Коллекторный и бесколлекторный двигатель: Что лучше коллекторный или бесколлекторный двигатель

Бесколлекторные двигатели для аккумуляторного инструмента

Бесколлекторные (бесщеточные) двигатели постоянного тока (BLDC – brushless direct current) были изобретены уже давно, но широкое применение они получили всего несколько лет назад – на волне стремительного развития аккумуляторной техники. Электроинструмент с двигателем такого типа обладает целым рядом преимуществ по сравнению с техникой, имеющей традиционные коллекторные двигатели. Как устроены бесщеточные моторы и чем они принципиально лучше щеточных? Слово специалисту – тренеру по продукции компании «Метабо Евразия» Роману Харламову.

Коллекторный двигатель

Напомним, что работа электродвигателя основана на принципе электромагнитной индукции, в результате которой в его неподвижной части (статоре) при подаче напряжения возникает вращающееся магнитное поле, создающее в витках обмотки подвижной части (роторе) ток индукции. По закону Ампера, в проводнике с током, находящемся в магнитном поле, возникает отклоняющая сила, поэтому ротор начинает вращаться.

Частота его вращения зависит от частоты питающего напряжения и от числа пар магнитных полюсов, создаваемых с помощью витков обмотки. Поскольку нас сегодня интересует аккумуляторный инструмент, то далее будем рассматривать двигатель постоянного тока. В качестве статора (индуктора) в маломощных двигателях такого типа обычно используют магниты – постоянные или электрические. А переменное магнитное поле создается с помощью либо щеточно-коллекторного узла (коллектора), либо электронного вентильного преобразователя (вентиля). Соответственно, двигатели бывают коллекторные (щеточные) и вентильные (бесколлекторные, бесщеточные). Первые являются электромеханическими контактными коммутаторами, а вторые – электронными бесконтактными. Коллектор объединяет выводы всех обмоток и обычно представляет собой кольцо из изолированных друг от друга пластин – контактов (ламелей), расположенных вдоль оси ротора. Справедливости ради отметим, что существуют и другие конструкции коллектора. Он выполняет одновременно две функции: является датчиком углового положения ротора и механическим преобразователем постоянного тока в переменный. Щеточный узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе и переключения тока в обмотках ротора. Щетки – это неподвижные контакты (обычно графитовые или медно-графитовые), которые с определенной частотой (обычно – большой) размыкают и замыкают пластины – контакты коллектора. Как следствие, работа сопровождается переходными процессами в обмотках ротора, вызывающими искрение на коллекторе и постепенное выгорание щеток, что приводит к выделению тепла и визуально проявляется в виде светящегося кольца около коллектора. Эти процессы значительно снижают ресурс электродвигателя.

Бесколлекторный двигатель

В вентильном двигателе переменное магнитное поле создается бесконтактным полупроводниковым коммутатором, управляемым датчиком положения ротора. Такой двигатель представляет собой замкнутую систему с обратной связью при наличии трех составляющих: датчика, определяющего положение ротора, преобразователя координат (системы управления) и инвертора (силового полупроводникового преобразователя) для переключения фаз. Статор такого двигателя состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки, выполненной из нескольких частей (фаз), уложенных в пазы по периметру сердечника и сдвинутых в пространстве друг относительно друга в соответствии с их количеством. Обычно используют трехфазные синхронные машины, однако встречаются четырех- и шести-фазные обмотки. В ротор ставят постоянные магниты, при этом число пар полюсов составляет обычно от 2 до 16 с чередованием северного и южного полюсов. Сплавы редкоземельных элементов, в частности неодима, обладающего высокой коэрцитивной силой и достаточным уровнем магнитного насыщения, обеспечивают этим магнитам по сравнению с традиционными ферритовыми материалами значительную магнитную индукцию при относительно малых размерах ротора. Бесколлекторные двигатели получили широкое распространение благодаря развитию электроники и появлению недорогих силовых транзисторных ключей. Также немаловажную роль сыграло изобретение мощных неодимовых магнитов.

Хотя идея создания бесколлекторного двигателя витала в воздухе еще на заре электричества, но из-за отсутствия технологий его первый коммерческий образец появился лишь в 1962 году, и с тех его конструкция успешно развивается. Управление таким двигателем осуществляет электронный регулятор, называемый в зарубежной литературе сокращенно ESC (Electronic speed control). Все двигатели постоянного тока являются синхронными с самосинхронизацией, но их принцип действия отличается от синхронных двигателей переменного тока, у которых самосинхронизация отсутствует. При отсутствии же обратной связи принцип функционирования двигателя вообще схож с асинхронным двигателем. Система коммутации в BLDC-двигателях – трапециевидная. В этом случае для трехфазного двигателя отказываются от сложного метода ШИМ, от сложной векторной структуры и начинают просто включать фазы двигателя по датчику положения на элементах Холла, даже иногда без всякого ограничения тока. Ток в фазах получается не синусоидальный, а трапецеидальный, прямоугольный или с еще большими искажениями. Но стараются сделать так, чтобы средний вектор тока был все равно под углом 90° к магниту ротора за счет выбора момента включения фаз. Вместе с тем, включая фазу под напряжение, неизвестно, когда же в ней у двигателя нарастет ток. На низкой частоте вращения это происходит быстрее, а на высокой, где мешает ЭДС машины, медленнее, притом темп нарастания тока зависит еще от индуктивности двигателя и т.п. Поэтому, даже включая фазы точно в нужный момент времени, совсем не факт, что средний вектор тока окажется в нужном месте и с нужной фазой – он может как опережать, так и запаздывать относительно оптимальных 90°, в связи с чем в таких системах вводят настройку опережения коммутации – по сути, это просто время опережения подачи напряжения на фазу двигателя, чтобы в итоге фаза вектора тока получилась максимально близкой к 90°. Коротко данную процедуру называют «настройка таймингов». Поскольку ток в электродвигателе при автокоммутации не синусоидальный, то, если взять рассмотренную выше синусоидальную машину и управлять ею по такому принципу, момент на валу будет пульсировать. И потому в двигателях, предназначенных для автокоммутации, часто специальным образом меняют магнитную геометрию ротора и статора, чтобы они стали более подходящими к данному типу управления: изменение ЭДС в таких машинах делают трапецеидальным, благодаря чему в режиме автокоммутации они работают лучше. Синхронные машины, оптимизированные для автокоммутации, получили название бесколлекторных двигателей постоянного тока (БДПТ) или, по-английски, BLDC. Режим автокоммутации часто называют вентильным режимом, а двигатели, работающие с ним, – вентильными.

Датчики положения ротора

Итак, подавать напряжение на обмотки двигателя нужно в зависимости от положения ротора, которое определяется электроникой. Для этого предусматривают датчики положения ротора (ДПР), которые могут быть оптическими, магнитными, на основе эффекта Холла и проч. Например, в трехфазном бесколлекторном двигателе достаточно трех датчиков, чтобы электронный блок управления идентифицировал в каждый момент времени, в каком положении находится ротор и на какие обмотки подавать напряжение.

При отсутствии возможности разместить ДПР в корпусе двигателя их функцию можно передать электронному блоку, но он должен соответствовать характеристикам конкретной модели двигателя. Поэтому существуют бесколлекторные двигатели и без датчиков: у них положение ротора определяется измерением напряжения на не задействованной в данный момент времени обмотке, например, с помощью показаний токовых датчиков. Но такие двигатели должны запускаться без нагрузки, причем в первый момент возможны вращательные колебания оси двигателя в разные стороны. Управление двигателем с датчиками положения значительно проще и точнее, однако при выходе из строя хотя бы одного из них двигатель прекращает работу. Замена неисправного датчика, как правило, требует разборки всего двигателя. У компании Metabo электродвигатель BLDC имеет конструкцию, отличную от общепринятой. Три датчика положения на основе эффекта Холла расположены на плате внутри герметичной камеры ротора. Подобное размещение позволяет точно управлять частотой вращения ротора и оградить электронную плату от воздействия внешней среды, что автоматически продлевает срок службы всей системы.

Самый простой BLDC

Наибольшее распространение получил трехфазный бесколлекторный двигатель за счет оптимального соотношения эффективности управления и сложности схемы. Чем больше фаз, тем более плавное вращение получает магнитное поле, но и тем сложнее схема управления двигателем. Фазы – это обмотки двигателя, при этом трехфазный BLDC имеет три провода – выводы обмоток, которые соединяются в зависимости от его назначения «звездой» или «треугольником». В высокомоментных двигателях с длительным режимом включения применяют соединение «звездой», а в двигателях, работающих в кратковременном режиме и требующих более высоких оборотов, применяют соединение «треугольником». Например, во всех BLDC дрелей-шуруповертов Metabo используют соединение «треугольником». Датчики положения добавляют еще пять проводов (два – питание датчиков и три – поступающие сигналы от датчиков). В каждый момент времени напряжение питает две из трех обмоток, поэтому получается шесть вариантов подачи постоянного напряжения на обмотки двигателя, что создает эффект вращения магнитного поля, хоть и прерывистого (через 60° при каждом переключении).

Две разновидности компоновки

По расположению ротора BLDC делятся на внутрироторные (англ. inrunner) и внешнероторные (англ. outrunner). Конструктивно inrunner проще из-за того, что неподвижный статор может служить корпусом, и компоновка BLDC получается традиционной, что позволяет использовать хорошо известные наработки конечного продукта без существенных изменений. В варианте BLDC оutrunner вращается вся внешняя часть, то есть ротор, при этом крепление электродвигателя к корпусу происходит за неподвижную часть статора. Использование компоновки outrunner позволяет увеличить крутящий момент электродвигателя за счет увеличения наружного диаметра ротора, но в целом в связи со значительным увеличением диаметра электродвигателя ограничивается сфера его применения. Так, обычно компоновку BLDC outrunner не используют в ручном электроинструменте, но применяют в аккумуляторных дистанционно управляемых моделях автомобилей, судов, самолетов, квадрокоптеров, в крупной бытовой технике, а также в аккумуляторной садовой технике.

Повышающий редуктор

При одинаковой компоновке inrunner, но при разных геометрических размерах BLDC более компактный по длине двигатель будет иметь меньший на 20–30% крутящий момент при большей частоте вращения ротора по сравнению с одинаковым по диаметру коллекторным двигателем постоянного тока. На это оказывает прямое влияние меньшая величина потребляемых токов у большинства BLDC за счет более тонкой проволоки катушек статора, а также отсутствие потерь в щеточно-коллекторном узле. В случае недостаточной величины крутящего момента, при прочих равных, производителю изделия ничего не остается, как только механически увеличить передаточное отношение на выходе двигателя путем использования повышающего редуктора. Это правило действует для большинства электроинструментов, где используется BLDC. Однако на примере дрелей-шуруповертов Metabo мы можем увидеть обратное, так как планетарный редуктор, применяемый в моделях серии LTX с BLDC, конструктивно не отличается от моделей серии LTX с коллекторным двигателем постоянного тока. Эта особенность объясняется конструкцией электродвигателя BLDC от Metabo, базирующейся на планетарном редукторе прежнего размера. Такой размер стал возможным благодаря получению более высокого крутящего момента с использованием герметичной конструкции ротора, большого сечения проволоки для катушек статора (2,0 мм) и более мощной силовой электроники. В зависимости от сферы применения изделия с BLDC инженеры Metabo рассчитывают конструкцию планетарного или другого редуктора исходя из суммы мощности аккумуляторной батареи, потребляемой и отдаваемой мощности электромотора и общей геометрии конечного продукта. В частности, все зубчатые пары используемых Metabo планетарных редукторов для дрелей-шуруповертов изготавливаются только из металла, а корпус редуктора, в зависимости от максимальной величины жесткого крутящего момента, может быть выполнен из армированного полиамида или из алюминиевого сплава литьем под давлением. Такой выбор материалов редуктора гарантирует его длительный срок службы и достаточную жесткость конструкции.

Система охлаждения

Хотя тепловыделение BLDC в процессе работы невелико, однако при продолжительной непрерывной работе, особенно с превышением нагрузки, двигатель начинает греться, что нежелательно для обмоток статора и для неодимовых магнитов ротора. По этой причине у всех типов двигателей постоянного тока inrunner используется крыльчатка из армированного нейлона, снабженная лопастями специальной формы, которые обеспечивают достаточный воздушный поток для охлаждения обмоток ротора и постоянных магнитов статора (в коллекторном электродвигателе) или для охлаждения обмоток статора и постоянных магнитов ротора (в двигателе BLDC). В зависимости от производителя электродвигателя аэродинамическое сопротивление, влияющее на КПД, может быть разным. Как правило, это сопротивление рассчитывается исходя из конкретной применимости электромотора. В большинстве конструкций BLDC-двигателей для аккумуляторного электроинструмента система охлаждения имеет аналогичную компоновку с коллекторным двигателем постоянного тока. Воздушный поток, создаваемый крыльчаткой, проходит через ротор внутри статора. Из-за этой особенности подобные BLDC-двигатели имеют разборную конструкцию для удобства периодического обслуживания – ввиду отсутствия изоляции электроники и постоянных магнитов ротора от воздействия внешней среды. В то же время корпус BLDC-электродвигателей Metabo полностью герметичен, а обмотки статора имеют полуоткрытую конструкцию, где около 50% проволоки обмоток открыты, чтобы при вращении ротора крыльчатка создавала поток воздуха, проходящий снаружи корпуса статора, охлаждая именно те части конструкции, которые нагреваются во время работы, без необходимости разбирать двигатель для периодического обслуживания. В BLDC outrunner роль крыльчатки выполняет специальная форма ротора, имеющая ребра жесткости в форме лопастей. При вращении ротора без нагрузки создается мощный поток воздуха, охлаждающий обмотки статора. Под нагрузкой скорость охлаждения может существенно снижаться, поэтому BLDC с компоновкой outrunner применяются в тех изделиях, при использовании которых нагрузка на двигатель и соответственно потеря частоты вращения и эффективности охлаждения невысоки.

Подведем итоги

Чем же лучше BLDC по сравнению с коллекторным двигателем постоянного тока? Во-первых, у BLDC нет имеющего высокие потери и ограниченный ресурс коллекторно-щеточного узла: его функцию полностью выполняет электроника. И потому такой двигатель значительно надежнее. Во-вторых, BLDC-двигатель легче и компактнее, в том числе за счет использования мощных неодимовых магнитов, которые позволяют сделать длину ротора меньше. В-третьих, существенно снижены потери энергии на коммутацию, поскольку ламели коллектора и щетки заменены электронными ключами, при этом в целом электродвигатель значительно меньше греется, а в отдельных случаях даже допускает перегрузки по моменту. В-четвертых, отсутствие коллекторно-щеточного узла позволило снизить потребляемые токи во время выполнения работ под нагрузкой и значительно увеличило производительность инструмента, в котором установлен этот двигатель. В итоге BLDC-электродвигатель имеет более высокие значения КПД, показателя мощности (в Вт на кг собственного веса) и диапазона изменения скорости вращения. КПД бесколлекторного двигателя постоянного тока достигает 80–92% против 60–75% у коллекторных двигателей постоянного тока. К его недостаткам можно отнести наличие в конструкции сложного и дорогостоящего электронного регулятора. На отечественный рынок инструменты с бесколлекторными двигателями постоянного тока поставляют такие бренды, как Metabo, Makita, DeWALT, Stanley, Bosch, Hitachi, Fein, AEG, Milwaukee, STIHL, Husqvarna, Greenworks и др. Двигатели разных производителей отличаются друг от друга размерными рядами, мощностью, компоновкой, системой охлаждения, диапазоном частот вращения. В подавляющем большинстве конструкция всех моделей является разборной.

Выбор двигателя и привода. Подбор типа электродвигателя.

Эта страница создана с целью помочь в выборе двигателя посетителям, имеющим отдаленное представление о видах и типах электромоторов, об их применении. Надеемся, что наши рекомендации помогут сориентироваться в типах представленных на сайте электродвигателей и выбрать подходящий из предлагаемых.

Выбрать тип электродвигателя можно, ответив на несколько общих вопросов.

Требуется ли точное позиционирование?

• Если да, то следует выбрать шаговый двигатель или сервопривод.

  Требуется ли очень высокая точность?

  • Если крайне высокая точность или разрешающая способность необходимы, следует выбрать серводвигатель.
  • Если точности 0,09 град. будет достаточно, выбирайте привод на базе шагового двигателя.

  Требуется ли плавное движение, особенно на маленьких скоростях?

  Критична ли цена устройства?

• Нет, точное позиционирование не требуется или не очень важно, или есть возможность работать с датчиками (концевыми выключателями).

  Нужно ли регулировать скорость?

• Какое напряжение питания предпочтительно?

  • Сеть переменного тока 220В — выбирайте асинхронный двигатель.
  • От источника постоянного тока:

    Есть ли требования к ресурсу устройства, его долговечности?
    

И еще несколько рекомендаций и примеров по выбору двигателя:

• Предполагается использовать электродвигатель для простого вращения, например для витрины, рекламных конструкций, вентиляторов, для перемешивания — выбор мотор-редуктора с коллекторным двигателем.
  
• То же самое, но есть требования к надежности и ресурсу:
• Если нужен привод для реализации работы двигателя по заданной программе: переместить в определенную позицию, выполнить реверс, приостановить работу на заданное время, продолжить работу с измененной скоростью. Такие алгоритмы используются, например, в намоточном оборудовании, в протяжке лент, проволоки, фольги и подобных устройствах, в сварочных автоматах, в этикетировщиках, механизмах подачи и распределения — без сомнения, в этих случаях предпочтительнее выбрать шаговый двигатель.
• Привод нужен для работы станка с ЧПУ или координатного стола — также предпочтительнее использовать шаговый привод.
• Если Ваше устройство очень ответственно, предъявляет повышенные требования к точности, плавности и требует сложных алгоритмов работы — используйте сервопривод.

Асинхронные двигатели с редуктором используются, как правило, в устройствах, не требующих особой точности перемещеня (т.е. позиционирования) и удобны, когда требуется простое вращение с постоянной скоростью. Питание двигателя 220В 50Гц, поэтому они не требуют дополнительного источника питания и могут работать от сети 220В. В большинстве случаев при использовании асинхронного двигателя не требуются дополнительные дорогие системы управления.

Управление асинхронным двигателем. Вращение вала двигателя начинается сразу при подаче питания. Величина скорости определяется передаточным числом редуктора. Чуть более усложненный вариант — регулирование скорости с помощью частотного преобразователя, т.е. скорость вращения можно изменять.

Примеры применения асинхронного мотор-редуктора — вентиляторы в помещении, вращающиеся витрины и рекламные конструкции, в случае, если удобно подключать их к сети 220В, устройства для перемешивания, конвейеры.

Из достоинств асинхронных мотор-редукторов можно отметить высокую надежность, длительный срок службы и простоту использования. Из недостатков можно отметить высокую стоимость частотных преобразователей, которые необходимы для регулирования скорости. Выбрать асинхронный двигатель

Мотор-редукторы постоянного тока, как и асинхронные, используются в устройствах, не требующих точности, но предъявляющих требования к цене. Мотор-редукторы постоянного тока чрезвычайно просты в применении и не требуют специальных устройств управления. Эти двигатели подключаются к источнику питания 3В, 12В или 24В. Можно использовать и меньшее напряжение питания.

Управление коллекторным мотор-редуктором. Вращение двигателя начинается сразу при подаче питания. Максимальная скорость определяется скоростью самого электромотора и редуктора. «Подгонка» скорости осуществляется изменением напряжения питания (в меньшую сторону). Изменение направления вращения обеспечивается сменой полярности питания.

Примеры применения коллекторных двигателей с редуктором — вращение демонстрационных витрин, привод шпинделя в станках, перемешивающие устройства, если удобно использовать питание 12В или 24В (иногда 3В).

Основное достоинство коллекторного двигателя с редуктором — его простота и низкая стоимость. Недостаток — меньший срок службы: трущиеся и контактирующие детали коллектора (щетки) двигателя довольно быстро выходят из строя. Выбрать коллекторный мотор-редуктор

Шаговый двигатель называется шаговым, т.к. может выполнять поворот вала на определенный угол. Шаговые двигатели используются в случаях, когда требуется точное перемещение и позиционирование — можно задать величину углового перемещения с точностью до десятых (а иногда и сотых долей градуса). Кроме того, шаговые двигатели удобно применять, когда требуется реализовать сложный алгоритм движения. Шаговый двигатель обязательно требует блок управления (драйвер). Питание зависит от используемого драйвера.

Управление шаговым приводом. В самом общем виде управление шаговым двигателем сводится к задаче отработать определенное число шагов в нужном направлении и с нужной скоростью. Если говорить о неподготовленных пользователях, под управлением обычно понимают не сам шаговый двигатель, а шаговый привод вместе с системой управления. В этом случае на блок управления ШД подаются сигналы «сделать шаг» и «задать направление». Сигналы представляют собой импульсы 5В. Такие импульсы можно получить от компьютера, например от LPT-порта, от специального контроллера управления шаговыми приводами или задавать сигналы самостоятельно от источника питания или генератора 5В.

Управление от компьютера распространено для управления станками с ЧПУ — для такой задачи существует специальное программное обеспечение. Управление от контроллера удобно, когда нужно реализовать какой-то определенный алгоритм движения, например в протяжных механизмах, этикетировщиках, автоматах.

Применение шаговых двигателей. Одно из самых распространенных применений шаговых двигателей — станки с ЧПУ и координатные столики — работа шаговых приводов осуществляется от ПК — современное программное обеспечение позволяет осуществлять работу шаговых приводов в соответсвии с чертежем. Шаговые двигатели распространены в роботах, конвейерах, системах подачи. Выбор шагового двигателя оправдан в этикетировочных машинах, устройствах протяжки проволоки или фольги и др. подобных устройствах. Кроме того, шаговые двигатели используются в аналитических приборах и эмуляторах стрелочных приборов.

Преимущества шаговых двигателей заключаются в возможности их применения в довольно сложных и ответственных устройствах, возможность точно задавать положение вала и угол перемещения. Скорость двигателя полностью контролируется от 0 до максимально возможной. Шаговые двигатели имеют большой ресурс и срок службы. К недостаткам можно отнести стоимость системы управления, некоторую дискретность перемещения, высокую (до 80 град) температуру поверхности двигателя, а также значительную потерю момента на высоких скоростях. Выбрать шаговый двигатель

Бесколлекторный двигатель можно сравнить с «вывернутым наизнанку» коллекторным двигателем постоянного тока — ротор-магнит вращается внутри статора с обмотками. Если проще — в бесколлекторном двигателе нет трущихся переключающихся контактов, как в коллекторном двигателе. Двигатель несколько сложнее в управлении, выше его цена. Но и надежность и срок службы такого двигателя существенно выше.

Управление бесколлекторным двигателем. Для работы бесколлекторного двигателя обязательно требуется специальный блок управления. Как и в случае с шаговым двигателем, для бесколлекторного двигателя подразумевается управление приводом. Управление скоростью осуществляется аналоговым сигналом от 0В (мин. скорость) до 5В (максимальная скорость). Направление вращение — сигналом 0/5В, подаваемым на блок.

Применение бесколлекторных двигателей. Эти двигатели используются при производстве моделей (часто в радиоуправляемых авиамоделях), в небольших поворотных устройствах, механизмах позиционирования, рекламных конструкциях, дозирующих механихмах, в строительстве, при изготовлении смесей (краски, лаки, клей и т.п.). Двигатели устанавливаются в выставочных стендах, поворотных рекламных столиках и площадках, вентиляторах для помещений, дозаторах жидкости, затворных механизмах, сварочных аппаратах, устройства для смешивания.

Преимущества бесколлекторных двигателей, во-первых, в их ресурсе — они намного долговечнее и надежнее аналогичных коллекторных моторов. Во-вторых, к достоинствам можно отнести их высокий КПД. В-третьих, по сравнению с шаговыми двигателями, бесколлекторные работают несколько тише. Также нужно отметить более высокую скорость бесколлекторного двигателя примерно в 10 раз выше, чем у шагового. Из недостатков — необходимость использовать специальный блок управления. Выбрать бесколлекторный двигатель

Сервопривод — это, как правило, интеллектуальное устройство, включающее сервомотор и блок управления. Серводвигатели отличаются очень высокой надежностью. При работе в паре с блоком управления, сервопривод может использоваться для решения очень сложных и ответственных задач. Точность сервопривода зависит от установленного в нем датчика обратной связи и выбирается в соответствии с решаемой задачей. Сервопривод позволяет осуществлять очень плавное движение даже на низких, близких к 0, скоростях.

Управление серводвигателем осуществляется при помощи специального блока, который получает сигналы от датчика обратной связи, встроенного в сервомотор. Блок управления обычно имеет множество опций для работы от ПК, встроенные интерфейсы позволяют использовать его в промышленности. Многочисленные настройки и нюансы работы обычно загружаются в привод через ПК. Далее возможна автономная работа и управление без компьютера.

Сервоприводы применяются там, где требуется надежность и безотказность, например в сложных медицинских аппаратах и оборонной промышленности. Сервомоторы могут использоваться в устройствах, обслуживание которых может быть затруднено. Выбор серводвигателя обоснован в случае, когда необходима долговечность. Точность позиционирования и плавность перемещения делают возможным применение привода в высокоточных приборах, станках и прочих механизмах.

Преимуществ при выборе сервомотора масса: плавность и точность перемещений доступны даже на низких скоростях, разрешающая способность может выбираться пользователем в зависимости от решаемой задачи. Надежность и безотказность, а следовательно, возможность использовать его в ответственных, не терпящих отказа устройствах. Бесшумность и плавность работы делают сервоприводы иногда единственным возможным вариантом при выборе двигателя. Достоинства сервопривода таковы, что применять их можно было бы всегда, когда только возможно, если бы не два недостатка: цена комплекта (сервомотор + блок управления) и сложность настройки, которая иногда делает применение сервопривода необоснованным. Выбрать серводвигатель

Каргу А.П.

бесколлекторный — это… Что такое бесколлекторный?

бесколлекторный

бесколлекторный

прил., кол-во синонимов: 1

Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013.

.

Синонимы:

• бесколесый
• ёрзнувший

Смотреть что такое «бесколлекторный» в других словарях:

• бесколлекторный двигатель — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN commutator less motor …   Справочник технического переводчика

• Бесколлекторный электродвигатель — Принцип работы трёхфазного вентильного двигателя Вентильный электродвигатель  это синхронный двигатель, основанный на принципе частотного регулирования с самосинхронизацией, суть которого заключается в управлении вектором магнитного поля… …   Википедия

• бесколлекторный двигатель — nekolektorinis variklis statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. commutatorless motor vok. kommutatorloser Motor, m rus. бесколлекторный двигатель, m pranc. moteur sans collecteur, m …   Automatikos terminų žodynas

• Униполярный генератор —         бесколлекторный генератор постоянного тока, действие которого основано на явлении униполярной индукции (См. Униполярная индукция). На статоре У. г. (рис.) расположены (соосно с валом генератора) две тороидальные катушки возбуждения,… …   Большая советская энциклопедия

• Коллекторный электродвигатель — Коллекторный электродвигатель  синхронная[1] электрическая машина, в которой датчиком положения ротора и пере­к­лю­ча­те­лем тока в обмотках является одно и то же устройство  щёточно коллекторный узел …   Википедия

• Мендосинский мотор — Мендосинский бесколлекторный магнитно левитационный солнечный мотор Ларри Спринга, или мендосинский мотор (англ. Larry Spring s Magnetic Levitation Mendocino Brushless Solar Motor)  разновидность бесколлекторного электрического… …   Википедия

• Электродвигатель постоянного тока — Рис. 1 Устройство простейшего коллекторного двигателя постоянного тока с двухполюсным статором и с двухполюсным ротором Двигатель постоянного тока  электрическая машина, ма …   Википедия

• Автомоделизм — Стиль этой статьи неэнциклопедичен или нарушает нормы русского языка. Статью следует исправить согласно стилистическим правилам Википедии. Автомоделизм вид спорта,хобби и технического творчества …   Википедия

• Модельный электродвигатель — любой электрический двигатель, сообщающий модели движение (ходовой двигатель). О двигателях, приводящих исполнительные механизмы, см. статью сервомашинка. На моделях находят широкое применение коллекторные и бесколлекторные электродвигатели.… …   Википедия

• Универсальный коллекторный двигатель — Схема одного из вариантов УКД. Допускается работа и от постоянного, и от переменного тока Универсальный коллекторный двигатель (УКД)  разновидность коллекторной машины постоянного тока, которая может работать и на постоянном, и на переменном …   Википедия

— Hobby-Model.ru

: 2-4 —
: 1-2 —
     , — 4

, 10:00 — 21:00
+7 (495) 997-10-21

Ваша Корзина Пуста   : 17.12.20
	404 — File Not Found! ! ? , .
2005-2021 Hobby-Model All Rights Reserved	: +7 (495) 997-10-21 10:00-21:00

Бесколлекторные двигатели | Stepmotor

Преимущества бесколлекторных двигателей
Все БД имеют высокий срок службы механических элементов. Достигнуть этого позволила ось, зафиксированная на шарикоподшипниках, исключившая из конструкции какие-либо трущийся друг об друга элементы.

Размагничивание магнитов в бесколлекторных двигателях происходит крайне медленно и составляет не более 1% в 10 лет. Таким образом вывести силовую остановку из строя можно только при перепаде напряжения в контроллере. Избежать данного развития событий позволяет защита по току в контроллере.

1. Долгий срок службы
Высокий срок службы силовой установки данного типа обусловлен неизменным режимом работы на высокой скорости. Кроме того отсутствие какого-либо трения деталей, а следовательно и отсутствие стачивания и нарушения механизмов работы положительно влияют на работу силовой установки бесколлекторного типа.

2. Высокая надежность
Срок работы бесколлекторный двигателей различного типа составляет от 20,000 часов. Чем точнее будет первичная настройка и аккуратнее его использование, тем дольше двигатель будет использоваться. Единственными элементами, ограничивающим ресурс бесколлекторного электродвигателя, являются подшипники.

3. Повышенное быстродействие, динамичность
4. Высокая точность позиционирования
5. Низкие перегревы при перегрузках
6. Пониженный уровень электромагнитных шумов
7. Высокая перегрузочная способность по моменту
8. Возможность изменения частоты вращения в широком диапазоне
9. Линейные загрузочные характеристики

Недостатки: управление бесколлекторным двигателем
Управление бесколлекторным двигателем обуществляет специальный электронный блок управления, который также называют регулятором. Он позволяет осуществлять управление оборотами двигателя, подавать напряжение и настроить вращение силовой установки.

Как правило, именно регулятор бесколлекторного двигателя «забирает» на себя основную стоимость силовой установки. Однако без электронного блока управления настроить и запустить двигатель, так же как и запрограммировать управление бесколлекторным двигателем невозможно. Именно электронное оборудование подает постоянное напряжение на определенные обмотки статора. Также значительно как электронный регулятор на стоимость БД влияют и неодимовые магниты, использующиеся в конструкции установки.

Бесколлекторные двигатели имеют достаточно сложную конструкцию, поэтому любой БД, в том числе трехфазовый (наиболее часто использующийся в производстве), имеет сложный процесс управления.

Устройство БД
В зависимости от месторасположения магнитов в силовой установке существует два типа электродвигателей: «Инраннер» – с магнитами, расположенными во внутренней части, и «Аутраннер» – с магнитами во внешней части, которые вращаются во внешней плоскости статора и обмотки.

В зависимости от требующихся характеристик в электродвигателе применяется одна или другая схема бесколлекторного двигателя. Если у двигателя малое количество полюсов и высокие обороты, то используют схему работы «Инраннер». В этом типе схемы электродвигатель одновременно выполняет функцию корпуса: поэтому непосредственно на него могут быть зафиксированы крепежные элементы.

В съеме бесколлекторного двигателя «Аутраннер» предполагаются невысокие обороты и высокий момент. Вращение в конструкции осуществляет внешняя часть. Закрепить данный тип электродвигателя можно при помощи деталей статора или за незадействованную во вращении осевую часть.

Фазы бесколлекторных двигателей
Фаза бесколлекторного двигателя обеспечивает плавность вращения магнитного поля, чем больше фаз – она же является обмоткой электродвигателя – тем более плавно осуществляется вращение. Как правило, используются трехфазовые бесколлекторные двигатели, однако существуют и одно- и двух- и четырехфазовые силовые установки. Чем больше обмотки – тем выше сложность, но и лучше показатель эффективности.

Распространенность трехфазовых электродвигателей обусловлена соотношением их эффективности к значению сложности. Обычные трехфазовые бесколлекторные двигатели имеют три провода, если же это электродвигатель с датчиками положения, то для них используется еще один комплект состоящий из пяти проводов.

Напряжение подается на две обмотки из трех, тем самым создается шесть путей подачи напряжения на обмотки. Шаг поворота составляет 60 градусов.

Бесколлекторные двигатели с датчиками положения
Если в конструкции используются нагрузки на валу установки, то следует использовать двигатель с датчиком положения. Все электродвигатели в области подъемных механизмов, а также в электротранспорте должны быть оснащены датчиками положения.

Стоит помнить, что если в конструкции при старте должны быть полностью исключены колебания оси двигателя (вращения), то обойтись без датчиков положения в силовой установке не удастся. Наиболее распространенными датчиками движения в электродвигателе являются датчики, работа которых основана на эффекте Холла. Расположение датчиков должно способствовать воздействию магнитов ротора, угол между датчиками составляет 120 градусов (электро).

Датчики положения могут быть расположены как внутри так и снаружи силовой установки. Это позволяет в некоторых случаях самостоятельно дооснастить бесколлекторные электродвигатели без встроенных датчиков положения дополнительно этими внешними датчиками.

В некоторых случаях требуется чтобы датчики работали в режиме реверса, т.е. вращались в обратном направлении, для этого следует использовать дополнительный комплект датчиков перемещения. Чтобы они заработали в режиме реверса следует настроить их на обратный ход.

Применение бесколлекторных электродвигателей
Основным преимуществом БД является отсутствие нагрева и шума во время работы и это при высокой производительности. В первую очередь бесколлекторные двигателя используются в медицинском оборудовании. Большинство современного стоматологического оборудования работает именно с помощью бесколлекторный электродвигателей, поскольку в этой области возможно использовать только тихие высокопроизводительные электромоторы без нагрева.

Наружная реклама: рекламные щиты, витрины, банеры-жалюзи с изменяющимися изображениями используют в своей конструкции бесколлекторные двигатели. В этом случае БД применяются для автоматической работы банеров и вращения конструкций.

Электронное автомобильное оборудование также не обходится без бесколлекторных двигателей. Электростеклоподъемники, «дворники» или электростеклоочистители, омыватели фар и электрорегуляторы кресел также работают при помощи БД.

Отдельно отметим нефтегазовую промышленность, в которой силовые элементы в запорном оборудовании не могут обойтись без БД, поскольку только они гарантированно не имеют искрообразующие части, использовать которые категорически запрещено в данном типе производства.

Купить бесколлектроные двигатели
Мы делаем производство простым в управлении и надежным! Бесколлекторные двигатели подходят как для автоматизации крупных производств, так и любителей электроуправляемых моделей, собрать которые можно в домашних условиях.

Наш Торговый Дом занимается розничными и оптовыми продажами мотор редукторов, шаговых двигателей, линейных двигателей, цилиндрических мотор редукторов, а также бесколлекторных двигателей. Мы осуществляем полный цикл продажи от первичной консультации по требующемуся оборудованию до ее внедрения и установки на вашем производстве.

Мы всегда готовы предоставить вам бесплатную подробную консультацию по новинкам, появившимся на рынках мира, и подобрать для вас подходящий вариант силовой установки или другого оборудования. Мы работаем с самыми крупными поставщиками из Азии, Европы и СНГ, поэтому предлагаем для вас самые доступные цены на силовое оборудование.

Если вы хотите купить бесколлекторный двигатель для робототехники или автоматического управления, то можете оставить запрос на сайте Торгового Дома «Степмотор» или связаться с нами по бесплатному номеру телефона по России: 8 800 5555 068.

Как управлять оборотами бесколлекторных двигателей. В чем разница между коллекторными и бесколлекторными моторами

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.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока имеет на статоре трёхфазную обмотку, и постоянный магнит на роторе. Вращающееся магнитное поле создаётся обмоткой статора, при взаимодействии с которым магнитный ротор приходит в движение. Для создания вращающегося магнитного поля на обмотку статора подаётся система трёхфазных напряжений, которая может иметь различную форму и формируется различными способами. Формирование питающих напряжений (коммутация обмоток) для бесколлекторного двигателя постоянного тока производиться специализированными блоками электроники – контроллером двигателя.

Заказать бесколлекторный двигатель в нашем каталоге

В простейшем случае обмотки попарно подключаются к источнику постоянного напряжения и по мере того как ротор поворачивается в направлении вектора магнитного поля обмотки статора производится подключение напряжения к другой паре обмоток. Вектор магнитного поля статора при этом занимает другое положение и вращение ротора продолжается. Для определения нужного момента подключения следующих обмоток используется датчик положения ротора, чаще других используются датчики Холла.

Возможные варианты и специальные случаи

Выпускаемые сейчас бесколлекторные двигатели могут иметь самую разную конструкцию.

По исполнению статорной обмотки можно выделить двигатели с классической обмоткой, намотанной на стальной сердечник, и двигатели с полой цилиндрической обмоткой без стального сердечника. Классическая обмотка обладает значительно большей индуктивностью, чем полая цилиндрическая обмотка, и соответственно большей постоянной времени. Из-за этого с одной стороны, полая цилиндрическая обмотка допускает более динамичное изменение тока (а, следовательно, и момента), с другой стороны при работе от контроллера двигателя, использующего ШИМ-модуляцию невысокой частоты для сглаживания пульсаций тока, требуются фильтрующие дроссели большего номинала (а соответственно и большего размера). Кроме того, классическая обмотка, как правило, имеет заметно больший момент магнитной фиксации, а также меньший КПД, чем полая цилиндрическая обмотка.

Ещё одно отличие, по которому разделяются различные модели двигателей – это взаимное расположение ротора и статора – существуют двигатели с внутренним ротором и двигатели с внешним ротором. Двигатели с внутренним ротором, как правило, имеют более высокие скорости и меньший момент инерции ротора, чем модели с внешним ротором. Благодаря этому двигатели с внутренним ротором имеют более высокую динамику. Двигатели с внешним ротором часто имеют несколько больший номинальный момент при том же наружном диаметре двигателя.

Отличия от других типов двигателей

Отличия от коллекторных ДПТ. Размещение обмотки на роторе позволило отказаться от щёток и коллектора и избавиться тем самым от подвижного электрического контакта, который значительно снижает надёжность ДПТ с постоянными магнитами. По этой же причине скорость у бесколлекторных двигателей, как правило, значительно выше, чем у ДПТ с постоянными магнитами. С одной стороны это позволяет увеличить удельную мощность бесколлекторного двигателя, с другой стороны не для всех применений такая высокая скорость является действительно необходимой

Отличия от синхронных двигателей с постоянными магнитами. Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе очень похожи на бесколлекторные ДПТ по конструкции, однако есть и ряд различий. Во-первых термин синхронный двигатель объединяет в себе много различных видов двигателей, часть из которых предназначены для непосредственной работы от стандартной сети переменного тока, другая часть (например синхронные серводвигатели) может работать только от преобразователей частоты (контроллеров двигателей). Бесколлекторные двигатели, хотя и имеют на статоре трёхфазную обмотку, не допускают непосредственную работу от сетевого напряжения, и обязательно требуют наличия соответствующего контроллера. Кроме того синхронные двигатели предполагают питание напряжением синусоидальной формы в то время как бесколлекторные двигатели допускают питание переменным напряжением ступенчатой формы (блочная коммутация) и даже предполагают его использование в номинальных режимах работы.

Когда нужен бесколлекторный двигатель?

Ответ на этот вопрос достаточно прост – в тех случаях, когда он имеет преимущество перед остальными типами двигателей. Так, например, практически невозможно обойтись без бесколлекторного двигателя в применениях, где требуются большие скорости вращения: свыше 10000 об/мин. Оправдано применение бесколлекторных двигателей также и в тех случаях, когда требуется высокий срок службы двигателя. В тех случаях, когда требуется применять сборку из двигателя с редуктором, однозначно оправдано применение низкоскоростных бесколлекторных двигателей (с большим числом полюсов). Высокоскоростные бесколлекторные двигатели в этом случае будут иметь скорость выше, чем предельно допустимая скорость редуктора, и по этой причине не будет возможности использовать их мощность полностью. Для применений, где требуется максимально простое управление двигателем (без использования контроллера двигателя) естественным выбором будет коллекторный ДПТ.

С другой стороны, в условиях повышенной температуры или повышенной радиации проявляется слабое место бесколлекторных двигателей – датчики Холла. Стандартные модели датчиков Холла имеют ограниченную стойкость к радиации и диапазон рабочих температур. Если в подобном применении всё же имеется необходимость использовать бесколлекторный двигатель, то неизбежными становятся заказные исполнения с заменой датчиков Холла на более стойкие к указанным факторам, что увеличивает цену двигателя и сроки поставки.

Наверняка задавался вопросом, чем же отличается такой двигатель от других двигателей, например от тех, что стоят в сверлильных станках. Двигатели, установленные в не очень мощных станках, обычно не искрят, и работают они не так шумно, как та же дрель, обладающая меньшей чем станок мощностью.

В чем же дело? Дело в том, что двигатель с щетками — это коллекторный двигатель, а двигатель без щеток — бесколлекторный . Для решения разных задач подойдет свой тип двигателя — где-то лучше подойдет коллекторный, а где-то можно установить только бесколлекторный.

Коллекторный двигатель

Двигатель коллекторный имеет, как правило, всего два провода питания, он прост в управлении, достаточно регулировать постоянное или переменное напряжение питания и обороты станут соответственно меняться. Управлять коллекторным двигателем можно даже при помощи нехитрого диммера. Главное достоинство коллекторного двигателя — высокие обороты (десятки тысяч в минуту) при высоком крутящем моменте.

Принцип работы коллекторного двигателя очень прост. По сути, ротор его представляет собой набор медных рамок в магнитопроводе, которые поочередно коммутируются к источнику питания на коллекторно-щеточном узле. Статор может быть как из постоянных магнитов, так и с обмоткой, питаемой от того же источника, что и ротор, или от отдельного источника, а иногда статор и ротор включены в единую последовательную цепь (как например двигатели стиральных машинок-автоматов).

На каждую из секций обмотки ротора, через коллекторно-щеточный узел, поочередно, в процессе вращения ротора, подается электрический ток, в результате ротор перемагничивается, приобретая четко выраженные северный и южный магнитные полюсы, благодаря которым и происходит вращение ротора внутри статора (полюсы ротора выталкиваются полюсами статора, затем ротор дальше перемагничивается и вновь выталкивается). Поскольку ротор каждый раз коммутируется к источнику питания очередной секцией, вращение не останавливается, пока на коллектор подается питание.

Основной недостаток коллекторного двигателя

Обороты коллекторного двигателя очень удобно регулировать, но когда они достаточно высоки, щетки дают о себе знать. Поскольку щетки все время плотно прилегают к коллектору, на высоких оборотах они быстро изнашиваются, со временем так или иначе засоряются, и в конце концов начинают искрить.

Износ щеток, и вообще коллекторно-щеточного узла, ведет к снижению эффективности коллекторного двигателя. Таким образом, сам коллекторно-щеточный узел — это и есть главный недостаток коллекторных двигателей . Сегодня от коллекторных двигателей стараются отказываться в пользу бесщеточных шаговых.

У бесколлекторного двигателя нет ни коллектора, ни щеток. Простейший пример бесколлекторного двигателя — асинхронный трехфазный двигатель с ротором типа «беличья клетка». Еще один пример бесколлекторного двигателя — более современный — шаговый двигатель с магнитным ротором . Обмотки статора бесколлекторного двигателя сами перемагничиваются так, чтобы ротор все время разворачивался и непрерывно таким образом вращался.

Чаще всего современные бесколлекторные двигатели оснащаются датчиком положения ротора, по сигналам с которого работает регулятор скорости вращения двигателя. Сигнал с датчика положения ротора передается на процессор более 100 раз в секунду, в результате получается точное позиционирование ротора и высокий крутящий момент. Бывают, конечно, бесколлекторные двигатели и без датчика положения ротора, яркий пример — тот же асинхронный трехфазный мотор. Моторы без датчика положения стоят дешевле чем с датчиком.

Достоинства бесколлекторных двигателей

Поскольку ресурс подшипников ротора крайне велик, можно сказать, что в бесколлекторном двигателе практически отсутствуют изнашиваемые со временем детали, и он вообще не требует обслуживания в процессе эксплуатации. Здесь сведено к минимуму трение, отсутствует проблема перегрева коллектора, в целом надежность и эффективность бесколлекторных двигателей очень высоки.

Нет искрящих щеток, датчик положения ротора поможет сделать управление точным, — недостатков практически нет, одни достоинства. Разве что цена качественных шаговых двигателей выше чем у коллекторных (плюс драйвер), но это ничто по сравнению с регулярной заменой пружин, щеток и коллекторов у коллекторных двигателей.

Двигателем постоянного тока называют электрический двигатель, питание которого обеспечивает постоянный ток. 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 оськоторых менее 0,5 мм.

Двигателем переменного тока называют электрический двигатель, питание которого обеспечивает переменный ток . Существуют следующие типы двигателей переменного тока:

Также существует УКД (универсальный коллекторный двигатель) с функцией режима работы как на переменном, так и на постоянном токе.

Ещё один тип двигателей – это шаговый электродвигатель с конечным числом положений ротора . Определённое указанное положение ротора фиксируется при помощи подачи питания на необходимые соответствующие обмотки. При снятии напряжения питания с одной обмотки и его передаче на другие происходит процесс перехода в другое положение.

Двигатель переменного тока при питании посредством промышленной сети обычно не позволяет достичь частоты вращения более трёх тысяч оборотов в минуту . По этой причине при необходимости получить более высокие частоты используется коллекторный двигатель, дополнительными преимуществами которого является лёгкость и компактность при сохранении необходимой мощности.

Иногда также применяют специальный передаточный механизм под названием мультипликатор, который меняет кинематические параметры устройства до требуемых технических показателей. Коллекторные узлы иногда занимают до половины пространства всего двигателя, поэтому электродвигатели переменного тока уменьшают в размере и делают легче в весе путём использования преобразователя частоты, а иногда благодаря наличию сети с повышенной частотой до 400 Гц.

Ресурс любого асинхронного двигателя переменного тока заметно выше коллекторного. Определяется он состоянием изоляции обмоток и подшипников . Синхронный же двигатель при использовании инвертора и датчика положения ротора считается электронным аналогом классического коллекторного двигателя, поддерживающего работу посредством постоянного тока.

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока. Общие сведения и устройство прибора

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока также называют трёхфазным вентильным двигателем. Он представляет собой синхронное устройство, принцип работы которого основывается на самосинхронизированном частотном регулировании, благодаря чему происходит управление вектором (отталкиваясь от положения ротора) магнитного поля статора.

Контроллеры электродвигателей такого типа зачастую питаются благодаря постоянному напряжению, отчего и получили своё название. В англоязычной технической литературе вентильный электродвигатель называют PMSM или BLDC.

Бесколлекторный электродвигатель был создан в первую очередь для оптимизации любого электродвигателя постоянного тока в целом. К исполнительному механизму такого устройства (особенно к высокооборотному микроприводу с точным позиционированием) ставились очень высокие требования.

Это, пожалуй, и обусловило использование таких специфических приборов постоянного тока, бесколлекторные трёхфазные двигатели, также называемые БДПТ. По своей конструкции они практически идентичны синхронным двигателям переменного тока, где вращение магнитного ротора происходит в обычном шихтованном статоре при наличии трёхфазных обмоток, а количество оборотов зависит напряжения и нагрузок статора. Исходя из определённых координат ротора, происходит переключение разных обмоток статора.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока могут существовать без каких-либо отдельных датчиков, однако, иногда они присутствуют на роторе, например, датчик Холла. Если устройство работает без дополнительного датчика, то обмотки статора выполняют функцию фиксирующего элемента . Тогда ток возникает благодаря вращению магнита, когда в обмотке статора ротор наводит ЭДС.

Если одна из обмоток будет выключена, то будет измеряться и в дальнейшем обрабатываться тот сигнал, который был наведён, однако, такой принцип работы невозможен без профессора обработки сигналов. А вот для реверса или торможения такого электродвигателя мостовая схема не нужна – достаточно будет подачи в обратной последовательности управляющих импульсов на обмотки статора.

В ВД (вентильном двигателе) индуктор в виде постоянного магнита расположен на роторе, а якорная обмотка – на статоре. Исходя из положения ротора, формируется напряжение питания всех обмоток электродвигателя. При использовании в таких конструкциях коллектора, его функцию будет выполнять в вентильном двигателе полупроводниковый коммутатор.

Основное отличие синхронного и вентильного двигателей заключается в самосинхронизации последнего при помощи ДПР, что обусловливает пропорциональную частоту вращения ротора и поля.

Чаще всего бесколлекторный электродвигатель постоянного тока находит применение в следующих сферах:

Статор

Это устройство имеет классическую конструкцию и напоминает такой же прибор асинхронной машины. В состав входит сердечник из медной обмотки (уложенной по периметру в пазы), определяющей количество фаз, и корпус. Обычно синусной и косинусной фаз достаточно для вращения и самозапуска, однако, часто вентильный двигатель создают трёхфазным и даже четырёхфазным.

Электродвигатели с обратной электродвижущей силой по типу укладки витков на обмотке статора делятся на два типа:

• синусоидальной формы;
• трапецеидальной формы.

В соответствующих видах двигателя электрический фазный ток меняется также по способу питания синусоидально или трапецеидально.

Ротор

Обычно ротор изготавливают из постоянных магнитов с количеством пар полюсов от двух до восьми, которые, в свою очередь, чередуются от северного к южному или наоборот.

Самыми распространёнными и дешёвыми для изготовления ротора считаются ферритовые магниты, но их недостатком является низкий уровень магнитной индукции , поэтому на замену такому материалу сейчас приходят приборы, созданные из сплавов различных редкоземельных элементов, поскольку могут предоставить высокий уровень магнитной индукции, что, в свою очередь, позволяет уменьшить размер ротора.

ДПР

Датчик положения ротора обеспечивает обратную связь. По принципу работы устройство делится на такие подвиды:

• индуктивный;
• фотоэлектрический;
• датчик с эффектом Холла.

Последний тип получил наибольшую популярность благодаря своим практически абсолютным безынерционным свойствам и способности избавляться по положению ротора от запаздывания в каналах обратной связи.

Система управления

Система управления состоит из силовых ключей, иногда также из тиристоров или силовых транзисторов, включающих изолированный затвор, ведущих к сбору инвертора тока либо инвертора напряжения. Процесс управления этими ключами реализуется чаще всего путём использования микроконтроллера , требующего для управления двигателем огромного количества вычислительных операций.

Принцип работы

Работа двигателя заключается в том, что контроллер коммутирует определённое количество обмоток статора таким образом, что вектор магнитных полей ротора и статора ортогональны. При помощи ШИМ (широтно-импульсной модуляции) контроллер совершает управление протекающим через двигатель током и регулирует момент, оказывающий воздействие на ротор. Направление этого действующего момента определяет отметка угла между векторами. При расчётах используются электрические градусы.

Коммутацию следует производить таким образом, чтобы Ф0 (поток возбуждения ротора) поддерживался относительно потока якоря постоянным. При взаимодействии такого возбуждения и потока якоря формируется вращающий момент М, стремящийся развернуть ротор и параллельно обеспечить совпадение возбуждения и потока якоря. Однако во время поворота ротора происходит переключение различных обмоток под воздействием датчика положения ротора, в результате чего поток якоря разворачивается по направлению к следующему шагу.

В такой ситуации результирующий вектор сдвигается и становится неподвижным по отношению к потоку ротора, что, в свою очередь, создаёт необходимый момент на валу электродвигателя.

Управление двигателем

Контроллер бесколлекторного электродвигателя постоянного тока совершает регулирование действующего на ротор момента, меняя величину широтно-импульсной модуляции. Коммутация при этом контролируется и осуществляется посредством электроники , в отличие от обычного щёточного двигателя постоянного тока. Также распространёнными являются системы управления, которые для рабочего процесса реализуют алгоритмы широтно-импульсной модуляции и широтно-импульсного регулирования.

Двигатели на векторном управлении обеспечивают самый широкий из всех известных диапазонов для регулирования собственной скорости. Регулирование этой скорости, как и поддержание потокосцепления на необходимом уровне, происходит благодаря преобразователю частоты.

Особенностью регулирования электропривода, основанного на векторном управлении, является наличие контролируемых координат. Они находятся в неподвижной системе и преобразуются во вращающуюся , выделяя пропорциональное контролируемым параметрам вектора постоянное значение, благодаря чему формируется управляющее воздействие, а затем обратный переход.

Несмотря на все преимущества такой системы, она сопровождается и недостатком в виде сложности управления устройством для регулирования скорости в широком диапазоне.

Преимущества и недостатки

В наше время во многих отраслях промышленности такой тип двигателя пользуется огромным спросом, ведь бесколлекторный электродвигатель постоянного тока объединил в себе едва ли не все самые лучшие качества бесконтактных и других типов двигателей.

Неоспоримыми преимуществами вентильного двигателя являются:

Несмотря на весомые положительные моменты, в бесколлекторном электродвигателе постоянного тока также есть несколько недостатков:

Исходя из вышеизложенного и неразвитости современной электроники в регионе, многие всё ещё считают целесообразным использование обычного асинхронного двигателя с наличием преобразователя частоты.

Трёхфазный бесколлекторный электродвигатель постоянного тока

Такой тип двигателя обладает превосходными характеристиками, особенно при совершении управления посредством датчиков положения. Если момент сопротивления варьируется или вовсе неизвестен, а также при необходимости достижения более высокого пускового момента используется управление с датчиком. Если же датчик не используется (как правило, в вентиляторах), управление позволяет обойтись без проводной связи.

Особенности управления трёхфазным бесколлекторным двигателем без датчика по положению:

Особенности управления трёхфазным бесколлекторным двигателем с датчиком по положению на примере датчика Холла:

Заключение

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока имеет массу преимуществ и станет достойным выбором для использования как специалистом, так и простым обывателем.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока. Что это такое? — Avislab

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 бесколлекторного 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.

Это позволяет создать вращающееся магнитное поле, которое будет проворачиваться «шагами» на 60 градусов при каждом переключении. Но не будем забегать наперед. В следующей статье будут рассмотрены устройство бесколлекторного двигателя, варианты расположения магнитов, обмоток, датчиков и т.д., а позже будут рассмотрены алгоритмы управления бесколлекторными двигателями.

Бесколлекторные моторы «на пальцах» Что такое бесколлекторные моторы и как управлять бесколлекторными моторами:

Статьи по бесколлекторным моторам:

Матовые двигатели постоянного тока Vs. Бесщеточные двигатели постоянного тока

Любой специалист по управлению движением должен понимать разницу между щеточными и бесщеточными двигателями постоянного тока. Щеточные моторы когда-то были очень распространены. Хотя они в значительной степени вытеснены своими бесщеточными аналогами, правильный двигатель постоянного тока любого типа может сделать проект намного более эффективным.

В чем разница между щеточными и бесщеточными двигателями постоянного тока?

В щеточном двигателе постоянного тока используется конфигурация катушек с намотанной проволокой, якорь , действующий как двухполюсный электромагнит.Направленность тока меняется дважды за цикл переключателем , механическим поворотным переключателем. Это облегчает прохождение тока через якорь; таким образом, полюса электромагнита притягиваются к постоянным магнитам, расположенным снаружи двигателя, и давят на них. Коммутатор затем меняет полярность электромагнита якоря, когда его полюса пересекают полюса постоянных магнитов.

В бесщеточном двигателе, напротив, в качестве внешнего ротора используется постоянный магнит.Кроме того, он использует три фазы управляющих катушек и специализированный датчик, отслеживающий положение ротора. Когда датчик отслеживает положение ротора, он отправляет контрольные сигналы на контроллер. Контроллер, в свою очередь, активирует катушки структурированным образом — одну фазу за другой.

Каковы преимущества щеточных и бесщеточных двигателей постоянного тока?

Матовый

• Низкие общие затраты на строительство;

• Часто можно перестраивать для продления срока службы;

• Простой и недорогой контроллер;

• Контроллер не требуется для фиксированной скорости;

• Идеально подходит для экстремальных условий эксплуатации.

Бесщеточный

• Меньше общего обслуживания из-за отсутствия щеток;

• Эффективно работает на всех скоростях с номинальной нагрузкой;

• Высокая эффективность и высокое соотношение выходной мощности к размеру;

• Уменьшенный размер с намного лучшими тепловыми характеристиками;

• Более высокий диапазон скоростей и меньшее генерирование электрического шума.

В каких областях применения используются щеточные и бесщеточные двигатели постоянного тока?

Сегодня бесщеточный двигатель гораздо более распространен, чем щеточный. Однако и то, и другое можно найти в широком спектре приложений. Щеточные двигатели постоянного тока по-прежнему часто используются в бытовых приборах и автомобилях. Они также занимают прочную промышленную нишу из-за возможности изменять отношение крутящего момента к скорости исключительно для щеточных двигателей.

Благодаря надежности и долговечности бесщеточный двигатель постоянного тока нашел применение во многих областях.Это распространено в широком спектре отраслей: производство, вычисления и многое другое. Их используют электромобили нового поколения и даже некоторые электроинструменты! Из-за сильно различающихся потребностей и условий для проектов управления движением может быть полезен любой из двигателей.

Бесщеточные двигатели постоянного тока против щеточных двигателей постоянного тока: когда и почему выбирать один вместо другого | Статья

.

СТАТЬЯ

Пит Миллетт

Получайте ценные ресурсы прямо на ваш почтовый ящик — рассылается раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность

Введение

Во многих приложениях управления движением используются двигатели постоянного тока с постоянными магнитами.Поскольку проще реализовать системы управления с использованием двигателей постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока, они часто используются, когда необходимо контролировать скорость, крутящий момент или положение.

Существует два типа обычно используемых двигателей постоянного тока: щеточные двигатели и бесщеточные двигатели (или двигатели постоянного тока с BLDC). Как следует из их названия, щеточные двигатели постоянного тока имеют щетки, которые используются для коммутации двигателя, чтобы заставить его вращаться. Бесщеточные двигатели заменяют механическую функцию коммутации электронным управлением.

Во многих приложениях можно использовать щеточный или бесщеточный двигатель постоянного тока.Они работают на основе тех же принципов притяжения и отталкивания между катушками и постоянными магнитами. У обоих есть преимущества и недостатки, из-за которых вы можете выбрать один из них, в зависимости от требований вашего приложения.

Щеточные двигатели постоянного тока

Щеточные двигатели постоянного тока (изображение: maxon group)

В двигателях постоянного тока

для создания магнитного поля используются намотанные катушки из проволоки. В щеточном двигателе эти катушки могут свободно вращаться, приводя в движение вал — они являются частью двигателя, называемой «ротором».Обычно катушки намотаны вокруг железного сердечника, хотя есть также электродвигатели с щеточным покрытием, которые не имеют сердечника, в которых обмотка является самоподдерживающейся.

Неподвижная часть двигателя называется «статором». Постоянные магниты используются для создания постоянного магнитного поля. Обычно эти магниты расположены на внутренней поверхности статора вне ротора.

Для создания крутящего момента, который заставляет ротор вращаться, магнитное поле ротора должно непрерывно вращаться, так что это поле притягивает и отталкивает фиксированное поле статора.Чтобы поле вращалось, используется ползунковый электрический переключатель. Переключатель состоит из коммутатора, который обычно представляет собой сегментированный контакт, установленный на роторе, и неподвижных щеток, установленных на статоре.

По мере вращения ротора коммутатор постоянно включает и выключает различные наборы обмоток ротора. Это заставляет катушки ротора постоянно притягиваться и отталкиваться от неподвижных магнитов статора, что заставляет ротор вращаться.

Поскольку существует некоторое механическое трение между щетками и коллектором — и поскольку это электрический контакт, он обычно не подлежит смазке — происходит механический износ щеток и коллектора в течение всего срока службы двигателя.Этот износ в конечном итоге достигнет точки, когда двигатель перестанет работать. Многие щеточные двигатели, особенно большие, имеют сменные щетки, обычно сделанные из угля, которые предназначены для поддержания хорошего контакта при износе. Эти двигатели требуют периодического обслуживания. Даже со сменными щетками в конечном итоге изнашивается коммутатор до такой степени, что необходимо заменить двигатель.

Для приведения в действие щеточного двигателя на щетки подается постоянное напряжение, которое пропускает ток через обмотки ротора, заставляя двигатель вращаться.

В случаях, когда необходимо вращение только в одном направлении и не нужно контролировать скорость или крутящий момент, для щеточного двигателя не требуется никакой приводной электроники. В таких приложениях напряжение постоянного тока просто включается и выключается, чтобы двигатель работал или останавливался. Это типично для недорогих приложений, таких как моторизованные игрушки. Если необходимо реверсирование, это можно сделать с помощью двухполюсного переключателя.

Для облегчения управления скоростью, крутящим моментом и направлением используется «H-мост», состоящий из электронных переключателей — транзисторов, IGBT или MOSFET — позволяющих двигателю вращаться в любом направлении.Это позволяет подавать напряжение на двигатель любой полярности, что заставляет двигатель вращаться в противоположных направлениях. Скорость или крутящий момент двигателя можно контролировать с помощью широтно-импульсной модуляции одного из переключателей.

Бесщеточные двигатели постоянного тока

Бесщеточные двигатели постоянного тока (изображение maxon group)

Бесщеточные двигатели постоянного тока работают по тому же принципу магнитного притяжения и отталкивания, что и щеточные двигатели, но сконструированы несколько иначе. Вместо механического коммутатора и щеток магнитное поле статора вращается с помощью электронной коммутации.Это требует использования активной управляющей электроники.

В бесщеточном двигателе к ротору прикреплены постоянные магниты, а к статору прикреплены обмотки. Бесщеточные двигатели могут быть сконструированы с ротором внутри, как показано выше, или с ротором на внешней стороне обмоток (иногда называемый двигателем с опережением).

Число обмоток, используемых в бесщеточном двигателе, называется числом фаз. Хотя бесщеточные двигатели могут быть сконструированы с различным числом фаз, трехфазные бесщеточные двигатели являются наиболее распространенными.Исключение составляют небольшие охлаждающие вентиляторы, которые могут использовать только одну или две фазы.

Три обмотки бесщеточного двигателя соединены по схеме «звезда» или «треугольник». В любом случае к двигателю подключаются три провода, а технология привода и форма сигнала идентичны.

Трехфазные двигатели могут быть сконструированы с различными магнитными конфигурациями, называемыми полюсами. Самые простые трехфазные двигатели имеют два полюса: ротор имеет только одну пару магнитных полюсов: северный и южный.Двигатели также могут быть построены с большим количеством полюсов, что требует большего количества магнитных секций в роторе и большего количества обмоток в статоре. Более высокое количество полюсов может обеспечить более высокую производительность, хотя очень высокие скорости лучше достигаются с меньшим количеством полюсов.

Чтобы привести в действие трехфазный бесщеточный двигатель, каждая из трех фаз должна иметь возможность приводиться либо к входному напряжению питания, либо к заземлению. Для этого используются три схемы «полумоста», каждая из которых состоит из двух переключателей.Переключатели могут быть биполярными транзисторами, IGBT или MOSFET, в зависимости от требуемого напряжения и тока.

Существует ряд методов привода, которые можно использовать для трехфазных бесщеточных двигателей. Самый простой из них называется трапециевидной, блочной или 120-градусной коммутацией. Трапецеидальная коммутация в чем-то похожа на метод коммутации, используемый в щеточном двигателе постоянного тока. В этой схеме в любой момент времени одна из трех фаз соединена с землей, одна остается разомкнутой, а другая приводится в действие напряжением питания.Если требуется управление скоростью или крутящим моментом, обычно фаза, подключенная к источнику питания, имеет широтно-импульсную модуляцию. Поскольку фазы переключаются скачкообразно в каждой точке коммутации, а вращение ротора является постоянным, существует некоторое изменение крутящего момента (так называемая пульсация крутящего момента) при вращении двигателя.

Для повышения производительности можно использовать другие методы коммутации. Синусоидальная или 180-градусная коммутация постоянно пропускает ток через все три фазы двигателя. Электроника привода генерирует синусоидальный ток через каждую фазу, каждая из которых смещена на 120 градусов относительно другой.Этот приводной метод сводит к минимуму пульсации крутящего момента, а также акустический шум и вибрацию и часто используется для высокопроизводительных или высокоэффективных приводов.

Для правильного вращения поля управляющая электроника должна знать физическое положение магнитов на роторе относительно статора. Часто информацию о положении получают с помощью датчиков Холла, установленных на статоре. Когда магнитный ротор вращается, датчики Холла улавливают магнитное поле ротора. Эта информация используется электроникой привода для пропускания тока через обмотки статора в такой последовательности, которая вызывает вращение ротора.

Используя три датчика Холла, трапецеидальную коммутацию можно реализовать с помощью простой комбинационной логики, поэтому не требуется сложной управляющей электроники. Другие методы коммутации, такие как коммутация синуса, требуют немного более сложной управляющей электроники и обычно используют микроконтроллер.

Помимо обеспечения обратной связи по положению с помощью датчиков Холла, существуют различные методы, которые можно использовать для определения положения ротора без датчиков. Самый простой — это контролировать обратную ЭДС на незадействованной фазе, чтобы определить магнитное поле относительно статора.Более сложный алгоритм управления, называемый полевым управлением или FOC, вычисляет положение на основе токов ротора и других параметров. FOC обычно требует довольно мощного процессора, так как есть много вычислений, которые нужно выполнять очень быстро. Это, конечно, дороже, чем простой метод трапецеидального управления.

Щеточные и бесщеточные двигатели: преимущества и недостатки

В зависимости от области применения могут быть причины, по которым вы можете использовать бесщеточный двигатель вместо щеточного двигателя.В следующей таблице приведены основные преимущества и недостатки каждого типа двигателя:

	Мотор с щеткой	Бесщеточный двигатель
Срок службы	Короткое (износ щеток)	Длинный (без щеток)
Скорость и ускорение	Средний	Высокая
КПД	Средний	Высокая
Электрический шум	Шумный (искрение втулки)	Тихий
Акустический шум и пульсация крутящего момента	Плохо	Среднее (трапециевидное) или хорошее (синусоидальное)
Стоимость	Самый низкий	Средний (дополнительная электроника)

Срок службы

Как упоминалось ранее, одним из недостатков щеточных двигателей является механический износ щеток и коллектора.В частности, угольные щетки являются жертвой, и во многих двигателях они предназначены для периодической замены в рамках программы технического обслуживания. Мягкая медь коллектора также медленно изнашивается щетками и в конечном итоге достигает точки, когда двигатель больше не работает. Поскольку бесщеточные двигатели не имеют подвижных контактов, они не страдают от этого износа.

Скорость и ускорение

Скорость вращения щеточных двигателей может быть ограничена щетками и коммутатором, а также массой ротора.На очень высоких скоростях контакт щетки с коммутатором может стать неустойчивым, и искрение щетки возрастет. В большинстве щеточных двигателей также используется сердечник из многослойного железа в роторе, что придает им большую инерцию вращения. Это ограничивает скорость разгона и замедления двигателя. Можно построить бесщеточный двигатель с очень мощными редкоземельными магнитами на роторе, что минимизирует инерцию вращения. Конечно, это увеличивает стоимость.

Электрический шум

Щетки и коммутатор образуют своего рода электрический выключатель.Когда двигатель вращается, переключатели размыкаются и замыкаются, в то время как значительный ток проходит через обмотки ротора, которые являются индуктивными. Это приводит к возникновению дуги на контактах. Это создает большой электрический шум, который может попасть в чувствительные цепи. Возникновение дуги можно несколько смягчить, добавив конденсаторы или демпферы RC через щетки, но мгновенное переключение коммутатора всегда создает некоторый электрический шум.

Акустический шум

Щеточные двигатели имеют «жесткое переключение», то есть ток резко переключается с одной обмотки на другую.Создаваемый крутящий момент изменяется в зависимости от вращения ротора при включении и выключении обмоток. С помощью бесщеточного двигателя можно управлять токами обмоток таким образом, чтобы ток постепенно передавался от одной обмотки к другой. Это снижает пульсацию крутящего момента, которая представляет собой механическую пульсацию энергии на ротор. Пульсации крутящего момента вызывают вибрацию и механический шум, особенно при низких оборотах ротора.

Стоимость

Поскольку бесщеточные двигатели требуют более сложной электроники, общая стоимость бесщеточного привода выше, чем стоимость щеточного двигателя.Несмотря на то, что бесщеточный двигатель проще в изготовлении, чем щеточный двигатель, поскольку в нем отсутствуют щетки и коммутатор, технология щеточного двигателя является очень зрелой, а производственные затраты низкими. Ситуация меняется по мере того, как бесщеточные двигатели становятся все более популярными, особенно в больших объемах, таких как автомобильные двигатели. Кроме того, стоимость электроники, такой как микроконтроллеры, продолжает снижаться, что делает бесщеточные двигатели более привлекательными.

Сводка

Из-за снижения затрат и повышения производительности бесщеточные двигатели становятся все более популярными во многих сферах применения.Но все же есть места, где щеточные двигатели имеют больше смысла.

Многое можно узнать, изучив применение бесщеточных двигателей в автомобилях. По состоянию на 2020 год большинство двигателей, которые работают, когда автомобиль работает, — например, насосы и вентиляторы — перешли от щеточных двигателей к бесщеточным двигателям для повышения их надежности. Добавленная стоимость двигателя и электроники более чем компенсирует меньшее количество отказов в полевых условиях и снижение требований к техническому обслуживанию.

С другой стороны, двигатели, которые используются нечасто, например, двигатели, приводящие в движение сиденья с электроприводом и электрические стеклоподъемники, остались преимущественно щеточными двигателями.Причина в том, что общее время работы в течение всего срока службы автомобиля очень мало, и очень маловероятно, что двигатели выйдут из строя в течение всего срока службы автомобиля.

По мере того, как стоимость бесщеточных двигателей и связанной с ними электроники продолжает снижаться, бесщеточные двигатели находят свое применение в приложениях, которые традиционно использовались щеточными двигателями. Еще один пример из автомобильного мира: в двигателях регулировки сиденья в высокопроизводительных платах используются бесщеточные двигатели, поскольку они производят меньше акустического шума.

Получить техническую поддержку

Разница между щеточными и бесщеточными двигателями

В чем разница между щеточными и бесщеточными двигателями? У одного есть кисти, а у другого нет, верно?

Хотя на первый взгляд это, конечно, правда, реальный вопрос заключается в том, почему существуют оба типа? Каковы основные преимущества и ограничения того и другого?

Читайте дальше, чтобы узнать.

СВЯЗАННЫЕ: 10 НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫХ ИЗОБРЕТЕНИЙ НИКОЛА ТЕСЛА

Но, прежде чем мы перейдем к сравнению этих двух, полезно потратить некоторое время на обсуждение каждого типа двигателя по отдельности.

Что такое щеточный мотор?

В щеточном двигателе постоянного тока используются катушки с намотанной проволокой, называемые якорем, которые действуют как двухполюсный электромагнит. Дважды за цикл направление тока меняется на противоположное с помощью коммутатора, который представляет собой механический поворотный переключатель. Полюса электромагнита притягивают и толкают постоянные магниты на внешней стороне двигателя. Затем коммутатор меняет полярность электромагнита якоря, когда его полюса пересекают полюса постоянных магнитов, образуя постоянный ток.

«Деловая сторона» щеточного электродвигателя постоянного тока — роторный узел с коммутатором и обмотками электромагнита. Источник: Зак Хукен / Flickr

Матовые двигатели были первыми коммерчески важными двигателями и уже более 100 лет используются для работы двигателей в коммерческих и промышленных приложениях. Они самые простые и используются с конца 1800-х годов.

Коллекторные двигатели можно изменять по скорости, изменяя рабочее напряжение или силу магнитного поля внутри них.

Этот уровень управления очень полезен для многих приложений.

Щеточные двигатели обычно состоят из четырех основных компонентов:

• Статор
• Ротор или якорь
• Щетки (очевидно)
• Коммутатор

Мы обсудим, как эти компоненты работают вместе со следующими раздел.

Как работает щеточный двигатель?

Как упоминалось ранее, щеточный двигатель состоит из четырех основных компонентов.Первый, называемый статором, создает стационарное магнитное поле, окружающее ротор.

Типичная анатомия щеточного двигателя DB.

Вверху слева: Двигатель и корпус в сборе.

Вверху справа: (слева направо) пластиковая крышка с открытыми щетками, ротор с коммутатором и электромагнитными обмотками, а также корпус с постоянными магнитами и статором внутри.

Внизу слева: Изолированный ротор / якорь в сборе (обмотки электромагнита коммутатора и т. Д.).

Внизу справа: Крупным планом пластиковая крышка с щеточными электродами.

Источник: Илья Криворук / Wikimedia Commons

Это магнитное поле создается с помощью двух изогнутых постоянных магнитов. Эти магниты обычно неподвижны (не двигаются), отсюда и термин.

Также важно отметить, что у одного будет северный полюс, направленный в сторону ротора, а у другого — южный полюс в сторону ротора.

Ротор или якорь состоит из проволочных катушек, которые при прохождении через них электричества могут создавать магнитное поле.

Это часть, которая движется (отсюда и название «ротор») и вращает главный вал двигателя.

Благодаря магнитному полярному притяжению, магнитное поле ротора будет пытаться совмещаться / отталкиваться с полем статора, заставляя ротор вращаться вокруг своей оси.

Когда к двигателю подается электричество, создается магнитное поле, которое притягивает (и отталкивает) фиксированные магниты в статоре. Для того, чтобы ротор продолжал вращаться, магнитное поле необходимо реверсировать каждые поворот на 180 градусов и оборота ротора (в простом щеточном двигателе с одним якорем).

Упрощенная схема простого щеточного двигателя постоянного тока. Модифицировано по материалам: Jared Owen / YouTube

Это изменение магнитной полярности ротора выполняется щетками двигателя (обычно сделанными из угля) и коммутатором (частью, которая «коммутирует» или реверсирует электрический ток в якорь ротора. всего два фиксированных электрода, которые трутся о кольцо коммутатора, когда оно вращается вместе с ротором.

Щетки также имеют тенденцию быть подпружиненными, чтобы гарантировать, что они остаются в контакте с коммутатором.

Коммутатор обычно состоит из небольшого, обычно медного, цилиндра, прикрепленного к ротору с изломами через равные промежутки времени (например, 180 градусов в роторе с одним якорем). Электрический ток будет течь через одну половину коммутатора, через якорь и обратно из другой половины коммутатора.

При вращении ротора (якоря) вращается и коммутатор, постоянно замыкая и размыкая электрическую цепь щетками. Это приводит к тому, что магнитные полюса обмоток ротора меняют магнитную полярность, поскольку цепь разрывается в одном направлении и повторно подключается в другом — т.е.е. ток меняется каждые на 180 градусов .

Более сложные двигатели будут иметь ряд якорей с разрывами между ними на коллекторе. Это помогает предотвратить потенциальное заклинивание двигателя, если щетки замыкают цепь через зазоры коллектора.

Другими словами, каждая петля якоря по очереди превращается в электромагнит и притягивается / отталкивается от внешних постоянных магнитов неподвижного статора. Довольно аккуратно.

В реальных двигателях якорь также будет состоять из массы проводов вместо одного провода.Это помогает значительно улучшить силу электромагнита и, следовательно, крутящий момент двигателя.

Более сложная схема щеточного двигателя постоянного тока. Обратите внимание на множественные якоря и связанные с ними разрывы в кольце коммутатора. Источник: Джаред Оуэн / YouTube

Обычно щеточные двигатели постоянного тока помещаются в штампованный стальной и оцинкованный корпус с пластиковым колпачком на одном конце. Корпус и крышка обычно имеют ряд отверстий, которые обычно используются для прохождения потока воздуха через двигатель и предотвращения перегрева.

Также обычно есть отверстия под винты для крепления двигателя на месте. Пластиковая крышка также будет удерживать пару соединительных штифтов для подключения источника питания и предотвращения короткого замыкания из-за контакта с металлическим корпусом двигателя.

Если у вас возникли проблемы с визуализацией работы щеточного двигателя постоянного тока, вот отличная симуляция.

Для чего используются щеточные двигатели?

Матовые электродвигатели постоянного тока (BLDC) можно найти практически везде в вашем доме, и когда вы находитесь вне дома.Всякий раз, когда требуется средство преобразования электричества во вращательное движение, скорее всего, вы найдете щеточный двигатель постоянного тока.

В вашем доме любая игрушка или электронное устройство, скорее всего, будет иметь такое. Электрические зубные щетки, моторизованные хлеборезки, любимая радиоуправляемая машинка вашего ребенка — все это воплотит в жизнь эти удивительные образцы инженерной мысли.

Во всем мире щеточные двигатели постоянного тока до сих пор широко используются в таких машинах, как электрические силовые установки, краны, буровые установки и сталепрокатные станы, и это лишь некоторые из них, благодаря способности изменять отношение крутящего момента к скорости, который является эксклюзивным для щеточных двигателей

Что такое бесщеточный двигатель?

В отличие от щеточных двигателей постоянного тока, как следует из названия, бесщеточные двигатели постоянного тока избавляются от необходимости использовать щеточные электроды для вращения ротора.Они также устраняют необходимость в физическом коммутаторе.

Схема бесщеточного двигателя постоянного тока Outrunner. Изменено по: JAES / YouTube

Также известные как двигатели с электронной коммутацией (двигатели ECM или EC), они, как широко считается, имеют более высокое отношение мощности к массе, скорость, уровень контроля и более низкие требования к техническому обслуживанию по сравнению с щеточными двигателями. .

Они также частично меняют принцип работы щеточного двигателя. Например, на роторе используются постоянные магниты, а для вращения ротора используются управляемые электромагниты.

Бесщеточные двигатели обычно бывают двух видов:

• Inrunner — здесь статор расположен вне ротора.
• Outrunner — здесь статор расположен внутри ротора. Так обстоит дело со старыми дисководами гибких дисков и т. Д. Этот термин происходит от того факта, что ротор вращается или вращается вокруг внешней стороны.

Пример бесщеточного двигателя постоянного тока Outrunner. Этот пример — разобранный дисковод гибких дисков. Обратите внимание на радиальные катушки статора слева и «колпачок» ротора справа.Постоянные магниты представляют собой серое кольцо по периметру ротора. Источник: Себастьян Коппехель / Wikimedia Commons

В бесщеточном двигателе медные катушки обмотки закреплены, поскольку это постоянный магнит, который вращается вместе с ротором. Небольшая печатная плата используется для имитации работы щеток в обычном щеточном двигателе, управляя подачей энергии на электромагниты.

В остальном основной принцип технологии такой же, как и у щеточного двигателя, хотя применение немного отличается.Бесщеточные двигатели впервые появились в 1960-х годах благодаря появлению твердотельной электроники.

Как работает бесщеточный двигатель?

Мы уже подробно рассмотрели, как работает щеточный двигатель. Бесщеточный двигатель, как предлагалось ранее, работает аналогичным образом, за исключением того, какие части фиксированы, а какие вращаются.

Электрический ток вообще не подается на ротор, и постоянные магниты прикреплены к валу, а не к статору.Катушки электромагнита закреплены на статоре, поэтому отпадает необходимость в щеточных электродах и коммутаторе.

Как и в щеточных катушках электромагнита, катушки здесь обычно состоят из сердечника из мягкого железа, обернутого проволокой.

Неподвижные катушки электромагнита последовательно включаются и выключаются, чтобы временно намагнитить их, чтобы либо оттолкнуть, либо привлечь постоянные магниты на роторе. По сути, они используют магнетизм, чтобы толкать и тянуть магниты, прикрепленные к ротору, чтобы повлиять на вращение вала.

Схема, показывающая принцип работы бесщеточного двигателя. В этом случае катушка 2 и ее противоположная партнерская катушка находятся под напряжением. «Колпачок» внешнего ротора вращается за счет притяжения противоположных магнитных полюсов внутренних катушек электромагнита и внешних фиксированных постоянных магнитов. В этом случае ротор будет вращаться против часовой стрелки. Источник: JAES / YouTube

Таким образом, крутящий момент создается за счет постоянного смещения магнитных полей ротора и статора. Когда постоянные магниты пытаются выровняться, система управления двигателем автоматически выключается или изменяет полярность электромагнитов, чтобы поддерживать рассогласование полей.

Это достигается за счет использования датчиков, которые могут определять угол поворота ротора (в частности, постоянные магниты) в любой момент времени. Полупроводниковые переключатели, как и транзисторы, затем используются для изменения электрического тока через электромагнитные обмотки.

Как и в щеточном двигателе, магнитное поле катушек может быть изменено по требованию путем изменения направления тока внутри них. Их также можно полностью отключить, просто отключив подачу электрического тока на катушку (например, выключив ее).

Вращением вала также можно управлять, регулируя величину тока в катушках.

Еще один пример бесщеточного двигателя постоянного тока Outrunner. Статор находится слева, а ротор (с видимыми постоянными магнитами) — справа. Источник: Ленц Гриммер / Flickr

Для чего используются бесщеточные двигатели?

Бесщеточные двигатели постоянного тока, как и щеточные, сегодня используются почти повсеместно. Из-за их высокой эффективности и управляемости, не говоря уже о более длительном сроке службы, они, как правило, используются в устройствах, которые либо работают постоянно, либо используются регулярно.

Их можно найти, например, в стиральных машинах, кондиционерах, электрических вентиляторах и другой бытовой электронике. Благодаря своему принципу работы они способствовали значительному снижению энергопотребления многих современных электронных устройств.

В электромобилях и дронах также хорошо используются бесщеточные двигатели из-за их способности обеспечивать точное управление. Это важно, поскольку дронам необходимо постоянно и точно контролировать скорость каждого ротора, чтобы выполнять такие действия, как парение.

Вы также можете найти их в вакуумных машинах, и раньше они использовались для вращения жестких дисков в старых компьютерах. Они также широко используются в сборках компьютерных вентиляторов.

Бесщеточный канальный вентилятор постоянного тока демонтированный. Не два больших электромагнита с фиксированной катушкой и печатная плата. Источник: Materialscientist / Wikimedia Commons

Долговечность и эксплуатационная надежность в долгосрочной перспективе, а также энергоэффективность и высокое соотношение выходной мощности к размеру быстро делают их двигателями выбора для многих электронных устройств, разрабатываемых сегодня.

По этой причине ожидается, что бесщеточные двигатели будут находить все более широкое применение. Они, вероятно, будут, например, обычным явлением для сервисных роботов, поскольку бесщеточные двигатели лучше подходят для управления силой, чем другие альтернативы, такие как шаговые двигатели.

В чем основное различие между щеточными и бесщеточными двигателями?

К настоящему времени вы должны понимать разницу между двумя типами двигателей. Учитывая их различный дизайн, есть некоторые другие неотъемлемые преимущества одного перед другим.

К ним относятся, но не ограничиваются:

• Щеточные двигатели относительно неэффективны из-за потерь мощности из-за трения и передачи мощности через систему коммутатора.
• Бесщеточные двигатели, с другой стороны, более эффективны из-за отсутствия механических потерь, наблюдаемых в щеточных двигателях.
• Благодаря своей конструкции щеточные двигатели имеют более короткий срок службы из-за износа щеток. Обычно они требуют замены каждые два-семь лет, в зависимости от рабочих температур и рабочей среды.
• Поскольку в бесщеточных двигателях отсутствуют щетки и физические коммутаторы, они требуют меньшего общего обслуживания.

Изменено по: Shaswat Regmi / YouTube

• Двигатели с щеткой требуют более сложных методов регулирования скорости. Снижение напряжения снижает крутящий момент двигателя, но это происходит за счет более низких скоростей, поскольку крутящий момент резко падает.
• Бесщеточные двигатели относительно очень просты в управлении. По этой причине крутящий момент для бесщеточных двигателей обычно выше на более низких скоростях.
• Щеточные двигатели обычно работают слишком быстро, чтобы их можно было использовать в большинстве приложений. По этой причине им, как правило, требуется зубчатая передача для снижения скорости и, следовательно, увеличения крутящего момента.
• Бесщеточные двигатели, однако, в этом отношении преуспевают. По этой причине они часто используются напрямую без необходимости переключения передач. В некоторых специализированных приложениях может использоваться зубчатая передача, если требуется очень высокая точность или больший крутящий момент.
• Бесщеточные двигатели легче, долговечнее, эффективнее и безопаснее для некоторых применений.Они также работают намного тише.
• Двигатели со втулкой могут образовывать искры, что не идеально в местах с риском взрыва. По этой причине бесщеточные двигатели часто являются предпочтительным выбором в опасных условиях труда.
• Многие инструменты, в которых используются бесщеточные двигатели, часто называют «интеллектуальными двигателями». Это связано с тем, что датчики используются для определения сопротивления двигателя для таких вещей, как электродрели. Таким образом, подача тока может регулироваться автоматически.Это позволяет таким инструментам быть очень эффективными с точки зрения потребления электроэнергии.
• Учитывая относительную сложность бесщеточных двигателей, неудивительно, что они, как правило, дороже. С другой стороны, щеточные двигатели относительно дешевы.

А это, как говорится, накрутка.

Мы надеемся, что теперь вы имеете представление о двух типах двигателей и основных принципах, лежащих в основе их конструкции. Теперь вы также должны понимать относительные плюсы и минусы любого устройства.

Итак, в следующий раз, когда вы подумываете о том, чтобы купить себе электроинструмент или двигатель для следующего проекта, вы можете подумать о том, чтобы потратить немного больше на бесщеточный?

Различия между щеточными и бесщеточными двигателями постоянного тока

Я никогда не забуду свой первый проект, связанный с двигателями.

Я построил небольшой лифт для научного проекта еще в начальной школе. Конечно, он отлично работал на этапе тестирования, но не работал, когда рассчитывал.Я использовал дерево, чтобы построить каркас шахты лифта, и я использовал систему шкивов с веревками, чтобы поднимать и опускать картонную коробку. (Это было до того, как я изучил передаточные числа шестерни и шкивов, поэтому мой лифт был больше похож на сиденье с выталкивателем, чем на лифт.)

Для управления движением я использовал в своем проекте аккумулятор, выключатель и двигатель постоянного тока. Короче говоря, так как я был так сосредоточен на тестировании, моя батарея фактически разрядилась перед демонстрацией. Оглядываясь назад, я должен был заменить батарею незадолго до демонстрации.Учитель по-прежнему поставил мне оценку «ОК», поскольку кто-то видел, как работает лифт, и поручился за меня.

Это был мой первый опыт работы с двигателем постоянного тока. Сможете угадать, какой тип двигателя постоянного тока я использовал?

Типы двигателей постоянного тока

Есть два типа двигателей постоянного тока — щеточный и бесщеточный. Оба они являются двигателями постоянного тока с постоянными магнитами, поскольку в них обоих используется сегментированный ротор с постоянными магнитами. Эти двигатели обычно используются для регулирования скорости.

Драйвер или нет?

Первое отличие заключается в их названиях.Один использует кисти, а другой нет. Щеточные электродвигатели постоянного тока также известны как электродвигатели постоянного тока с автоматической коммутацией. Его конструкция и конструкция позволяют ему работать без схемы привода, о которой я расскажу позже. Бесщеточные двигатели постоянного тока не могут самостоятельно коммутироваться, поэтому для них требуется схема управления, в которой используются транзисторы для направления тока на различные обмотки двигателя.

Конструкция и работа

Двигатель активирует набор электромагнитов в своем статоре в последовательности, чтобы создать вращение с помощью ротора с постоянными магнитами.Северный полюс статора будет притягивать южный полюс двигателя. Это теория работы всех двигателей постоянного тока с постоянными магнитами. Они делают это иначе.

Чтобы понять, почему эти двигатели ведут себя так, как они, нам нужно понять его конструкцию.

Вот как щеточные моторы и бесщеточные моторы выглядят внутри. На изображении ниже мы показываем щеточный двигатель с постоянными магнитами в статоре вместо ротора. Иногда постоянные магниты могут находиться в роторе в зависимости от производителя.При наличии катушек обмотки в роторе тепло не излучается так же хорошо, как при наличии катушек обмотки в статоре.

На верхнем левом изображении показаны коммутатор и щетки. На нижнем правом изображении показан тот же двигатель спереди. Внутри двигателя установлен электрод в виде щеток и коммутатор. Коммутатор вращается вместе с ротором, а статор неподвижен. В этом моторе два полюса постоянного магнита — северный и южный.

Когда источник питания подключен к стационарным щеткам, в роторе возбуждается определенный набор электромагнитов (катушек), который притягивает следующий полюс магнита и отталкивает текущий полюс статора. Когда ротор вращается на следующий набор электромагнитов, щетки механически переключаются на следующий набор электромагнитов в роторе. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет отключено питание. Направление двигателя можно изменить, переключив полярность источника питания.

На следующем изображении показан бесщеточный двигатель с постоянными магнитами на роторе вместо статора, который мы производим. Одним из преимуществ этой конструкции является то, что катушки обмотки статора, которые производят больше всего тепла, могут рассеивать тепло быстрее, чем двигатель с катушками в центре.

На верхнем левом изображении показаны ротор, статор и ИС на эффекте Холла в задней части двигателя. В отличие от щеточных двигателей, бесщеточные двигатели используют специальную схему драйвера для контроля обратной связи от двигателя, а драйвер использует транзисторы для электрического возбуждения полюсов статора для вращения ротора.Они также известны как бесщеточные двигатели постоянного тока или двигатели BLDC. Oriental Motor использует термин «бесщеточные двигатели», поскольку мы предлагаем эти двигатели с входными драйверами переменного или постоянного тока. На нижнем правом изображении показана передняя сторона двигателя. У нас есть 6 полюсов статора (электромагнитов) и 4 полюса ротора (постоянные магниты) в этом двигателе.

ИС на эффекте Холла определяет постоянные магниты в роторе при его вращении, преобразует аналоговый сигнал в цифровой, а затем отправляет данные обратно в схему драйвера. Затем драйвер использует данные, чтобы определить правильную синхронизацию для фазового возбуждения.Обратная связь также используется для регулирования скорости двигателя.

На изображении ниже показано, как силовая цепь драйвера включает и выключает определенные катушки обмотки с транзисторами. Мы показываем 12-ступенчатую последовательность возбуждения транзистора с обмотками U, V и W. После 12 шагов цикл повторяется.

Большинство наших бесщеточных двигателей сейчас 10-полюсные. Выходное разрешение ИС на эффекте Холла равно количеству полюсов ротора ИС на эффекте Холла, то есть 3 ИС x 10 полюсов = 30 импульсов на оборот.Некоторые бесщеточные двигатели, такие как серия BXII, предлагают энкодер для приложений, требующих более высокого разрешения.

Обратная связь

Еще одно очевидное различие между щеточными и бесщеточными двигателями заключается в том, что для правильной работы требуется обратная связь. Сигналы обратной связи от его ИС на эффекте Холла предоставляют данные о вращении и необходимы для правильной синхронизации фазового возбуждения.

Усовершенствованные драйверы бесщеточных двигателей могут предлагать некоторые уникальные функции, которые недоступны для простых контроллеров двигателей с щетками, такие как сохраненные профили скорости и связь через RS-485.Датчики обратной связи и тока в бесщеточных двигателях могут обеспечивать функцию ограничения крутящего момента, что может быть полезно для приложений с натяжением. Хотя первоначальные затраты на бесщеточные двигатели выше, при выборе двигателя следует учитывать их преимущества.

Характеристики регулирования скорости

И щеточные, и бесщеточные двигатели обладают схожими характеристиками. Их кривые крутящего момента такие же, как показано ниже. Для щеточных двигателей скорость и крутящий момент можно контролировать, изменяя входное напряжение двигателя.Однако повышенное напряжение иногда может слишком сильно увеличить нагрев и снизить рабочий цикл двигателя.

Драйверы бесщеточного двигателя ограничивают кривую крутящего момента для достижения наилучшей производительности, поэтому вы всегда можете рассчитывать на одинаковую отличную производительность каждый раз. Для бесщеточных двигателей последовательность возбуждения водителя должна увеличиваться, чтобы двигатель вращался быстрее.

Резюме / Сравнение

Вы, должно быть, догадались, что в моем проекте лифта я использовал щеточный двигатель.

Хотя бесщеточные двигатели намного лучше, щеточный двигатель выполнил свою работу для моего простого одноразового проекта. К тому же я не знал, как создать драйвер, и мне действительно нужно было снизить затраты.

Вот сводка различий между щеточными и бесщеточными двигателями .

Хотя щеточные двигатели просты и дешевле в эксплуатации, они обычно используются в приложениях, где длительный срок службы или техническое обслуживание не являются серьезной проблемой.

Щетки всегда соприкасаются, поэтому со временем они изнашиваются из-за трения, и их необходимо будет периодически заменять. Это может повлечь за собой нежелательные изменения в конструкции, так как двигатели должны быть доступны для обслуживания.

Внутри бесщеточного двигателя контактируют только шариковые подшипники, поэтому они не требуют периодического обслуживания.

Бесщеточные двигатели также тише и служат дольше, чем щеточные двигатели постоянного тока. Щеточная коммутация также является основным источником электрического и звукового шума, который может влиять на другие электронные сигналы или требовать принятия мер по снижению шума.

Искры от коммутации щеток ограничивают среду, в которой щеточные двигатели могут безопасно работать.

Поскольку бесщеточные двигатели обеспечивают более высокую энергоэффективность, эти двигатели могут быть более компактными из-за высокого отношения крутящего момента к весу и большего крутящего момента на ватт.

Наконец, датчики Холла в бесщеточных двигателях регулируют скорость примерно с точностью +/- 0,2%. Для энкодеров это значение составляет + / 0,05%.

Бесщеточные двигатели становятся более популярными, чем щеточные. В то время как щеточные двигатели по-прежнему широко используются в бытовых приборах и автомобилях, бесщеточные двигатели более универсальны для широкого спектра применений, от конвейеров до грузовых автомобилей.

Хотите узнать больше? Сравните бесщеточные и щеточные двигатели с двигателями переменного тока в этом техническом документе.

Вот небольшой ролик про нашу.

Спасибо, что прочитали мой пост. Пожалуйста, подпишитесь, чтобы и дальше получать мои сообщения.

Бесщеточный и щеточный электродвигатели: почему вы должны знать разницу

Электродвигатель дрели предназначен для преобразования электроэнергии в механическое движение. На рынке представлен широкий спектр двигателей, которые могут работать с различными приложениями и различными требованиями к мощности.Двумя наиболее распространенными типами двигателей являются бесщеточные и щеточные двигатели. Хотя они основаны на одних и тех же физических принципах, их структура, характеристики и управление значительно различаются.

… Спешите?

См. Нашу Бесщеточную дрель №1 с рейтингом 4.7 из 5 звезд и почти 300 отзывами клиентов.

Бесщеточный двигатель, который становится все более популярным среди домашних пользователей и профессиональных пользователей, не является новым для рынка.Чтобы понять его происхождение, важно вернуться к изобретениям г-на Эрнста Вернера фон Сименса в 1856 году. Несмотря на то, что изобретения были элементарными, за десятилетия они претерпели ряд улучшений, одним из которых был реостат для точного управления скоростью вращения. вала.

История бесщеточного двигателя началась в начале 1960-х годов с появлением силового диммера, способного преобразовывать переменный ток (AC) в постоянный (DC). В 1962 году Т.Г. Уилсон и П. Х. Трики опубликовали статью с описанием бесщеточного двигателя, работающего на постоянном токе. Агрегаты были оснащены технологией, которая использовала магнетизм и последовательно противодействовала электрическому устройству. Главным открытием концепции бесщеточного двигателя стало отсутствие физического переключателя для передачи тока.

Однако только в 1980-х годах бесщеточный двигатель действительно хорошо стартовал. Большая доступность постоянных магнитов в сочетании с высоковольтными транзисторами позволила этому типу двигателя генерировать такую ​​же мощность, как и щеточные двигатели.Усовершенствования бесщеточного двигателя не ослабевают в течение последних трех десятилетий. Это изменило способ производства эффективных буровых инструментов производителями сверл. В свою очередь, клиенты пользуются ключевыми преимуществами, связанными с разнообразием и меньшими требованиями к техническому обслуживанию.

Как работает дрель?

Основное различие между бесщеточными и щеточными двигателями бурового станка состоит в том, что щеточные варианты сделаны из углерода, а бесщеточные блоки используют магниты для выработки энергии.По этой причине бесщеточные двигатели лучше адаптированы, не вызывают трения, меньше нагреваются и обеспечивают лучшую производительность. Кроме того, бесщеточные агрегаты значительно сокращают техническое обслуживание, которое сводится к пыли и нет необходимости заменять изношенные щетки.

В бесщеточном двигателе коммутация обмоток не механическая, а управляется электроникой с помощью устройства, известного как контроллер. Это преобразует постоянный ток в трехфазный ток переменной частоты и последовательно питает катушки двигателя для создания вращающегося поля.Понятно, что при таком силовом принципе катушки закреплены в двигателе и не вращаются, как в щеточных двигателях.

Все бесщеточные двигатели имеют относительно схожую конструкцию. Они поставляются с фиксированным статором, на котором держатся катушки, и подвижным ротором, к которому приклеены постоянные магниты. Обмотки могут быть построены по-разному: в форме звезды или треугольника. У большинства бесщеточных есть внутренний ротор, который быстро вращается до 100 000 об / мин.

Что такое кисти?

Щетки необходимы для правильного функционирования щеточных моторных инструментов, таких как дрели, отбойные молотки, строгальные станки, кусторезы и шлифовальные машины.Угольные щетки выбирают в зависимости от марки и типа инструмента. Они устанавливаются на неподвижной части двигателя, чтобы обеспечить оптимальную передачу мощности на ротор (вращающуюся часть). Они обеспечивают переключение без искры.

Работая попарно, эти компоненты изнашиваются и подвержены трению. Угольные щетки постоянно контактируют с контактными кольцами. Эти компоненты, изготовленные из графита, бывают разных типов. Они могут быть оснащены пружиной, коннектором (провод с вилкой) или без щеткодержателя.Щетки бывают разных размеров и форм (в основном квадратные, прямоугольные) и могут иметь канавки для улучшения направления.

Скорость сверла указывается как часть крутящего момента, который зависит от силы магнитного поля. Подпружиненные угольные щетки прикреплены к пружине, снабженной пластиной для обеспечения плавного прохождения усилия. В некоторых случаях щетки устанавливаются на щеткодержателе с пружиной, предназначенной для увеличения тяги.

С другой стороны, дробящие щетки используются для остановки работы двигателя и, в конечном итоге, сверла до полного износа графитового материала.Это нацелено на поддержание оптимальной производительности.

Производители переносных электроинструментов, включая дрели, обычно продают щетки, совместимые с их станками. Размеры выражаются в миллиметрах или дюймах, которые представляют толщину, глубину и ширину. Однако эти характеристики могут отличаться от одного производителя к другому.

Недостатки щеточных двигателей

Хотя щеточные двигатели недороги, надежны и имеют высокий крутящий момент или коэффициент инерции, они также имеют ряд недостатков.Эти компоненты со временем изнашиваются, образуя пыль. Этот тип двигателя требует регулярного обслуживания для очистки или замены щеток. Они также имеют низкую теплоотдачу из-за ограничений ротора, высокой инерции ротора, низкой максимальной скорости и электромагнитных помех (EMI) из-за дуги на щетках.

Принцип работы бесщеточных двигателей такой же, как и у двигателей со щетками (управление переключением с использованием внутренней обратной связи по положению вала), но их общая конструкция отличается.Конструкция бесщеточных агрегатов снижает внутреннее сопротивление и помогает рассеивать тепло, выделяемое в обмотках статора. Таким образом, эффективность выше, поскольку тепло от катушек может рассеиваться более эффективно благодаря гораздо большему стационарному корпусу двигателя.

В отличие от щеточного двигателя, в бесщеточном блоке постоянный магнит установлен на роторе. Статор изготовлен из рифленого стального проката и содержит обмотки катушки. С другой стороны, щеточные устройства требуют небольшого количества внешних компонентов или вообще не требуют их и поэтому хорошо работают в ограниченных условиях.

Что такое бесщеточный дрель?

Прочтите полный обзор дрели Dewalt 20v max.

Чтобы понять, что означает «бесщеточный», очень важно рассмотреть базовую конструкцию этих двигателей. Обмотки статора могут быть расположены звездой (или Y) или треугольником. Прокатку стали можно производить с канавками и без них. Двигатель дрели без бороздок имеет меньшую индуктивность. Следовательно, он может работать быстрее и вызывать меньше волн на более низких скоростях. Его главный недостаток — более высокие факторы стоимости, поскольку необходимо увеличивать количество обмоток, чтобы компенсировать большее воздушное пространство.

Число полюсов ротора может варьироваться в зависимости от области применения. Чем больше полюсов, тем больше крутящий момент, но снижается максимальная скорость. Материал, из которого изготовлены постоянные магниты, также влияет на максимальный крутящий момент, который увеличивается с увеличением плотности магнитного потока.

Поскольку переключение должно выполняться электронным способом, управление бесщеточным двигателем намного сложнее, чем в простых схемах, связанных с щеточными агрегатами. Используются как аналоговые, так и цифровые методы управления.Базовый блок управления аналогичен блоку управления щеточными двигателями, но управление с обратной связью является обязательным.

В бесщеточных двигателях используются три основных типа алгоритмов управления: трапецеидальная коммутация, синусоидальная коммутация и векторное (или ориентированное на поле) управление. Каждый алгоритм управления может быть реализован по-разному в зависимости от кода программного обеспечения и конструкции оборудования. У каждого есть свои преимущества и недостатки.

Трапецеидальная коммутация требует простейшей схемы и управляющего программного обеспечения, что делает ее идеальным решением для приложений начального уровня.Он использует шестиэтапный процесс с использованием обратной связи по положению ротора. Трапецеидальное переключение эффективно контролирует скорость и мощность двигателя, но страдает от пульсации крутящего момента во время переключения, особенно на низких скоростях.

Бездатчиковое переключение (оценка положения ротора путем измерения обратной ЭДС двигателя) обеспечивает впечатляющую производительность за счет большей сложности алгоритма. Благодаря удалению датчиков на эффекте Холла и их интерфейсных схем, это бессенсорное переключение снижает затраты на компоненты и установку и упрощает конструкцию системы.Это помогает ответить на вопрос, что такое бесщеточный двигатель?

Преимущества бесщеточного двигателя

Прочтите полный обзор Makita 18v Drill

Технология бесщеточного двигателя не только увеличивает мощность ваших аккумуляторных электроинструментов, но и продлевает их срок службы. С этими двигателями у вас практически не будет забот об обслуживании.

Преимущества бесщеточной технологии многочисленны. Отсутствие щеток избавляет от проблем, связанных с перегревом и поломками. Таким образом, срок службы бесщеточного двигателя зависит только от подшипников.Бесщеточный двигатель компактнее и в два-три раза легче щеточных агрегатов. Это улучшает портативность, снижает вибрацию и шум.

Электронная коммутация обеспечивает точное позиционирование. Двигатель развивает скорость до 50 000 об / мин с оптимально сбалансированными роторами. Электронный модуль обеспечивает большую гибкость с более широким диапазоном вариаций и, в особенности, поддержание крутящего момента с самого начала.

Эффективность значительно повышается без трения между ротором и статором.Тепло и трение уменьшаются, а энергия батареи оптимизируется. Это увеличивает мощность и автономность до 25 процентов с обычными батареями. По словам производителей, последние поколения литий-ионных аккумуляторов обеспечивают до 50 или даже 60 процентов повышенной автономности.

Отсутствие трения позволяет двигателю работать без искрообразования даже при интенсивных нагрузках. Бесщеточная технология не имеет зоны контакта, что значительно снижает износ и обслуживание.Это дает несколько преимуществ: двигатель более энергоэффективен, предотвращает перегрев, устраняет необходимость замены щеток, а пользователи получают более длительный срок службы батареи — вы обнаружите, что лучшая аккумуляторная дрель работает от бесщеточного двигателя.

Матовые и бесщеточные двигатели: зачем нужны дополнительные расходы?

В обычном электродвигателе ротор (вращающаяся часть машины) приводится в движение внутри статора (неподвижная часть). Оба соединены электрическим соединением: коллектором или коммутатором, который контактирует с небольшими угольными щетками.

В бесщеточной технологии ротор состоит из магнитов, а статор — из катушек, которые поочередно заряжаются положительно или отрицательно. Таким образом, полюса притягиваются и отталкиваются, позволяя двигателю вращаться. Преимущество заключается в отсутствии физического контакта между ротором и статором. Энергия передается от одного к другому через магнетизм между электромагнитами.

Приведенный в действие постоянным током, двигатель работает от переменного тока, вырабатываемого электронной платой, которая преобразует постоянный ток в трехфазную переменную частоту.Таким образом, катушки питаются поочередно, чтобы создать вращающееся поле и, следовательно, вращение. Электронный модуль, встроенный в двигатель или в корпус, непрерывно регулирует ток, чтобы двигатель работал с максимальной эффективностью. Это улучшает общую производительность и, таким образом, обеспечивает реальное соотношение цены и качества.

Что лучше: бесщеточный или щеточный мотор?

Таким образом, бесщеточные двигатели лучше щеточных. Пользователи могут воспользоваться преимуществами сокращенного обслуживания, повышения эффективности, снижения тепловыделения и шума.Бесщеточные двигатели представляют собой синхронные блоки с одним или несколькими постоянными магнитами. Электроинструменты с бесщеточным двигателем теперь считаются продукцией высокого класса.

Двигатель постоянного тока состоит из двух электрических частей: статора и ротора. При включении двигателя он создает магнитное взаимодействие, которое приводит двигатель в движение. Когда вы меняете направление напряжения, питающего двигатель, он вращается в противоположном направлении.

Обзор других аккумуляторных дрелей

В чем разница между щеточными и бесщеточными двигателями постоянного тока?

Двигатели постоянного тока

можно разделить на щеточные и бесщеточные.Щеточные двигатели постоянного тока оснащены коммутатором и щетками, тогда как бесщеточные двигатели постоянного тока используют электронную схему вместо этих частей. В чем разница между этими двумя типами двигателей постоянного тока?
На этой странице объясняются различия между щеточными и бесщеточными двигателями постоянного тока и описываются их соответствующие преимущества и недостатки. Для получения дополнительной информации о двигателях постоянного тока в целом посетите следующую страницу.

Что такое двигатель постоянного тока? — Особенности и механизмы

Применения для щеточных и бесщеточных двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока

используются в широком спектре приложений, от привычных бытовых приборов до крупных промышленных предприятий.Щеточные двигатели постоянного тока, в частности, являются одними из наиболее широко используемых среди всех типов электродвигателей, от двигателей в игрушечных моделях до двигателей вспомогательных транспортных средств. Бесщеточные двигатели постоянного тока также имеют широкий спектр применения, в том числе в качестве компонентов жестких дисков, используемых для хранения данных на ПК, а также в кондиционерах, холодильниках и других бытовых приборах.

Выбор типа двигателя зависит не только от области применения, но и от таких факторов, как стоимость и обслуживание. С точки зрения цены потребность в электронной схеме означает, что бесщеточные двигатели постоянного тока обычно имеют более высокую общую стоимость, чем щеточные двигатели постоянного тока.

С другой стороны, бесщеточные двигатели постоянного тока

имеют более длительный срок службы, поскольку у них отсутствуют щетки и коммутатор, которые находятся в постоянном контакте друг с другом в щеточном двигателе, и они изнашиваются из-за трения. Они также не создают электрических и акустических шумов, возникающих при этом контакте. Это приводит к тому, что они широко применяются, когда вы хотите уменьшить частоту обслуживания, связанного с регулярной заменой деталей, или в приложениях, требующих бесшумной работы.

Коллектор и щетки на щеточных двигателях постоянного тока изнашиваются, что приводит к их более короткому сроку службы, чем у бесщеточных двигателей постоянного тока.Тем не менее, щеточные двигатели постоянного тока иногда выбирают в приложениях, где целью является снижение начальной стоимости и возможность их замены в качестве расходных деталей.

Что такое щеточный двигатель постоянного тока?

В щеточном двигателе постоянного тока катушка расположена в роторе, который вращается в магнитном поле двигателя. Это вращение вызывает изменение направления тока в катушке, когда коммутатор контактирует с альтернативными щетками. Именно это изменение направления тока в катушке заставляет ротор продолжать вращаться, тем самым приводя в движение двигатель.

Щеточные двигатели постоянного тока подразделяются на двигатели с постоянными магнитами и электродвигатели с электромагнитом в зависимости от типа магнита, используемого для создания магнитного поля.

Щеточные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами подразделяются на двигатели с прорезями, без паза и без сердечника в зависимости от конфигурации якоря (ротора).

Электромагнитные щеточные двигатели постоянного тока используют электромагниты для генерации магнитного потока вместо постоянного магнита. Эта конфигурация используется для двигателей со средней и высокой мощностью.Далее они делятся на двигатели с распределенной обмоткой, с последовательной обмоткой и двигатели с независимым возбуждением.

Преимуществами щеточных двигателей являются их простая конфигурация и способность работать без электронной схемы привода в приложениях, где не требуется регулирование скорости.

Их недостаток в том, что их щетки и коммутатор являются расходными частями, которые требуют регулярной замены. Щетки также создают электрический и акустический шум.

Что такое бесщеточный двигатель постоянного тока?

В бесщеточном двигателе постоянного тока нет необходимости в коммутаторе и щетках, поскольку в роторе установлены постоянные магниты.Вращение ротора поддерживается за счет определения положения магнитных полюсов ротора и соответствующего переключения электрического тока, протекающего через катушки.

Для этого требуется приводная схема, поскольку ротор не будет вращаться при простом подключении двигателя к источнику питания.

Бесщеточные двигатели постоянного тока подразделяются на двигатели с поверхностными постоянными магнитами (SPM), в которых постоянные магниты прикреплены к внешней окружности ротора, и двигатели с внутренними постоянными магнитами (IPM), в которых они встроены во внутреннюю часть ротора.

Из-за отсутствия щеток и коммутатора, которые используются в щеточных двигателях постоянного тока, преимущества бесщеточных двигателей постоянного тока включают более простое обслуживание благодаря более длительному сроку службы и бесшумную работу по сравнению с щеточными двигателями постоянного тока.

Факторы, которые следует учитывать при выборе между щеточными и бесщеточными двигателями постоянного тока

Хотя оба они используют источник питания постоянного тока, щеточные и бесщеточные двигатели постоянного тока имеют разные характеристики и конфигурации. Щеточные двигатели постоянного тока могут быть выбраны там, где необходимость в регулярной замене расходных материалов не является проблемой.

Бесщеточные двигатели постоянного тока, поскольку для них не требуются щетки и коммутатор, имеют более длительный срок службы и, следовательно, более просты в обслуживании, чем щеточные двигатели постоянного тока, а также отличаются бесшумной работой.

Выбор двигателя зависит от того, какие факторы важны для применения, и должен быть сделан на основе полного понимания их сравнительных характеристик и характеристик.

Преодоление проблем с бесщеточными двигателями постоянного тока

ASPINA поставляет не только автономные двигатели, но и системные продукты, которые включают в себя системы привода и управления, а также механическую конструкцию.Они подкреплены всесторонней поддержкой, которая простирается от прототипа до коммерческого производства и послепродажного обслуживания.
ASPINA может предложить решения, адаптированные к функциям и характеристикам, требуемым для различных отраслей промышленности, приложений и продуктов клиентов, а также для конкретных производственных условий.

ASPINA поддерживает не только клиентов, которые уже знают свои требования или спецификации, но и тех, кто сталкивается с проблемами на ранних этапах разработки.
Вы боретесь со следующими проблемами?

Выбор двигателя

• У вас еще нет подробных спецификаций или проектных чертежей, но нужна консультация по двигателям?
• У вас нет сотрудников, имеющих опыт работы с двигателями, и вы не можете определить, какой двигатель лучше всего подойдет для вашего нового продукта?

Разработка двигателей и связанных компонентов

• Хотите сосредоточить свои ресурсы на основных технологиях и передать на аутсорсинг приводные системы и разработку двигателей?
• Хотите сэкономить время и силы, связанные с изменением конструкции существующих механических компонентов при замене двигателя?

Уникальное требование

• Вам нужен двигатель, изготовленный по индивидуальному заказу, но ваш обычный поставщик отказался от него?
• Не можете найти двигатель, который дает вам необходимый контроль, и вот-вот теряете надежду?

Ищете ответы на эти проблемы? Свяжитесь с ASPINA, мы здесь, чтобы помочь.

Инструменты с бесщеточными двигателями — Сравнение бесщеточных и щеточных двигателей

В мире электроинструментов бесщеточные двигатели в моде. Хотя эта технология не совсем новая, в последние годы она приобрела популярность благодаря некоторым громким релизам Makita, Milwaukee, DeWalt и других.

🛠Вы любите ремонтировать. Мы любим чинить вещи. Давай сделаем это вместе.

«Бесщеточные двигатели используются с 1960-х годов, используются в промышленных и производственных приложениях для [двигателей, приводящих в движение] конвейерные ленты», — говорит Кристиан Кулис, старший вице-президент по управлению продуктами в Milwaukee Tools, Popular Mechanics .

Makita, однако, была первой компанией, использовавшей их в электроинструментах. «[Это было] первое в нашем сборочном подразделении в 2003 году для оборонной и аэрокосмической промышленности, а затем снова в 2009 году, когда мы выпустили бесщеточный трехскоростной ударный драйвер», — рассказал Pop Mech Уэйн Харт, менеджер по коммуникациям Makita.

Производители заявляют, что бесщеточные инструменты повысили производительность и долговечность и что они умнее, чем средний инструмент. Так что же за технология, лежащая в основе этих новых двигателей?

Как работают щеточные двигатели старой школы

Традиционный щеточный двигатель состоит из четырех основных частей: угольных щеток, кольца магнитов, якоря и коммутатора.Магниты и щетки неподвижны, а якорь и коммутатор вращаются вместе на валу двигателя внутри магнитов.

Макита

Когда двигатель находится под напряжением, заряд проходит от батареи через щетки в коммутатор. (Щетки подпружинены для поддержания физического контакта с коммутатором.) Коммутатор затем передает заряд на якорь, который состоит из медных обмоток (они выглядят как пучки медных проводов).Обмотки намагничиваются зарядом и толкаются к неподвижному кольцу магнитов, которые его окружают, заставляя узел якоря вращаться. Вращение не прекращается, пока не прекратится заряд от аккумулятора.

Как работают бесщеточные двигатели

В бесщеточном двигателе отсутствуют щетки и коллектор. А расположение магнитов и обмоток поменялось местами: магниты находятся на валу обычного двигателя, а медные обмотки якоря закреплены и окружают вал.Вместо щеток и коммутатора небольшая печатная плата координирует подачу энергии к обмоткам.

Поскольку электроника напрямую взаимодействует с неподвижными обмотками, инструмент настраивается в соответствии с задачей — вот почему компании продают их как «более умные» инструменты. Например, если вы используете бесщеточную дрель для ввинчивания шурупов в пенополистирол, она с большей готовностью определяет отсутствие сопротивления (по сравнению с щеточным двигателем) и начинает извлекать из аккумулятора только тот небольшой заряд, который ему нужен.Если затем инструмент начнет заворачивать 3-дюймовые винты в красное дерево, он соответствующим образом отрегулирует и потребляет больше тока. В отличие от этого, щеточный двигатель всегда будет работать с максимальной скоростью во время использования.

---

Инструменты, необходимые для выполнения работы:

Дрель-шуруповерт DeWalt

DEWALT walmart.com

$ 353,33

Сабельная пила Ridgid

Риджид амазонка.ком 152,99 долл. США

$ 125.00 (18% скидка)

Угловая шлифовальная машина Makita

Макита amazon.com

Циркулярная пила Milwaukee

МИЛЬВОКИ amazon.com

$ 439,34

---

Кроме того, бесщеточные двигатели могут быть в целом более мощными.Поскольку медные обмотки находятся снаружи двигателя, есть место для их увеличения. Бесщеточные двигатели также не имеют трения и падения напряжения, которые создают щетки при движении по вращающемуся коммутатору. Этот физический контакт приводит к постоянной потере энергии во время рабочего процесса.

Чистая прибыль — инструмент с большей эффективностью и более прочными двигателями. Само собой разумеется, что к концу года в каждом электроинструменте будет установлен бесщеточный двигатель, не так ли? «Это не шанс», — говорит Кулис из Милуоки.

«В то время как преимущества бесщеточной технологии огромны, производители сталкиваются с чрезвычайно высокими ценовыми барьерами из-за дополнительных затрат на двигатель и электронику, которые требуются для правильного управления двигателем», — говорит она. Другими словами, они дороги, и поэтому бесщеточные двигатели лучше подходят для профессионалов, которые могут выложить большие деньги за инструмент, который они собираются использовать каждый день. Бесщеточные инструменты примерно на 30 процентов дороже в производстве, чем стандартные аккумуляторные инструменты, а батареи для их питания обычно недоступны для большинства домашних мастеров.

Но по мере совершенствования аккумуляторных технологий и совершенствования конструкции инструментов покупатели начнут видеть все больше и больше бесщеточных инструментов в своих местных центрах. Они здесь, чтобы остаться, но, вероятно, пройдет некоторое время, прежде чем технология перейдет на все электроинструменты для домашних мастеров выходного дня.