Коллекторные и бесколлекторные двигатели — в чем разница и что лучше

Рынок электродвигателей и систем электроприводов процветают в огромном количестве различных областей, в частности в медицинских и роботизированных приложениях. Кроме того, существует большой спрос на малые, эффективные, с большим и небольшим крутящим моментом, а также электродвигатели большой и малой мощности в автомобильном сегменте.

Для этих приложений могут выбирать электропривода из щеточных электродвигателей постоянного тока, бесщеточных электродвигателей постоянного тока (BLDC) или их комбинации. Большинство машин работают благодаря явлению электромагнитной индукции. Тем не менее, между этими машинами существуют ключевые различия, которые необходимо учитывать при выборе электрической машины.

Коллекторный двигатель

Коллекторный двигатель – это двигатель, оснащенный щетками, или же щеточно-коллекторным узлом, который и отвечает за приведение в движение данного механизма. Иными словами, коллектор – это совокупность нескольких контактов. Коллекторный двигатель достаточно прост в управлении, а источником питания для него может быть как батарея, так и аккумулятор.

Преимущества коллекторного двигателя заключаются в следующих качествах:

  • он имеет сравнительно небольшой вес и компактный размер;
  • его стоимость значительно ниже стоимости бесколлекторного двигателя;
  • коллекторный двигатель пригоден к ремонту.

Но наряду с преимуществами, данный вид двигателя имеет и недостатки:

  • коэффициент полезного действия коллекторного двигателя не превышает 50-60%;
  • слишком быстрый износ двигателя за счет высокой скорости трения его щеток.

Скорость работы коллекторного двигателя одновременно является и преимуществом данного типа механизма, и его недостатком. С одной стороны, она позволяет проводить работу на высоких оборотах, но с другой – становится причиной перегрева мотора и дальнейшего выхода его из строя.

Бесщеточный двигатель vs щеточного двигателя

Уже несколько лет мы наблюдаем, как бесщеточный двигатель доминирует в индустрии передовых электродвигателей. Действительно ли имеет значение использовать бесщеточный мотор? Да, конечно. Между ними есть существенная разница.

Давайте посмотрим на основы двигателя постоянного тока. Двигатель постоянного тока — все о магнитах и ​​электромагнетизме.

Противоположно заряженные магниты притягивают друг друга. Основная идея двигателя постоянного тока заключается в том, чтобы удерживать противоположный заряд вращающегося компонента, притянутого к неподвижным магнитам (статору) перед ним, чтобы он генерировал постоянное притяжение. Это движение тяги вперед вызвано физическим поведением электромагнетизма.

Бесколлекторный мотор

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

Внешний вид двигателя бесколлекторного типа

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

Фактически БКД работает наоборот.

  • В конструкции не предусмотрено наличие щёток и самого коллектора, что становится очевидным уже исходя из самого названия;
  • Если говорить о магнитах, то в случае с бесколлекторником они размещаются обязательно вокруг вала. При этом магниты выполняют роль или функции ротора;
  • Обмотки с несколькими магнитными полюсами располагаются вокруг установленного ротора;
  • На роторе присутствует датчик. Он же сенсор. Его задача заключается в контроле положения ротора и передаче полученной информации на процессор;
  • Этот процессор работает параллельно с регулятором скорости, который отвечает за скорости вращения. Суммарно за 1 секунду обмен информацией происходит около 100 раз минимум.

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

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

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

Преимущества и недостатки

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

Бесколлекторный бесщеточный электродвигатель в разборке

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

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

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

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

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

Принцип работы мотора

Он основан на том принципе, что, когда токопроводящий проводник помещается в магнитное поле, он испытывает механическую силу, направление которой задается правилом левой руки Флеминга, а его величина определяется
силой, F = BI l  ньютон
Где B — магнитное поле / м2.
I — ток в амперах, а
l — длина катушки в метрах.
Сила, ток и магнитное поле находятся в разных направлениях.

Выбор типа электродвигателя для механизма

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

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

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

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

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

Различия в конструкции щеточного и безщеточного двигателя

Щетки внутри электродвигателей используются для подачи тока на обмотки двигателя через контакты коммутатора. Бесщеточный мотор не имеет токоведущих коммутаторов. Поле внутри бесщеточного двигателя переключается через усилитель, запускаемый коммутирующим устройством, таким как оптический датчик.

В щеточном двигателе постоянного тока используется конфигурация витых проволочных катушек, якоря, действующего как двухполюсный электромагнит. Направленность тока меняется дважды за цикл с помощью коммутатора, механического поворотного переключателя. Это облегчает протекание тока через якорь; таким образом, полюса электромагнита тянут и давят на постоянные магниты вдоль внешней стороны двигателя. Затем коммутатор меняет полярность электромагнита якоря, когда его полюса пересекают полюса постоянных магнитов.

В отличие от бесщеточного двигателя, в качестве внешнего ротора используется постоянный магнит. Кроме того, он использует три фазы катушек и специальный датчик, который отслеживает положение ротора. Когда датчик отслеживает положение ротора, он отправляет опорные сигналы на контроллер. Контроллер, в свою очередь, активирует катушки структурированным образом — одна фаза за другой.

Отсутствие щеток

Бесколлекторные электродвигатели постоянного тока (BLDC) имеют ряд преимуществ перед своими «щеточными братьями». Во-первых, они могут реализовать функцию точного позиционирования, полагаясь на датчики положения на основе эффекта Холла для коммутации. Они также требуют меньше, а иногда и никакого обслуживания из-за отсутствия щеток.

Они побеждают коллекторные машины постоянного тока в отношении скорость / крутящий момент благодаря их способности поддерживать или увеличивать крутящий момент на разных скоростях. Важно отметить, что потери мощности в коллекторном узле полностью отсутствуют, что значительно повышает эффективность компонентов. Другие профили BLDC включают высокую выходную мощность, малый размер, лучшую теплоотдачу, более высокие диапазоны скоростей и малошумную (механическую и электрическую) работу.

Тем не менее, нет ничего идеального. BLDC имеют более высокую стоимость. Они также требуют специальные стратегии управления, которые могут быть как сложными, так и дорогостоящими. И им нужен контроллер, который может стоить почти столько же, а иногда и больше, чем управляемый им электродвигатель BLDC.

Бесщеточный мотор преимущества и недостатки

Бесщеточный мотор гарантирует более длительный срок службы, поскольку на самом деле нет щетки, чтобы его изнашивать. Они могут работать более 1000 часов. Безщеточные моторы более энергоэффективны, чем щеточные.

Однако они изначально стоят дороже, чем щеточные моторы. Вам также необходимо коммутировать устройства, такие как кодировщики и контроллеры.

Щеточный двигатель сильно шумит, тогда как их бесщеточные аналоги менее шумные. Бесщеточный двигатель также предлагает более высокое отношение крутящего момента к весу. Что еще? Нет необходимости иметь дело с ионизирующими искрами от коммутатора и электромагнитными помехами.

Ссылка на основную публикацию