, по сути, начинаете собирать компьютер внутри своего беспроводного инструмента. Это то, что увеличивает стоимость бесколлекторных двигателей.

Эффективность щеточных и бесщеточных двигателей

Благодаря конструкции бесщеточные двигатели имеют ряд преимуществ перед щеточными двигателями.Во многом это связано с потерей щеток и коллектора. Поскольку щетка должна соприкасаться с коллектором для передачи заряда, это также вызывает трение. Трение снижает скорость, которая может быть достигнута, наряду с накоплением тепла. Это похоже на езду на велосипеде со слегка нажатым тормозом. При одинаковом усилии ваших ног вы будете медленнее. И наоборот, если вы хотите сохранить скорость, ваши ноги будут отнимать больше энергии. Вы также будете нагревать свои диски от тепла трения.Это означает, что по сравнению с щеточными двигателями бесщеточные двигатели работают с меньшим нагревом. Это дает им большую эффективность, поэтому они преобразуют больше электроэнергии в мощность.

Угольные щетки также со временем изнашиваются. Это то, что вызывает искру внутри некоторых инструментов. Чтобы инструмент продолжал работать, щетки необходимо время от времени заменять. Бесщеточные двигатели не требуют такого обслуживания.

Хотя для бесщеточных двигателей требуется электронный контроллер, комбинация ротор/статор более компактна. Это приводит к возможности для более легкого веса и более компактного размера.Вот почему мы видим, что так много инструментов, таких как ударный шуруповерт Makita XDT16, имеют сверхкомпактную конструкцию и большую мощность.

Крутящий момент щеточного и бесщеточного двигателей

Кажется, существует неправильное представление о бесщеточных двигателях и крутящем моменте. Сама конструкция щеточного или бесщеточного двигателя на самом деле не указывает на величину крутящего момента. Например, первая ударная дрель Milwaukee M18 FUEL имела меньший реальный крутящий момент, чем предшествовавшая ей щеточная модель.

В конце концов, однако, производители поняли кое-что очень важное.Электроника, используемая в бесколлекторных двигателях, может снабжать эти двигатели большей мощностью, когда это необходимо.

Поскольку бесщеточные двигатели теперь используют передовые электронные средства управления, они могут определять, когда они начинают замедляться под нагрузкой. Пока температура аккумулятора и двигателя соответствует спецификациям, электроника бесщеточного двигателя может запрашивать и получать больший ток от аккумуляторной батареи. Это позволяет таким инструментам, как бесщеточные дрели и пилы, поддерживать большую скорость под нагрузкой. Это делает их быстрее. Часто намного быстрее .Некоторые примеры этого включают Milwaukee RedLink Plus, Makita LXT Advantage и DeWalt Perform and Protect.

Эти технологии органично объединяют двигатель, аккумулятор и электронику инструмента в единую систему для достижения максимально возможной производительности и времени работы.

Более глубокое погружение в технологию двигателей BLDC

Коммутация — изменение полярности заряда — запускает бесщеточный двигатель и поддерживает его вращение. Затем вам нужно контролировать как скорость, так и крутящий момент. Изменение напряжения на статоре двигателя BLDC регулирует скорость.Модулирование напряжения на более высоких частотах позволяет еще больше контролировать скорость двигателя.

Для управления крутящим моментом можно уменьшить напряжение статора, когда крутящий момент двигателя превышает определенный уровень. Конечно, это вводит ключевую потребность: мониторинг двигателя и датчики.

Датчики Холла обеспечивают недорогой способ определения положения ротора. Они также могут определять скорость по времени, когда и как часто переключаются датчики.

Примечание редактора: Ознакомьтесь с нашей статьей «Что такое бессенсорный бесщеточный двигатель», чтобы узнать, как передовые технологии двигателей BLDC меняют электроинструменты.

Окончательный вердикт

Сочетание этих преимуществ имеет еще один эффект — увеличение срока службы. Хотя гарантия обычно одинакова для щеточных и бесщеточных двигателей (и инструментов) в рамках бренда, вы можете рассчитывать на более длительный срок службы бесщеточных моделей. Это часто может быть годами после гарантии.

Помните, я говорил об электронном контроллере, который, по сути, представляет собой компьютер в вашем инструменте? Бесщеточный двигатель также стал причиной прорыва в области интеллектуальных инструментов, поразивших промышленность. Технология Milwaukee One-Key не работала бы, если бы бесщеточный двигатель не зависел от электронных коммуникаций.

В чем разница между бесщеточным и щеточным двигателем?

Бесщеточные и щеточные двигатели, по существу, выполняют одну и ту же функцию. Они преобразуют электрический ток во вращательное движение.

В то время как коллекторные двигатели доступны уже более 100 лет, бесщеточные двигатели появились в 1960-х годах, когда твердотельная электроника сделала возможным их проектирование. Только в 1980-х годах бесщеточные двигатели стали более распространенными в инструментах и ​​​​электронике.Сегодня обе конструкции используются во всем мире для бесконечных приложений.

Механический и электронный привод

Основное различие между щеточными и бесщеточными двигателями заключается в том, что щеточные двигатели имеют механический привод, а бесщеточные — электронный.

В щеточных двигателях , статор (неподвижная часть) содержит постоянные магниты, а ротор (подвижная часть) содержит электромагниты. Угольные щетки при физическом контакте с коммутатором в роторе передают на него электрическое напряжение.Это напряжение создает электромагнитное поле в роторе. Постоянно меняя полярность магнитного поля через коммутатор, достигается вращательное движение. Конструкция проста, но имеет свои недостатки:

• Меньшая эффективность
• Более высокая температура
• Меньший срок службы
• Требует большего обслуживания

В бесколлекторных двигателях все перевернуто. Ротор содержит постоянные магниты, а статор создает электромагнитное поле.Вместо щеток электронный контроллер создает трехфазный переменный ток, который последовательно питает катушки двигателя. Это формирует вращающееся магнитное поле в статоре, которое питает магниты ротора и создает вращательное движение.

Есть несколько недостатков бесщеточной конструкции:

• Требуется электронный контроллер
• Более дорогой
• Более сложный

Что лучше: щеточный или бесщеточный?

Обе конструкции имеют свои преимущества, и ни одна из них не обязательно лучше. Когда дело доходит до этого, стоимость, вероятно, является самым важным фактором. Коллекторные двигатели производятся серийно и дешевле. Преимущества щеточных двигателей помимо цены:

• Простота в эксплуатации
• Надежность
• Доступны различные размеры и характеристики
• Простота управления полезность перевешивает стоимость, бесщеточный двигатель может быть лучшим вариантом. Преимущества бесщеточных технологий:
  • Точное регулирование скорости
  • Лучше подходят для непрерывных или длительных рабочих циклов
  • Более длительный срок службы
  • Меньше обслуживания
  • Высокая эффективность

  Хотя можно использовать контроллер на щеточном двигатель, стоимость может сделать бесщеточный двигатель лучшим вариантом.

  Щеточные или бесщеточные варианты для вашего применения

  Есть вопросы? Мы знаем электрические двигатели. Свяжитесь с одним из наших компетентных торговых представителей, чтобы узнать больше. Позвольте нам подобрать для вас электродвигатель, который лучше всего подходит для вашего применения и вашего бюджета. Мы поставляем двигатели на заказ вовремя уже более тридцати лет. Позвоните по телефону 763-383-6936 или свяжитесь с нами сегодня.

  Бесщеточные двигатели против щеточных двигателей

  Двигатель постоянного тока является одним из самых фундаментальных машин за последние 200 лет.Этот электродвигатель использует постоянный ток для создания вращательного движения и позволил разработчикам создавать электроинструменты, мобильное оборудование, компьютерные компоненты и другие бесценные устройства с батарейным питанием. Они представляют собой класс, отличный от двигателей переменного тока, которые столь же многочисленны, но имеют другие преимущества (узнайте больше в нашей статье о синхронных двигателях и асинхронных двигателях). Класс двигателей постоянного тока широко разделен на коллекторные двигатели постоянного тока и бесщеточные двигатели постоянного тока, и эта статья поможет тем, кто хочет понять, что отличает один двигатель постоянного тока от другого. Будут объяснены основные принципы, лежащие в основе обоих типов двигателей постоянного тока, а затем будет проведено их сравнение, чтобы показать, где каждая машина работает лучше всего в отрасли.

  Коллекторные двигатели

  Коллекторные двигатели постоянного тока (часто называемые просто «щеточными двигателями») являются одними из старейших электродвигателей и используют постоянный ток с механической коммутацией для выработки механической энергии. Легче всего понять, как работает коллекторный двигатель, показав его различные компоненты, а на рисунке 1 показана принципиальная принципиальная схема коллекторных двигателей:

  .

  Рис. 1: Принципиальная принципиальная схема коллекторных двигателей постоянного тока.Обратите внимание, что поле статора не обязательно подключено к цепи; его источник питания и ориентация — основное различие между коллекторными и бесщеточными двигателями постоянного тока.

  Эти двигатели, как следует из их названия, используют щетки для подключения источника питания постоянного тока к узлу ротора, который является компонентом двигателя, содержащим якорь, коллекторные кольца и выходной вал. Статор или внешний корпус двигателя содержит поле постоянного магнита, создаваемое либо постоянным магнитом, либо некоторой неподвижной катушкой электромагнита (показанной на рисунке 1 как «поле статора»).Постоянное магнитное поле имеет полюса (магнитные пары север-юг), и их линии магнитного поля постоянно проходят через весь узел ротора. Этот узел получает питание, когда щетки пережимают кольца коммутатора, направляющие ток через якорь и его обмотки. При прохождении тока через эти катушки якорь становится собственным электромагнитом и взаимодействует с постоянными полюсами поля статора. Поскольку узел ротора может свободно вращаться, поле, создаваемое якорем, будет отталкивать поле статора, вызывая вращение вала.Это вращение пропорционально токам возбуждения якоря и статора, и изменение этих токов приводит к изменению выходных характеристик.

  Рисунок 1 намеренно нечетко показывает, как подключено поле статора; это связано с тем, что в некоторых типах двигателей постоянного тока обмотки возбуждения статора соединяются по-разному, чтобы создавать разные эффекты двигателя. Чтобы узнать об этих вариантах, ознакомьтесь с нашими статьями о двигателях постоянного тока с последовательной обмоткой и шунтирующих двигателях постоянного тока.

  Двигатели постоянного тока

  относительно недороги, просты в управлении и ремонте и выпускаются в сотнях форм, идеально подходящих для многих условий, особенно экстремальных.Некоторые щеточные двигатели также могут питаться от переменного тока, например, универсальные двигатели, что придает этим машинам дополнительную универсальность в применении. Несмотря на это, коллекторные двигатели широко используются уже много лет, и, хотя они не такие сложные, как некоторые более новые двигатели, они по-прежнему обеспечивают мощность для многих приложений сегодня.

  Бесщеточные двигатели постоянного тока

  В отличие от щеточных двигателей, бесщеточные двигатели постоянного тока (двигатели BLDC), что неудивительно, не создают движение с помощью щеток. Вместо этого они берут постоянное магнитное поле, обычно размещенное в статоре коллекторного двигателя, и помещают его вокруг ротора в виде настоящих магнитов. Статоры двигателей BLDC состоят из электромагнитных катушек (попарно расположенных вокруг ротора), которые электрически включаются и выключаются с помощью электрической системы управления. При включении пара полюсов будет притягивать постоянные полюса ротора, заставляя его поворачиваться в исходное положение. Если полюса статора включаются и выключаются последовательно, то оператор может заставить ротор вращаться с некоторой желаемой частотой; другими словами, электрическое включение и выключение полюсов статора заставит ротор вращаться, создавая механическую энергию.Эта электрическая коммутация имитирует вращающееся магнитное поле (RMF), присутствующее в типичных трехфазных двигателях переменного тока, но позволяет пользователю задавать скорость двигателя, крутящий момент и положение двигателя BLDC. Операторам предоставляется диапазон полезных скоростей и крутящих моментов, синхронизированных с входной частотой, посредством регулировки величины и направления постоянного тока, протекающего через катушки статора.

  Хотя двигатели BLDC проще по конструкции, они требуют электрической коммутации, а не механической коммутации, как в щеточных двигателях.Они должны постоянно использовать датчики для определения углового положения выходного вала и использовать контроллер для переключения тока в нужное время. Электрическая коммутация увеличивает сложность этих двигателей, но также снижает потребность в обслуживании щеток, повреждения от трения и нежелательную вибрацию/шум, которые часто встречаются в щеточных двигателях. Кроме того, они гораздо более эффективны, обладают высокой динамической реакцией и работают на разных скоростях, что делает их особенно подходящими для непрерывных приложений с регулируемой скоростью.Чтобы узнать больше об этих двигателях, прочитайте нашу статью о бесщеточных двигателях постоянного тока.

  Сравнение бесщеточных и коллекторных двигателей постоянного тока

  В этой статье будут сравниваться некоторые категории, общие для обоих типов двигателей постоянного тока, чтобы показать явные преимущества каждой конструкции. Таблица 1 показывает эти сравнения; обратите внимание, что они являются обобщенными, поскольку оба этих типа двигателей бывают разных размеров, и поэтому их трудно сравнивать в цифрах.

  Таблица 1: Сравнение коллекторных и бесщеточных двигателей.

  Характеристики	Коллекторные двигатели	Бесщеточные двигатели
  Сложность	Простой	Комплекс
  Кривая скорости/крутящего момента	Умеренно плоский/линейный	Плоский/линейный
  Плотность мощности	Средний	Высокий
  Эффективность	Средний	Высокий
  Диапазон скоростей	Низкий/Нет	Высокий
  Срок службы	Средний	Длинный
  Стоимость	Низкий	Высокий

   

  Сложность двигателей BLDC увеличивает как их рабочие характеристики, так и их стоимость. Хотя из таблицы 1 видно, что двигатели BLDC превосходят щеточные двигатели почти во всех категориях, это происходит потому, что они используют сложные электрические контроллеры, которые резко увеличивают их цену. Кроме того, несмотря на то, что они имеют более высокий средний срок службы, чем щеточные двигатели, из-за отсутствия обслуживания щеток, их сложнее и дороже ремонтировать, когда они все же выходят из строя из-за их сложности. Покупатели должны определить, не повлияет ли сложность двигателя постоянного тока на их проект негативно.

  Кривая скорость/крутящий момент двигателя показывает реакцию крутящего момента в зависимости от скорости. Для двигателей постоянного тока эта кривая обычно представляет собой прямую линию, что означает, что крутящий момент линейно зависит от скорости. Двигатели BLDC и их кривые крутящего момента/скорости чрезвычайно линейны, поскольку их электрическая коммутация позволяет более точно контролировать скорость и крутящий момент.

  Удельная мощность двигателя описывает его номинальную мощность в л. с. или кВт по сравнению с его геометрическим объемом. Это значение полезно для приложений, которые требуют высокой скорости/крутящего момента в небольшом корпусе (например, электроинструменты, стиральные машины и т. д.).). Двигатели BLDC имеют более высокую удельную мощность, поскольку они обеспечивают высокий крутящий момент в состоянии покоя, который можно поддерживать более эффективно, чем в коллекторных двигателях постоянного тока.

  Щетки и механические коллекторные кольца снижают общий КПД щеточных двигателей, так как больше энергии теряется на нагрев и трение. В двигателях BLDC эти детали не используются, и в результате они более эффективно преобразуют постоянный ток в механическую энергию. Их электрические схемы управления также могут оптимизировать энергопотребление, что позволяет экономить энергию на двигателе, когда он не используется или в приложениях с низким энергопотреблением.

  Диапазон скоростей щеточных двигателей постоянного тока не сравним с тем, что может обеспечить двигатель BLDC. В то время как щеточные двигатели имеют различные диапазоны скоростей, электрическая коммутация, присутствующая в двигателях BLDC, позволяет им обеспечивать гораздо больший диапазон скоростей.

  Щёточные двигатели обычно имеют номинальный срок службы щёток, чтобы операторы знали, когда их необходимо заменить. Поскольку в них используются механические коммутаторы и щетки, существует риск искрения, а также выхода из строя, что сокращает срок службы щеточных двигателей.Двигатели BLDC служат намного дольше, так как нет трения или необходимости периодического обслуживания, а также нет риска искрения. Срок службы щеточных двигателей можно увеличить за счет частых профилактических или плановых проверок технического обслуживания, но они могут быть утомительными, когда существует практически не требующая обслуживания альтернатива. Хотя оба типа двигателей считаются надежными, двигатели BLDC имеют меньший риск отказа.

  Может показаться, что щеточные двигатели просто худший вариант, чем двигатели BLDC, и это была бы правильная оценка, если бы не цена. Коллекторные двигатели не только намного дешевле в расчете на единицу, чем двигатели BLDC того же размера, но и затраты на их установку также довольно низкие. Коллекторные двигатели также не требуют электрических систем управления, которые часто дороже, чем двигатели BLDC, для которых они требуются. Таким образом, хотя двигатели BLDC в целом обеспечивают больше преимуществ, они делают это по очень буквальной цене. Если стоимость является важной характеристикой (а она всегда должна быть такой), следует в первую очередь рассмотреть коллекторные двигатели, прежде чем рассматривать конструкции BLDC.

  Оба этих двигателя бесценны в таких продуктах, как автомобили, компьютеры, игрушки, производство и многое другое, поэтому существует множество вариантов выбора двигателя постоянного тока. Просто обязательно ознакомьтесь с преимуществами и рисками использования любой из этих машин и используйте спецификации проекта, чтобы определить, какая из них подходит лучше всего.

  Резюме

  В этой статье представлено краткое сравнение бесщеточных двигателей постоянного тока и коллекторных двигателей постоянного тока. Для получения информации о других продуктах обратитесь к нашим дополнительным руководствам или посетите платформу поиска поставщиков Thomas, чтобы найти потенциальные источники поставок или просмотреть подробную информацию о конкретных продуктах.

  Источники:

  1. http://srjcstaff.santarosa.edu/~lwillia2/2B/2Bch30.pdf
  2. https://itp.nyu.edu/physcomp/lessons/dc-motors/dc-motors-the-basics/
  3. http://www.ece.ua.edu/courses/material/EE410-Wms2/Electric%20motors.pdf
  4. https://www.monolithicpower.com
  5. https://www.top-ee.com/applications-of-dc-motor/

  Другие изделия для двигателей

  Больше из Машины, инструменты и расходные материалы

  Коммутирующий энкодер | Квантум Девайсс, Инк.

  27 августа 2014 г.

  В чем разница между бесщеточным двигателем с коммутирующим энкодером и щеточным двигателем?

  Ну и кисти конечно. А без щеток — необходимость коммутирующего энкодера для токоведущих.

  Да, но что означает и ?

  Принцип внутренней работы бесщеточного двигателя постоянного тока и коллекторного двигателя постоянного тока практически одинаков. Когда обмотки двигателя находятся под напряжением, создается временное магнитное поле, которое отталкивает и/или притягивает постоянные магниты.Эта сила преобразуется во вращение вала, что позволяет двигателю совершать работу. Когда вал вращается, электрический ток направляется к различным наборам обмоток, поддерживая электродвижущее отталкивание/притяжение, заставляя ротор постоянно вращаться.

  Различия в конструкции
  

  Щетки внутри электродвигателей используются для подачи тока на обмотки двигателя через контакты коммутатора. Бесщеточные двигатели не имеют ни одного из этих токонесущих коммутаторов. Поле внутри бесщеточного двигателя переключается через усилитель, запускаемый коммутирующим энкодером, например оптическим энкодером.

  Обмотки находятся на роторе (вращающаяся часть двигателя) для щеточных двигателей и на статоре (неподвижная часть двигателя) для бесщеточных двигателей.

  Щеточный двигатель: обмотки на роторе, магниты на статоре

  За счет размещения обмоток на внешней неподвижной части электродвигателя отпадает необходимость в щетках.

  Бесколлекторный двигатель: обмотки на статоре, магниты на роторе

  Есть намеки на то, что щеточные двигатели были впервые разработаны в 1830-х годах Майклом Фарадеем

  Коллекторный двигатель Преимущества:
  

  Упрощенная проводка: двигатели щеток могут быть подключены напрямую к источнику постоянного тока, а управление может быть простым, как переключатель

  Низкая стоимость

  Коллекторный двигатель Недостатки:

  Менее эффективный

  Электрический шум: коммутационное действие коммутаторов, постоянно создающих и размыкающих индуктивные цепи, создает сильный электрический и электромагнитный шум

  .

  Срок службы: из-за постоянного физического контакта с валом щетки и коллекторы изнашиваются

  Показаны щетки и коллекторы

  Показаны щетки двигателя со снятым ротором

  Бесщеточный двигатель с коммутирующим энкодером Преимущества:

  Долгий срок службы: Отсутствие изнашиваемых щеток
  Низкие эксплуатационные расходы: Отсутствие необходимости замены щеток
  Высокая эффективность

  Бесщеточный двигатель с коммутирующим энкодером Недостатки:

  Высокая начальная стоимость: потребность в коммутирующем устройстве, таком как бесщеточный энкодер двигателя постоянного тока, и приводе или контроллере

  Статор бесщеточного двигателя

  Ротор бесщеточного двигателя

   

  Эффективность бесщеточного двигателя и щеточного двигателя:

  Бесщеточные двигатели

  обычно имеют КПД 85-90%, тогда как коллекторные двигатели постоянного тока имеют КПД около 75-80%.

  Эта разница в эффективности означает, что большая часть общей мощности, используемой двигателем, превращается во вращательную силу, а меньшая теряется в виде тепла.

   

  Джим — инженер по применению в компании Quantum Devices Inc, ведущем производителе вращающихся инкрементальных энкодеров.

  Вы можете купить энкодеры онлайн прямо в нашем магазине. Если вы являетесь производителем бесколлекторных двигателей, которому требуется коммутирующий энкодер, свяжитесь с Quantum Devices сегодня, чтобы получить индивидуальное предложение.

  Конструктивные отличия :

  Преимущества бесщеточного двигателя постоянного тока по сравнению с щеточным двигателем

  Бесщеточные двигатели имеют характеристики, схожие с традиционными щеточными двигателями постоянного тока, но одно очевидное отличие заключается именно в том, что следует из названия: модель двигателя BLDC не имеет щеток. Для вас это изменение означает, что двигатели BLDC более надежны, поскольку требуется меньше оборудования. Без использования щеток двигатель BLDC также более надежен и имеет более длительный срок службы, чем щеточные двигатели, что, в свою очередь, позволяет вашей компании сэкономить деньги на дополнительных расходах, связанных с будущим обслуживанием или полной заменой этого оборудования.Поскольку щетки также могут изнашиваться во время работы двигателя, это может вызвать искрение и привести к пожару, дополнительным проблемам и расходам для вашей компании.

  Эффективность двигателя BLDC по сравнению с традиционным коллекторным двигателем является еще одним преимуществом использования бесщеточного двигателя. Бесщеточные двигатели имеют в целом более высокую скорость и крутящий момент и производят меньше шума, чем традиционные щеточные двигатели. Они также работают более эффективно и практически не теряют мощности, что является проблемой, которая может сопровождать щеточные двигатели из-за повышенного трения, вызванного щетками.Сообщается, что двигатели BLDC достигли предела эффективности от 85 до 90 процентов, что выше, чем у стандартных коллекторных двигателей на 75-80 процентов.

  Бесщеточные двигатели постоянного тока также должны иметь электронную коммутацию, что означает, что двигатель регулируется механизмом управления. Эта функция позволяет 3-фазному двигателю BLDC изменять скорость в разной степени, а также быстро ускоряться и замедляться, чтобы обеспечить наиболее эффективное использование мощности и производительности, когда речь идет о выходе. Двигатели BLDC также обычно весят меньше, чем щеточные двигатели, но они могут обеспечивать аналогичную выходную мощность.Обладая способностью обеспечивать высокую скорость и эффективную работу, бесщеточный двигатель постоянного тока является очевидным выбором, который можно использовать в различных приложениях в различных отраслях промышленности, включая:

  Различия между щеточным и бесщеточным двигателем RC управляемые автомобили — одна из лучших игрушек для отдыха, доступных на рынке, и если вы ее приобретете, вам гарантировано море удовольствия. Когда вы покупаете радиоуправляемую машину, вы заметите, что некоторые из них с бесщеточными двигателями, а другие — с щеточными двигателями.

  Если вы новичок в мире RC, вы не поймете различий. Продолжайте читать, чтобы узнать.

  Основное различие между щеточными и бесщеточными двигателями заключается в способе выработки электроэнергии. Коллекторные двигатели имеют щетки и коммутатор, который вырабатывает электричество. Коллектор трется о щетки. Бесщеточные двигатели имеют магниты, внешний ротор и 3-фазные приводные катушки.

  Очень легко отличить щеточные и бесщеточные двигатели, если вы их видите.Тем не менее способ выработки электроэнергии — не единственная разница между ними. Мы рассмотрим больше различий.

  Коллекторный RC-двигатель

  Коллекторные двигатели — старая технология; первое использование этих двигателей было в 1836 году. В щеточном двигателе есть фиксированные магниты и электромагнит, который вращается. Этот тип двигателя называется щеточным двигателем из-за наличия внутри него щеток. Щетки обычно изготавливаются из графита, серебра или меди и генерируют и преобразуют электричество в движение.

  В этом двигателе есть механический поворотный переключатель, который подает ток, и он является коммутатором. Когда коммутатор трется о щетки, создается, отталкивается и притягивается магнитное поле. Это заставляет ротор вращаться (процесс, называемый якорем). В этот момент двигатель приводит радиоуправляемую машинку в движение. Обмотки коллекторного двигателя расположены на роторе, а магнит на статоре.

  При вращении ротора меняется полярность, а при совершении пол-оборота полярность меняется, а ротор продолжает вращаться.Щетки передают энергию от батареи к роторам; одна кисть передает отрицательную полярность, а другая положительную полярность. Как только пол-оборота завершена, есть переключатель, контактирующий с отрицательной и положительной щетками.

  При переключении полярности отрицательный конец ротора становится положительным, а положительный конец становится отрицательным. Двигатель вращается каждый раз при изменении полярности.

  Плюсы щеточных двигателей

  Предположение о том, что, поскольку бесщеточные двигатели являются усовершенствованием щеточных двигателей, последние не имеют преимуществ, неверно. Вы получите некоторые преимущества, если будете использовать коллекторный двигатель в своем радиоуправляемом автомобиле. Бесщеточные двигатели очень дешевы; если у вас есть поврежденный двигатель и он вам нужен, вы можете купить щеточный двигатель.

  Коллекторные двигатели идеально подходят для радиоуправляемых автомобилей начального уровня и новых пользователей. Они обеспечивают двухпроводное управление, поэтому у вас достаточно мощности для тактического и плотного вождения с помощью простой команды. Радиоуправляемые автомобили с щеточными двигателями могут легче маневрировать на местности, чем автомобили с бесщеточными двигателями, потому что у них меньше внешних компонентов.

  Коллекторные двигатели также можно конфигурировать, поэтому вы можете модифицировать и настраивать их до тех пор, пока не получите именно ту скорость, которую вы хотите, и напряжение, которое вы будете использовать. Эта опция недоступна для бесколлекторных двигателей.

  Коллекторные двигатели в определенной степени водонепроницаемы, и если щеточный двигатель намокнет, вы можете открыть его и оставить сохнуть. Это связано с тем, что все детали изготовлены из углерода или металла. Пока двигатель высушен, он по-прежнему будет работать эффективно.

  Минусы щеточных двигателей

  Коллекторные двигатели не очень эффективны; они имеют уровень эффективности между 75 процентами и 80 процентами.Щетки являются механическим ограничением, поэтому двигатель может работать только на низких скоростях для радиоуправляемых автомобилей. Щетки и коллекторы щеточного двигателя подвержены износу.

  Так, коллекторные двигатели требуют постоянной замены и ремонта; это потребует денег. Ирония в том, что щеточные двигатели недороги в покупке, но дороги в обслуживании. Поскольку износ щеток требует регулярного обслуживания, эти двигатели имеют более короткий срок службы.

  Коллекторные двигатели создают сильный электромагнитный и электрический шум.Шум возникает из-за бесконечного переключения щеток, коллекторов и валов. Поскольку щеточным двигателям для работы требуется контакт с этими элементами, сила вращения снижается, а потери тепла увеличиваются.

  Бесколлекторные двигатели

  Бесколлекторный двигатель представляет собой более новую технологию, и первый бесколлекторный двигатель был изготовлен в 1970-х годах. Эти двигатели являются большим улучшением по сравнению с щеточными двигателями; вместо щеток и коммутаторов есть вращающиеся магниты, фиксированные катушки и небольшой компьютерный чип, электронный контроллер, который меняет полярность катушек при вращении двигателя.

  Магниты бесколлекторного двигателя расположены на роторе, а обмотки — на статоре вместо ротора. Благодаря этой новой конструкции щетки не нужны, поэтому двигатель работает более эффективно. В бесщеточном двигателе также есть усилитель, активируемый компьютерной микросхемой для создания магнитного поля в двигателе. Электронная коммутация производится на основе положения датчика вместо механического поворотного переключателя в бесщеточном двигателе.

  Плюсы бесщеточных двигателей

  Бесщеточные двигатели более эффективны, чем щеточные; они имеют уровень эффективности между 85 процентами и 90 процентами. Бесщеточные двигатели имеют более длительный срок службы, а иногда они служат дольше, чем другие части радиоуправляемой машины. Отсутствие щеток и коммутаторов увеличивает срок службы. Эти двигатели не требуют регулярного обслуживания и замены, как щеточные двигатели.

  Бесщеточные двигатели проще и дешевле в обслуживании; единственная деталь бесколлекторного двигателя, требующая периодического обслуживания, — подшипник; все, что ему нужно, это смазка. Смазать подшипник несложно и не требует высокого уровня мастерства, как замена щеток щеточного двигателя.

  Бесщеточные двигатели небольшие и легкие; это главная причина, по которой радиоуправляемые машины делают очень быстро. Они не прибавляют автомобилю лишнего веса, поэтому у него выше скорость и улучшена управляемость.

  Бесщеточные двигатели не изнашиваются; никакие коммутаторы и щетки не трутся друг о друга при выработке электричества. Так, трения нет, и детали не изнашиваются. Эти двигатели производят меньше тепла, что делает их более производительными и не имеет электрических ограничений.

  Благодаря бесщеточному двигателю ваш радиоуправляемый автомобиль имеет большую мощность и более длительный срок службы, чем щеточный двигатель. Бесщеточный двигатель не имеет механических ограничений. Они также обеспечивают высокий крутящий момент и производят меньше электрических шумов. Бесщеточные двигатели долговечны и надежны, и вы можете быть уверены, что они всегда будут работать эффективно.

  Минусы бесщеточных двигателей

  Бесщеточные двигатели дороже, чем щеточные. Сложная электроника и высокая стоимость производства делают эти двигатели дорогими при покупке.Они могут быть дорогими, но вы получите удовольствие от потраченных денег.

  Бесщеточные двигатели не обеспечивают хорошего контроля скорости. В отличие от коллекторного двигателя, который вы можете настроить для получения желаемой скорости и напряжения, вы не можете сделать это с бесщеточным двигателем. Этот недостаток делает его непригодным для новичков, поскольку управление автомобилем становится затруднительным, особенно на пересеченной местности.

  Для правильной работы бесщеточных двигателей требуется электронный регулятор скорости (ESC). Таким образом, каждый раз, когда вы покупаете бесколлекторный двигатель, вы также должны получить совместимый с ним ESC.Плата бесщеточных двигателей не должна соприкасаться с водой; в противном случае он будет безвозвратно поврежден.

  Заключительные мысли

  Если вы новичок, вам следует использовать радиоуправляемую машинку с коллекторным двигателем; вы лучше контролируете машину. Однако, если вы профессионал, вам нужен бесщеточный двигатель. Бесщеточный двигатель обеспечивает большую скорость, эффективность, более длительный срок службы и низкую стоимость обслуживания, а щеточные двигатели обеспечивают лучший контроль скорости, водонепроницаемость, меньшую сложность и меньшую цену.

  Что такое бесщеточные двигатели постоянного тока

  Понимание принципа и применения высокоэффективных двигателей: 1 из 3

  Двигатель преобразует подаваемую электрическую энергию в механическую. Широко используются различные типы двигателей. Среди них бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) отличаются высокой эффективностью и отличной управляемостью и широко используются во многих приложениях. Двигатель BLDC имеет преимущества по энергосбережению по сравнению с другими типами двигателей.

  Двигатели — это машины подачи энергии

  Когда инженеры сталкиваются с проблемой разработки электрического оборудования для выполнения механических задач, они могут подумать о том, как электрические сигналы преобразуются в энергию.Таким образом, актуаторы и двигатели входят в число устройств, преобразующих электрические сигналы в движение. Двигатели обменивают электрическую энергию на механическую.

  Самый простой тип двигателя — коллекторный двигатель постоянного тока. В этом типе двигателя электрический ток проходит через катушки, расположенные внутри постоянного магнитного поля. Ток создает магнитные поля в катушках; это заставляет узел катушки вращаться, поскольку каждая катушка отталкивается от аналогичного полюса и притягивается к противоположному полюсу фиксированного поля. Чтобы поддерживать вращение, необходимо постоянно менять направление тока, чтобы полярность катушек постоянно менялась, заставляя катушки продолжать «гоняться» за разными фиксированными полюсами. Питание к катушкам подается через неподвижные токопроводящие щетки, соприкасающиеся с вращающимся коммутатором; именно вращение коммутатора вызывает изменение направления тока через катушки. Коллектор и щетки являются ключевыми компонентами, отличающими щеточный двигатель постоянного тока от двигателей других типов. Рисунок 1 иллюстрирует общий принцип коллекторного двигателя.

  Рисунок 1: Работа щеточного двигателя постоянного тока.

  Неподвижные щетки подают электроэнергию на вращающийся коллектор. Когда коммутатор вращается, он постоянно меняет направление тока в катушках, меняя полярность катушек, чтобы катушки продолжали вращаться вправо. Коллектор вращается, потому что он прикреплен к ротору, на котором установлены катушки.

  Распространенные типы двигателей

  Двигатели

  различаются по типу питания (переменного или постоянного тока) и способу создания вращения (рис. 2).Ниже мы кратко рассмотрим особенности и использование каждого типа.

  Рисунок 2: Различные типы двигателей

  Коллекторные двигатели постоянного тока, отличающиеся простой конструкцией и легким управлением, широко используются для открывания и закрывания дисковых лотков. В автомобилях они часто используются для складывания, выдвижения и позиционирования боковых окон с электроприводом. Низкая стоимость этих двигателей делает их пригодными для многих применений. Однако одним недостатком является то, что щетки и коллекторы имеют тенденцию к относительно быстрому износу в результате их постоянного контакта, что требует частой замены и периодического обслуживания.

  Шаговый двигатель управляется импульсами; он поворачивается на определенный угол (шаг) с каждым импульсом. Поскольку вращение точно контролируется количеством полученных импульсов, эти двигатели широко используются для позиционирования. Их часто используют, например, для управления подачей бумаги в факсимильные аппараты и принтеры, поскольку эти устройства подают бумагу фиксированными шагами, которые легко коррелируют со счетом импульсов. Паузой также можно легко управлять, так как вращение двигателя мгновенно останавливается при прерывании импульсного сигнала.

  У синхронных двигателей вращение синхронно частоте питающего тока. Эти двигатели часто используются для привода вращающихся противней в микроволновых печах; редукторы в моторном блоке могут быть использованы для получения соответствующих скоростей вращения для разогрева пищи. У асинхронных двигателей скорость вращения также зависит от частоты; но движение не синхронно. В прошлом эти двигатели часто использовались в электрических вентиляторах и стиральных машинах.

  Широко используются различные типы двигателей.На этом занятии мы рассмотрим преимущества и области применения бесколлекторных двигателей постоянного тока.

  Почему двигатели BLDC вращаются?

  Как следует из названия, в бесщеточных двигателях постоянного тока щетки не используются. В щеточных двигателях щетки подают ток через коммутатор в обмотки ротора. Так как же бесщеточный двигатель пропускает ток к обмоткам ротора? Это не так, потому что катушки не расположены на роторе. Вместо этого ротор представляет собой постоянный магнит; катушки не вращаются, а фиксируются на статоре.Поскольку катушки не двигаются, нет необходимости в щетках и коммутаторе. (См. рис. 3.)

  В коллекторном двигателе вращение достигается за счет управления магнитными полями, создаваемыми катушками на роторе, в то время как магнитное поле, создаваемое неподвижными магнитами, остается постоянным. Чтобы изменить скорость вращения, вы меняете напряжение на катушках. В двигателе BLDC вращается постоянный магнит; вращение достигается за счет изменения направления магнитных полей, создаваемых окружающими стационарными катушками.Чтобы управлять вращением, вы регулируете величину и направление тока в этих катушках.

  Рис. 3: Двигатель BLDC.

  Поскольку ротор представляет собой постоянный магнит, ему не требуется ток, что устраняет необходимость в щетках и коллекторе. Ток неподвижных катушек контролируется извне.

  Преимущества двигателей BLDC

  Двигатель BLDC с тремя катушками на статоре будет иметь шесть электрических проводов (по два на каждую катушку), отходящих от этих катушек.В большинстве реализаций три из этих проводов будут соединены внутри, а три оставшихся провода отходят от корпуса двигателя (в отличие от двух проводов, отходящих от щеточного двигателя, описанного ранее). Электропроводка в корпусе двигателя BLDC сложнее, чем простое соединение положительных и отрицательных клемм силового элемента; мы более подробно рассмотрим, как работают эти двигатели, во второй части этой серии. Ниже мы завершаем рассмотрение преимуществ двигателей BLDC.

  Одним из больших преимуществ является эффективность, так как эти двигатели могут непрерывно работать при максимальной вращающей силе (крутящем моменте).Коллекторные двигатели, напротив, достигают максимального крутящего момента только в определенных точках вращения. Чтобы щеточный двигатель обеспечивал такой же крутящий момент, как и бесщеточная модель, в нем должны использоваться более крупные магниты. Вот почему даже небольшие двигатели BLDC могут обеспечивать значительную мощность.

  Второе большое преимущество, связанное с первым, — управляемость. Двигатели BLDC можно контролировать с помощью механизмов обратной связи, чтобы точно обеспечить желаемый крутящий момент и скорость вращения. Точное управление, в свою очередь, снижает потребление энергии и выделение тепла, а в случаях, когда двигатели питаются от батареи, продлевает срок службы батареи.

  Двигатели

  BLDC также отличаются высокой надежностью и низким уровнем электрического шума благодаря отсутствию щеток. В щеточных двигателях щетки и коллектор изнашиваются в результате постоянного подвижного контакта, а также вызывают искрение в месте контакта. Электрический шум, в частности, является результатом сильных искр, которые имеют тенденцию возникать в местах, где щетки проходят через зазоры в коллекторе. Вот почему двигатели BLDC часто считаются предпочтительными в приложениях, где важно избежать электрических помех.

  Идеальное применение для двигателей постоянного тока BLDC

  Мы убедились, что двигатели BLDC обладают высокой эффективностью и управляемостью, а также имеют длительный срок службы. Так чем же они хороши? Из-за их эффективности и долговечности они широко используются в устройствах, которые работают непрерывно. Они уже давно используются в стиральных машинах, кондиционерах и другой бытовой электронике; а в последнее время они появляются в вентиляторах, где их высокая эффективность способствовала значительному снижению энергопотребления.

  Они также используются для привода вакуумных машин. В одном случае изменение программы управления привело к значительному скачку скорости вращения — пример превосходной управляемости, обеспечиваемой этими двигателями.

  Двигатели

  BLDC также используются для вращения жестких дисков, где их долговечность обеспечивает надежную работу дисков в течение длительного времени, а их энергоэффективность способствует снижению энергопотребления в области, где это становится все более важным.

  На пути к более широкому использованию в будущем

  Мы можем ожидать, что двигатели BLDC будут использоваться в более широком диапазоне приложений в будущем.Например, они, вероятно, будут широко использоваться для управления сервисными роботами — небольшими роботами, которые предоставляют услуги в других областях, помимо производства. Можно подумать, что шаговые двигатели больше подходят для такого типа приложений, где можно использовать импульсы для точного управления позиционированием. Но двигатели BLDC лучше подходят для управления силой. А с помощью шагового двигателя удержание положения такой конструкции, как рука робота, потребует относительно большого и непрерывного тока. Для двигателя BLDC все, что требуется, — это ток, пропорциональный внешней силе, что обеспечивает более энергоэффективное управление.Двигатели BLDC также могут заменять простые щеточные двигатели постоянного тока в тележках для гольфа и мобильных тележках. В дополнение к более высокой эффективности двигатели BLDC также могут обеспечивать более точное управление, что, в свою очередь, может еще больше продлить срок службы батареи.

  No related posts.