Чем отличается коллекторный и бесколлекторный двигатель?

Задача электрического двигателя создать вращение, что приводит в движение радиоуправляемые модели.Часто одни и те же радиоуправляемые модели — автомодели, авиамодели, судомодели — сильно отличаются друг от друга по цене — почти в 2 раза. Эти модели могут быть укомплектованы коллекторными и бесколлекторными двигателями и соответственными регуляторами. Нужно понять, какой двигатель выбрать.

Существует 2 основных типа электродвигателей, использующихся в радиоуправляемых моделях: коллекторные и бесколлекторные.

Коллекторные двигатели (brushed, щеточные) дешеле, но модели с такими двигателями развивают меньшую скорость и такие моторы менее надежны.

Определяющей особенностей коллекторных двигателей является наличие щеточно-коллекторного узла, который обеспечивает движение радиоуправляемой модели. Главным внешним отличием коллекторного двигателя от бесколлекторного является наличие у него двух проводов вместо трех. Коллекторный двигатель состоит из подвижной части — ротор и неподвижной — статор (корпус). Коллектор — набор контактов, расположены на роторе и щётки — скользящие контакты, расположены вне ротора и прижаты к коллектору. Ротор с обмотками вращается внутри статора. Щётки используются, чтобы передавать электрическую энергию на катушки вращающихся обмоток ротора. Обычные коллекторные электродвигатели, имеют всего два провода (положительный и отрицательный), которыми двигатель подключается к регулятору скорости.

Коллекторные двигатели, используемые в радиоуправляемых моделях, работают от постоянного тока. К примеру, подав на два провода двигателя соответствующее напряжение от источника постоянного тока, например, обычной батарейки или аккумулятора, приводим вал двигателя в движение. Схема регулятора для коллекторного двигателя простая, что так же уменьшает стоимость такой комплектации. Ротор двигателя разгоняет магнитное поле, создаваемое на обмотках. Величина этого поля зависит от напряжения приложенного к обмоткам, чем большее магнитное поле будет создано, тем быстрее будет крутиться ротор. На двигателе обычно указывается число оборотов обмотки двигателя, чем меньше число, тем выше скорость вращения вала двигателя.

Среди преимуществ коллекторных двигателей радиоуправляемых моделей можно выделить: малые размеры, вес, а также относительно низкая стоимость. Поэтому такой тип двигателя наиболее часто применяется в бюджетных комплектациях моделей или в моделях начального уровня. Если говорить о надежности коллекторного двигателя, то он сильно уступает бесколлекторному. При всей их простоте, у них один огромный недостаток — ограниченный ресурс. Наличие щеточно-коллекторного узла подразумевает механическую систему подвижных контактов, то есть механическая работа щеточек и коллектора может привести к искрению при перегреве и быстрый износ при неблагоприятных условиях эксплуатации (влага, грязь, пыль). В процессе работы коллекторных двигателей происходит постепенный износ графитовых щеток и металла коллектора, по которым щетки скользят и рано или поздно они выходят из строя. Перед началом эксплуатации модели, двигатель желательно обкатать при пониженной нагрузке для того, чтобы щетки правильно притерлись к коллектору. При агрессивной (может быть 2 заезда) или длительной эксплуатации модели замена коллекторного моторчика – это частое и обыденное явление.

Бесколлекторные двигатели (brushless, бесщёточные) – дороже, но способны развить большую скорость, а также более износостойкие. Модель, оборудованная современной бесколлекторной системой, ездит и быстрее, и дольше.

Высокая эффективность (коэффициент полезного действия) и износостойкость достигается благодаря отсутствию щеточно-коллекторного узла. Бесколлекторные моторы являются более мощными, чем коллекторные моторы того же размера. Главным внешним отличием бесколлекторного мотора от коллекторного является наличие у него трёх проводов вместо двух. У бесколлекторного двигателя подвижной частью является как раз статор (корпус) с постоянными магнитами, а неподвижной частью — ротор с трехфазной обмоткой. Переключение обмоток происходит за счет относительно сложной электронной схемы — регулятора.

Бесколлекторный двигатель приводится во вращение трёхфазным переменным током, поэтому для их работы необходим специальный контроллер скорости (регулятор), преобразующий постоянный ток от аккумулятора в переменный. Как бесколлекторный двигатель, так и регулятор для бесколлекторного двигателя имеет более сложную конструкцию, в силу чего, стоимость возрастает.

Двигатели, используемые в моделях, имеют закрытый корпус, что делает их устойчивыми к влаге, пыли, грязи. Можно сказать, что бесколлекторные моторы практически не изнашиваются. Изнашиваться могут только подшипники. Единственная возможность разбить мотор — в столкновении. Еще можно сжечь контроллер — как и любой регулятор, но при наличии в контроллере защиты по току он тоже прослужит долго.

Значения характеристик двигателя для радиоуправляемых моделей

.

Помимо деления на коллекторные и бесколлекторные, двигатели делятся по следующим значимым характеристикам: мощности, КV, напряжению, максимальному току.

По размерам

. Для коллекторного двигателя — эта характеристика называется класс, где цифрой, к примеру, 280, 300,400, 480, 500, 600, 650, 700, 720, 820, 900, обозначается длина корпуса двигателя. Существует набор классов.
Пример: класс двигателя определяется его длиной — если мы говорим о двигателе 400-го класса, то речь идет о моторе с длиной корпуса 400мм. У Бесколлектоных двигателей важной характеристикой яляется его размер — длина и ширина. Различия в размерах дает представление о мощности бесколлекторного электромотора. Чем больше размер — тем выше мощность.
Пример: Двигатель 4274 означает:
диаметр — 42 мм,
длина — 74 мм.
Например, двигатель с такими размерами один из самых мощных, он подойдет на автомодель масштаба 1:8.

Мощность двигателя (power, watt) — определяет работу, которую двигатель может выполнить в единицу времени. Самая важная характеристика мотора. Зная мощность, можно определить максимальную нагрузку которую может выдержать двигатель по формуле.
Мощность (Ватт) = Напряжение питания (Вольт) * Сила тока (Ампер).
Зная мощность можно подобрать аккумулятор и регулятор по максимальной силе тока, получаемой из формулы.

Обороты, об/В (KV, RPM) — обороты на вольт.
Важный параметр указывает скорость вращения вала двигателя. Обороты в минуту определяются количеством вращений в минуту, проще говоря как быстро вращается мотор. Скорость вращения ротора, измеряется в KV. Так принято обозначать коэффициент отношения частоты вращения оборотов мотора (об/мин) к напряжению питания мотора (В). Грубо говоря kV показывает насколько быстро будут вращаться разные моторы при одинаковом напряжении.

Максимальные обороты = KV * Напряжение питания двигателя.
Например: мотор мощностью 980 KV, на который подаются 11.1V от батарейки будет вращаться при 980 x 11.1 = 10878 оборотах в минуту без нагрузки.
Показания тока могут представлять максимальный непрерывный ток и предельные значения тока, который может подаваться на двигатель. Выбирая аккумулятор и регулятор, выбирайте те, на которых указаны значения максимального непрерывного тока равного и больше, чем значения тока на моторе.
Для разных моделей, разных используемых шестеренок и пропеллеров требуемый kV мотора подбирается и вычисляется индивидуально. По этому параметру можно подобрать применение мотора, аккумулятор и пропеллер. Так моторы с KV больше 2000, как правило, применяют на вертолетах либо на скоростных моделях. Мотор с высоким KV можно использовать с батарей из меньшего количества банок и он более эффективен с пропеллером с меньшим шагом. Моторы этого класса чаще используют на летающих крыльях. Моторы с меньшим KV позволяют ставить аккумуляторы с большим количеством банок, таким образом несколько набирая вес, но увеличивая продолжительность полета — не за счет емкости, а за счет снижения максимальных токов при той же работе выполняемой мотором. Чем выше KV моторов, тем компактнее должны быть винты. Винты небольшого размера обеспечивают более высокую скорость, но снижают эффективность. Конфигурацию с винтами большого размера и, соответственно, моторы с более низким значением KV проще заставить стабильно летать, она расходует меньше энергии, позволяет поднять большую массу.
KV — значимая характеристика для бесколлекторных моторов. У коллекторных моторов обычно на KV не смотрят. Если моделист принял решение заменить коллекторный мотор, то обычно меняет на точно такой же.

Напряжение питания, В (cell count, volts)
Напряжение, к которому приспособлен двигатель. Определяет количество банок аккумулятора, которое можно использовать с мотоустановкой. При превышении резко уменьшается время жизни мотора.
Например, имеются моторы с рабочим напряжением 4,8 вольта, 6 вольт, и 7,2 вольта. Эти цифры указывают, с каким количеством банок в батарее предназначен работать этот двигатель. Напряжение на одной банке NiMH (никель-металгидридном) аккумулятора составляет 1,2 вольта — мотор с рабочим напряжением 4,8 вольт предназначен для работы от 4-х баночного аккумулятора. Эти цифры ориентировочные, моторы способны работать и при повышенных напряжениях.

Напряжение и KV связаны.

Максимальная нагрузка, А (max load, peak current, max amps, surge current)
Сила тока, которую способен без повреждения выдержать двигатель и регулятор. Максимальный ток тем больше,чем больше физические размеры бесколлекторного двигателя.

Рабочая нагрузка, А (current load, continuous current)
Количество ампер длительно и без перегрузки пропускаемое мотором при номинальном напряжении. Позволяет посчитать, сколько времени прослужит аккумулятор с этим мотором.

Максимальная эффективность, % (max efficiency)
КПД — то количество энергии, которое мотор переводит непосредственно в полезную работу. Чем выше — тем лучше.

По конструкции бесколлекторные моторы делятся на две группы: inrunner и outrunner. Эта характеристика говорит о конструктивной особенности мотора.
Двигатели Inrunner имеют расположенные по внутренней поверхности корпуса обмотки, и вращающийся внутри магнитный ротор. Большенству радиоуправляемых моделей — машин и лодок требуются бесколлекторный мотор Inrunner.
Двигатели Outrunner имеют неподвижные обмотки, внутри двигателя, вокруг которых вращается корпус с помещенными на его внутреннюю стенку постоянными магнитами, т. е. в аутраннерах вращается внешняя часть мотора. Аутранеры выбирают для авиамоделей, т. к. они в силу своей конструкции лучше охлаждаются и у них больше вариаций, как их можно прикрепить. Моторы Outrunner имеют меньшие значения в Киловольтах, что означает, что они движутся с меньшей скоростью, но с большим крутящим (вращающим) моментом. Обычно мощность Аутранеров не определяют по внешним габаритам. Аутраннеры благодаря своей конструкции позволяют использовать большее число магнитных полюсов.

Количество полюсов магнитов, используемых в бесколлекторных двигателях, может быть разным.
По количеству полюсов можно судить о крутящем моменте и оборотах и двигателя. Моторы с двухполюсными роторами имеют наибольшую скорость вращения при наименьшем крутящем моменте. Моторы с большим количеством полюсов имеют меньшую скорость вращения, но зато больший крутящий момент.

Также бесколлекторные двигатели бывают сенсорные и бессенсорные.
Сенсорные лучше, так как сенсор обеспечивает более плавную работу двигателя, быстрый и плавный старт, более рациональное использование энергии.

Перейти к моторам для радиоуправляемых моделей машинок, катеров, квадрокоптеров оптовой компании «Прямые дистрибьюции»: Моторы для радиоуправляемых моделей

ПОЛУЧИТЬ ПРЕДЛОЖЕНИЕ ОТ ОПТОВОЙ КОМПАНИИ «ПРЯМЫЕ ДИСТРИБЬЮЦИИ»

В чем разница между коллекторными и бесколлекторными моторами?

Вступление

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

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

Принцип работы коллекторного мотора

Электрический ток (DC или direct current), поступая на обмотки якоря (в зависимости от их количества на каждую по очереди) создает в них электромагнитное поле, которое с одной стороны имеет южный полюс, а с другой стороны северный.

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

Так вот, это электромагнитное поле, которое возникает в любой из обмоток якоря, взаимодействуя с каждым из полюсов магнитов статора, приводит в действие (вращение) сам якорь. Далее ток, через коллектор и щетки переходит к следующей обмотке и так последовательно, переходя от одной обмотки якоря к другой, вал электродвигателя совместно с якорем вращается, но лишь до тех пор, пока к нему подается напряжение.

В стандартном коллекторном моторе якорь имеет три полюса (три обмотки) – это сделано для того чтобы движок не «залипал» в одном положении.

Минусы коллекторных моторов

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

Принцип работы бесколлекторного мотора

Здесь все наоборот, у моторов бесколлекторного типа отсутствуют как щетки так и коллектор. Магниты в них располагаются строго вокруг вала и выполняют функцию ротора. Обмотки, которые имеют уже несколько магнитных полюсов, размещаются вокруг него. На роторе бесколлектоных моторов устанавливается так называемый сенсор (датчик) который будет контролировать его положение и передавать эту информацию процессору который работает в купе с регулятором скорости вращения (обмен данными о положении ротора происходит более 100 раз в секунду). На выходе мы получаем более плавную работу самого мотора с максимальной отдачей.

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

Плюсы бесколлекторных моторов

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

Минусы бесколлекторных моторов

У таких моторов минус только один, это цена. Но если посмотреть на это с другой стороны, и учесть тот факт что эксплуатация бесколлекторных моторов освобождает владельца сразу от таких заморочек как замена пружин, якоря, щеток, коллекторов, то вы с легкостью отдадите предпочтение в пользу последних.

Коллекторный и бесколлекторный двигатели — Green-Battery

В ассортименте продукции Greenworks есть инструменты с коллекторным (щёточным) и бесколлекторным (бесщёточным) двигателями. Но везде делается акцент только на бесколлекторном электродвигателе. Почему только на нём, и для чего тогда устройства с щёточным? Расскажем в данной статье преимущества и недостатки каждого электродвигателя и ответим на эти два вопроса.

Коллекторный двигатель

Начнём с того, что двигатель — это устройство, которое преобразует какой-либо вид энергии в механический и наоборот. Эффективность данного процесса зависит от внутренней конструкции двигателя, которая в свою очередь зависит от источника тока (постоянного или переменного).

Устройство коллекторного двигателя

Якорь. Стержнем всей конструкции является якорь, он же металлический вал. Вал является движущимся элементом, от которого зависит крутящий момент. На нём также располагается ротор.

Ротор. Связан с ведущим валом. Его внешняя конструкция напоминает барабан, который вращается внутри статора. Задача ротора получать или отдавать напряжение рабочему телу.

Подшипники. Они расположены на противоположных концах якоря для его сбалансированного вращения.

Щётки. Выполнены обычно из графита. Их задача предавать напряжение через коллектор в обмотки.

Коллектор (коммутатор). Он выполнен в виде соединенных между собой медных контактов. Во время процесса вращения он принимает на себя энергию с щёток и направляет её в обмотки.

Обмотки. Расположены на роторе и статоре разных полярностей. Их функция в генерировании собственного магнитного поля под воздействием разных полярностей, за счёт чего якорь приходит в действие.

Сердечник статора. Выполнен из металлических пластин. Может иметь катушку возбуждения с полярным напряжением обмотки ротора. Или — постоянные магниты. Данная конструкция зависит от источника напряжения. Является статичным элементом всего механизма.

Плюсы:

• Стоимость меньше, чем у бесколлекторных двигателей (БД).
• Конструкция относительно проще конструкции БД.
• В виду этого, техническое обслуживание проще.

Минусы:

На высоких оборотах увеличивается трение щёток. Отсюда вытекает:

• Быстрый износ щёток.
• Снижение мощности инструмента.
• Появление искр.
• Задымление инструмента.
• Выход из строя инструмента раньше его «жизненного цикла».

Если рассматривать бытовую сферу применения, то коллекторный двигатель является традиционным и бюджетным вариантом эксплуатации (и самым часто используемым).
Инструменты на данном типе двигателя преданно и верно справятся с любой повседневной задачей в пределах своих возможностей. Так как такие инструменты по стоимости значительно дешевле инструментов на бесколлекторном двигателе, их рассматривает категория потребителей, которая придерживается мнения: «ничто не вечно». Зачем переплачивать, если любой агрегат может выйти из строя? Мы же считаем, что при надлежащих условиях эксплуатации любой инструмент может прослужить верой и правдой довольно долгий срок. Но выбор за Вами.

Бесколлекторный двигатель

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

Основные типы бесщёточного двигателя :

• Асинхронный — это двигатель, который преобразовывает электроэнергию переменного тока в механическую. Название происходит от разной скорости вращения магнитного поля и ротора. Частота вращения ротора меньше, чем у магнитного поля, создаваемого обмотками статора (Например, двигатель DigiPro, который используется в продукции Greenworks).
• Синхронный — это двигатель переменного тока, у которого частота вращений ротора равна частоте вращений магнитного поля.

Тип двигателя с внешним ротором

Расположение ротора и статора в бесщёточном двигателе DigiPro

Плюсы:

• Из-за отсутствия щёток меньше трения.
• Меньше подвержены износу.
• Отсутствие искр и возможного возгорания.
• Упрощенная регулировка крутящего момента в больших пределах.
• Экономия расходуемой энергии.
• У инструментов с реверсом одинаковая мощность в обоих направлениях вращения.
• Быстрый запуск с больших скоростей.
• Могут разгоняться до предельных показателей.
• Некоторые модели при сильной нагрузке оснащены системой защиты двигателя.

Минусы:

• Значительно дороже в цене, чем коллекторные двигатели.
• Техническое обслуживание более узкоспециализированное.

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

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

Всегда интересные новости и статьи от команды сайта Green-Battery.ru
Копирование текстов возможно только со ссылкой на первоисточник.

Чем отличается коллекторный двигатель от бесколлекторного?

Содержание:

 

Основное отличие коллекторного двигателя (то есть двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов) от бесколлекторного заключается в его конструкции.

 

У коллекторного — обмотка расположена на роторе, а на статоре установлены постоянные магниты.

 

 

У бесколлекторного — отсутствует коллектор, а трёхфазная обмотка расположена на статоре.

 

В практическом применении, однако большее значение имеют различия в параметрах и свойствах между этими типами двигателей, которые влечёт за собой такая разница конструкций.

Особенности конструкции

Наличие трёхфазной обмотки у бесколлекторного двигателя означает что для управления им обязательно требуется электроника — контроллер, независимо от сложности решаемых задач. С его помощью можно формировать трёхфазную систему напряжений, необходимую для работы и делать это так чтобы двигатель вращался необходимым образом. Без контроллера реализовать управление современными бесколлекторным микродвигателем практически невозможно.

Для коллекторного ситуация иная – он может работать от обычного источника постоянного напряжения, без использования управляющей электроники. Хотя такой подход позволяет решать лишь самые простые задачи управления движением, он тоже возможен.

Обязательное использование контроллера для управления бесколлекторным мотором не всегда является однозначным их недостатком по сравнению с коллекторными, ведь контроллеры предоставляют ряд сервисных функций, как например измерение и ограничение тока или возможность устанавливать заданное значение скорости или положения в удобном виде. Если же речь идёт о задачах, связанных с точным регулированием скорости, или о задачах, связанных с позиционированием, то контроллер нужно будет использовать и для коллекторного, и для бесколлекторного мотора.

Принцип работы бесколлекторного двигателя. Преимущества и недостатки

Для нормальной работы в большинстве случаев требуется датчик положения ротора. Управление бесколлекторным мотором без использования датчика положения ротора существует и применяется, но имеет ряд особенностей, которые не позволяют использовать его для решения многих задач. Самым распространённым типом датчиков положения ротора являются датчики Холла.

Чаще всего они устанавливаются при изготовлении двигателя и входят в его стоимость. Они позволяют производить коммутацию обмоток бесколлекторного мотора и могут быть использованы как датчик скорости для управления с обратной связью по скорости. Датчики Холла дают возможность управлять бесколлекторным двигателем только при помощи блочной коммутации, которая приводит к заметным пульсациям момента, приводящим к увеличению акустического шума и неравномерному вращению на низкой скорости. Синусоидальная коммутация, лишённая таких недостатков, требует более точной информации о положении чем могут обеспечить датчики Холла и соответственно установки дополнительного датчика положения.

Принцип работы коллекторного двигателя. Преимущества и недостатки

Как было сказано чуть выше, датчики Холла могут использоваться как источник информации о скорости. Коллекторные моторы по умолчанию не оснащаются подобными датчиками и для задач измерения и регулирования скорости обязательно нужно дополнительно устанавливать датчик скорости. Но это не значит, что в любых задачах, связанных с поддержанием скорости, коллекторный двигатель имеет однозначное преимущество за счёт встроенного датчика. Дело в том, что датчики Холла имеют очень низкое разрешение – 12 импульсов на оборот на пару полюсов двигателя. Этого недостаточно чтобы давать стабильный сигнал обратной связи по скорости на низкой скорости вращения. Даже для многополюсных бесколлекторных двигателей работа только с датчиками Холла в качестве датчика обратной связи в контуре скорости обычно не позволяет достигать скорости ниже нескольких сотен оборотов в минуту на валу двигателя. Поэтому, когда речь идёт о задачах регулирования скорости с требованием работы в широком диапазоне скоростей, или о задачах позиционирования – оба типа двигателя требуют установки дополнительного датчика положения или скорости.

При работе коллекторного двигателя за счёт коммутации тока щётками и коллектором возникает достаточно сильные электромагнитные помехи. Для двигателей с графитовыми щётками они сильнее, для двигателей со щётками из благородных металлов они слабее. Для борьбы с ними необходимо устанавливать помехоподавляющие элементы на мотор, что требует дополнительного места и не всегда возможно по условиям эксплуатации.  Бесколлекторный мотор не создаёт таких помех.

В чем еще отличие

Если попытаться сравнить параметры двигателей, то прежде всего нужно сказать о скорости вращения. Номинальная скорость коллекторного как правило не превышает 10-20 тысяч оборотов в минуту для двигателей самых маленьких из доступных размеров и не более 3- 5 тысяч оборотов в минуту для более крупных. Скорости, на которые рассчитаны бесколлекторные двигатели лежат в более широком диапазоне – выпускаются как сверхскоростные модели на скорости выше 100 тысяч оборотов в минуту, так и тихоходные многополюсные двигатели с номинальными скоростями не более 1-2 тысячи оборотов в минуту. Для коллекторных моторов ограничителем скорости выступает коллектор – линейная скорость перемещения щёток по коллектору ограничена.

Сравнивая номинальный момент, можно сказать, что он сильнее зависит от особенностей конструкции и компоновки двигателя, различающихся от серии к серии чем от того коллекторный это двигатель или бесколлекторный. Так, например распространены бесколлекторные двигатели большого диаметра и с очень короткой осевой длиной, рассчитанные на низкие скорости вращения и большой момент. И их различия по основным параметрам с бесколлекторными же двигателями цилиндрической компоновки (большая длина и маленький диаметр) не менее сильны чем между коллекторными и бесколлекторными двигателями одинаковой компоновки (например, цилиндрической).

Оба типа двигателей имеют свои характерные особенности, которые могут являться как преимуществами, так и недостатками в зависимости от требований того или иного приложения

Бесколлекторный двигатель постоянного тока: принцип работы, устройство, применение

Бытовая и медицинская техника, авиамоделирование, трубозапорные приводы газо- и нефтепроводов – это далеко не полный перечень областей применения бесколлекторных двигателей (БД) постоянного тока. Давайте рассмотрим устройство и принцип действия этих электромеханических приводов, чтобы лучше понять их достоинства и недостатки.

Общие сведения, устройство, сфера применения

Одна из причин проявления интереса к БД — это возросшая потребность в высокооборотных микродвигателях, обладающих точным позиционированием. Внутренне устройство таких приводов продемонстрировано на рисунке 2.

Рис. 2. Устройство бесколлекторного двигателя

Как видите, конструкция представляет собой ротор (якорь) и статор, на первом имеется постоянный магнит (или несколько магнитов, расположенных в определенном порядке), а второй оборудован катушками (В) для создания магнитного поля.

Примечательно, что эти электромагнитные механизмы могут быть как с внутренним якорем (именно такой тип конструкции можно увидеть на рисунке 2), так и внешним (см. рис. 3).

Рис. 3. Конструкция с внешним якорем (outrunner)

Соответственно, каждая из конструкций имеет определенную сферу применения. Устройства с внутренним якорем обладают высокой скоростью вращения, поэтому используются в системах охлаждения, в качестве силовых установок дронов и т.д. Приводы с внешним ротором используются там, где требуется точное позиционирование и устойчивость к перегрузкам по моменту (робототехника, медицинское оборудование, станки ЧПУ и т.д.).

Бесколлекторный двигатель в компьютерном дисководе

Принцип работы

В отличие от других приводов, например, асинхронной машины переменного тока, для работы БД необходим специальный контроллер, который включает обмотки таким образом, чтобы векторы магнитных полей якоря и статора были ортогональны друг к другу. То есть, по сути, устройство-драйвер регулирует вращающий момент, действующий на якорь БД. Наглядно этот процесс продемонстрирован на рисунке 4.

Фазы работы бесколлекторного привода

Как видим, для каждого перемещения якоря необходимо выполнять определенную коммутацию в обмотке статора двигателя бесколлекторного типа. Такой принцип работы не позволяет плавно управлять вращением, но дает возможность быстро набрать обороты.

Отличия коллекторного и бесколлекторного двигателя

Привод коллекторного типа отличается от БД как конструктивными особенностями (см. рис 5.), так и принципом работы.

Рис. 5. А – коллекторный двигатель, В – бесколлекторный

Рассмотрим конструктивные отличия. Из рисунка 5 видно, что ротор (1 на рис. 5) двигателя коллекторного типа, в отличие от бесколлекторного, имеет катушки, у которых простая схема намотки, а постоянные магниты (как правило, два) установлены на статоре (2 на рис. 5). Помимо этого на валу установлен коллектор, к которому подключаются щетки, подающие напряжение на обмотки якоря.

Кратко расскажем о принципе работы коллекторных машин. Когда на одну из катушек подается напряжение, происходит ее возбуждение, и образуется магнитное поле. Оно вступает во взаимодействие с постоянными магнитами, это заставляет проворачиваться якорь и размещенный на нем коллектор. В результате питание подается на другую обмотку и цикл повторяется.

Частота вращения якоря такой конструкции напрямую зависит от интенсивности магнитного поля, которое, в свою очередь, прямо пропорционально напряжению. То есть, чтобы увеличить или уменьшить обороты, достаточно повысить или снизить уровень питания. А для реверса необходимо переключить полярность. Такой способ управления не требует специального контролера, поскольку регулятор хода можно сделать на базе переменного резистора, а обычный переключатель будет работать как инвертор.

Конструктивные особенности двигателей бесколлекторного типа мы рассматривали в предыдущем разделе. Как вы помните, их подключение требует наличия специального контролера, без которого они просто не будут работать. По этой же причине эти двигатели не могут использоваться как генератор.

Стоит также отметить, что в некоторых приводах данного типа для более эффективного управления отслеживаются положения ротора при помощи датчиков Холла. Это существенно улучшает характеристики бесколлекторных двигателей, но приводит к удорожанию и так недешевой конструкции.

Как запустить бесколлекторный двигатель?

Чтобы заставить работать приводы данного типа, потребуется специальный контроллер (см. рис. 6). Без него запуск невозможен.

Рис. 6. Контроллеры бесколлекторных двигателей для моделизма

Собирать самому такое устройство нет смысла, дешевле и надежней будет приобрести готовый. Подобрать его можно по следующим характеристикам, свойственным драйверам шим каналов:

• Максимально допустимая сила тока, эта характеристика приводится для штатного режима работы устройства. Довольно часто производители указывают такой параметр в названии модели (например, Phoenix-18). В некоторых случаях приводится значение для пикового режима, который контролер может поддерживать несколько секунд.
• Максимальная величина штатного напряжения для продолжительной работы.
• Сопротивление внутренних цепей контроллера.
• Допустимое число оборотов, указывается в rpm. Сверх этого значения контроллер не позволит увеличить вращение (ограничение реализовано на программном уровне). Следует обратить внимание, что частота вращения всегда приводится для двухполюсных приводов. Если пар полюсов больше, следует разделить значение на их количество. Например, указано число 60000 rpm, следовательно, для 6-и магнитного двигателя частота вращения составит 60000/3=20000 prm.
• Частота генерируемых импульсов, у большинства контролеров этот параметр лежит в пределах от 7 до 8 кГц, более дорогие модели позволяют перепрограммировать параметр, увеличив его до 16 или 32 кГц.

Обратим внимание, что первые три характеристики определяют мощность БД.

Управление бесколлекторным двигателем

Как уже указывалось выше, управление коммутацией обмоток привода осуществляется электроникой. Чтобы определить, когда производить переключения, драйвер отслеживает положение якоря при помощи датчиков Холла. Если привод не снабжен такими детекторами, то в расчет берется обратная ЭДС, которая возникает в неподключенных катушках статора. Контроллер, который, по сути, является аппаратно-программным комплексом, отслеживает эти изменения и задает порядок коммутации.

Трёхфазный бесколлекторный электродвигатель постоянного тока

Большинство БД выполняются в трехфазном исполнении. Для управления таким приводом в контролере имеется преобразователь постоянного напряжения в трехфазное импульсное (см. рис.7).

Рисунок 7. Диаграммы напряжений БД

Чтобы объяснить, как работает такой вентильный двигатель, следует вместе с рисунком 7 рассматривать рисунок 4, где поочередно изображены все этапы работы привода. Распишем их:

1. На катушки «А» подается положительный импульс, в то время как на «В» — отрицательный, в результате якорь сдвинется. Датчиками зафиксируется его движение и подастся сигнал для следующей коммутации.
2. Катушки «А» отключается, и положительный импульс идет на «С» («В» остается без изменения), далее подается сигнал на следующий набор импульсов.
3. На «С» — положительный, «А» — отрицательный.
4. Работает пара «В» и «А», на которые поступают положительный и отрицательный импульсы.
5. Положительный импульс повторно подается на «В», и отрицательный на «С».
6. Включаются катушки «А» (подается +) и повторяется отрицательный импульс на «С». Далее цикл повторяется.

В кажущейся простоте управления есть масса сложностей. Нужно не только отслеживать положение якоря, чтобы произвести следующую серию импульсов, а и управлять частотой вращения, регулируя ток в катушках. Помимо этого следует выбрать наиболее оптимальные параметры для разгона и торможения. Стоит также не забывать, что контроллер должен быть оснащен блоком, позволяющим управлять его работой. Внешний вид такого многофункционального устройства можно увидеть на рисунке 8.

Рис. 8. Многофункциональный контроллер управления бесколлекторным двигателем

Преимущества и недостатки

Электрический бесколлекторный двигатель имеет много достоинств, а именно:

• Срок службы значительно дольше, чем у обычных коллекторных аналогов.
• Высокий КПД.
• Быстрый набор максимальной скорости вращения.
• Он более мощный, чем КД.
• Отсутствие искр при работе позволяет использовать привод в пожароопасных условиях.
• Не требуется дополнительное охлаждение.
• Простая эксплуатация.

Теперь рассмотрим минусы. Существенный недостаток, который ограничивает использование БД – их относительно высокая стоимость (с учетом цены драйвера). К числу неудобств следует отнести невозможность использования БД без драйвера, даже для краткосрочного включения, например, чтобы проверить работоспособность. Проблемный ремонт, особенно если требуется перемотка.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока: особенности и принцип работы

Как работает бесколлекторный двигатель?

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.

чем отличаются бесщеточные двигатели от щеточных в профессиональном инструменте?

Профессиональные инструменты Kress производят в соответствии с современными тенденциями, поэтому на нашем сайте тоже можно найти специальную характеристику двигателя – щёточный коллекторный или бесщеточный бесколлекторный. У них почти одинаковый набор деталей, но если углубиться, то разница окажется очевидной. Так в чём отличие щеточного двигателя от бесщеточного в профессиональном инструмента Kress и влияет ли оно на инструменты? Давайте разберемся.

Принцип работы устройств KRESS с щеточным двигателем

Основой механизма служит якорь, и представляет он из себя металлический вал. Как движущийся элемент вал обеспечивает наличие крутящего момента. В щеточном коллекторном двигателе на якорь прикреплен ротор – вращающийся барабан, которой потребляет основной ток и вырабатывает электродвижущую силу. В действие ротор (и якорь) приводит обмотка – медная проволока, накрученная с разных сторон ротора. Ток проходит по проволоке и создаёт магнитное поле, за счет которого происходит вращение элемента.

С противоположных концов якоря расположены подшипники. Они обеспечивают сбалансированное вращение. Между ними с одной из сторон обмотки находится коллектор – соединенные между собой медные контакты, которые окружают графитные щетки. Из-за щеток коллекторному инструменту часто приписывают два минуса – износ при трении и искрение при запуске все из-за того же трения. Но в профессиональном инструменте Kress, в отличие от бытовых аналогов, щетки они износостойкие, а возможность искрения сходит на нет благодаря плавным пусковым механизмам. Задача щеток заключается в передаче напряжения через коллектор в обмотки. Все детали закреплены в сердечник статора – статичный элемент всего механизма. Все вышеописанные детали щеточного коллекторного двигателя находятся внутри состоящего из металлических пластин статора.

За счет отсутствия дорогих материалов и простой конструкции щеточного двигателя такие инструменты Kress стоят дешевле бесщеточных, а их техническое обслуживание не требует больших затрат. К тому же при должном уходе и соблюдении условий эксплуатации каждый инструмент прослужит долгое время.

Принцип работы устройств с бесщеточным двигателем KRESS BRUSHLESS MOTOR

Ротор бесщеточного бесколлекторного двигателя оснащен постоянным магнитом. По-прежнему статичный статор же здесь расположен внутри ротора. Медные обмотки теперь находятся на статоре. При подаче постоянного тока на обмотку она запитывается и становится электромагнитом. Работа бесщеточного бесколлекторного двигателя KRESS BRUSHLESS MOTOR основана на взаимодействие магнитных полей постоянным магнитом (на роторе) и электромагнитом (обмотки на статоре). Когда катушки находятся под напряжением противоположные полюса ротора и статора к друг-другу, заставляя первый вращаться. Как и на какую катушку подавать напряжение определяет электронный контроллер. Он оснащен датчиком Холла, который измеряет величину магнитного поля. Нужен он для того, чтобы увеличить итоговую выходную мощность.

Таким образом отсутствие щеток в двигателе KRESS BRUSHLESS MOTOR снимает вопрос о возможности искрения или загрязнения мотора. .
Профессиональные инструменты Kress с щеточными коллекторными двигателями отлично справляются со своими задачами и подойдут любителям проверенных временем технологий.
Инструменты, оснащённые технологией KRESS BRUSHLESS MOTOR, помогут выйти на новый уровень комфорта при работе и приятно удивят пользователей своей мощностью.

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 тянутся и отталкиваются от постоянных магнитов снаружи двигателя. Затем коммутатор меняет полярность электромагнита якоря, когда его полюса пересекают полюса постоянных магнитов.

В бесщеточном двигателе, напротив, в качестве внешнего ротора используется постоянный магнит.Кроме того, в нем используются три фазы приводных 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.

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 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 притягиваются к постоянным магнитам с внешней стороны 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 мотор?

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) неподвижные магниты в статоре.Чтобы ротор продолжал вращаться, магнитное поле необходимо реверсировать каждые оборотов ротора на 180 градусов и оборотов (в простом щеточном двигателе с одним якорем).

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

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

Щетки также будут подпружинены, 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, то есть ток меняется каждые на 180 градусов и .

Более сложные двигатели будут иметь ряд якорей с разрывами между ними на коммутаторе. 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 избавляют 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 предполагалось ранее, работает аналогичным образом, за исключением того, какие части зафиксированы, а какие вращаются.

Электрический ток вообще не подается на ротор, а 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 отключается или изменяет полярность электромагнитов, чтобы поддерживать рассогласование полей.

Это достигается за счет использования датчиков, способных определять угол поворота ротора (в частности, постоянных магнитов) в любой момент времени. Полупроводниковые переключатели, такие как 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 непрерывно, 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 благодаря 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 предпочтительными двигателями для многих разрабатываемых сегодня электронных устройств.

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, они обладают некоторыми другими преимуществами перед другим.

Сюда входят, 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 управления скоростью. 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 для бесщеточных двигателей крутящий момент имеет тенденцию быть выше на более низких скоростях.
• Щеточные двигатели 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 превосходны. 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?

В чем разница между щеточными и бесщеточными двигателями постоянного тока?

Parvalux производит электродвигатели более 70 лет, и в этом коротком блоге мы хотим объяснить существенные различия между щеточными и бесщеточными электродвигателями постоянного тока.

Что такое щеточный электродвигатель постоянного тока?

Щеточный двигатель постоянного тока имеет постоянные магниты внутри своего внешнего корпуса с вращающимся якорем внутри.Постоянные магниты неподвижны и называются «статором». Вращающийся якорь содержит электромагнит и называется «ротором».

В щеточном двигателе постоянного тока ротор вращается на 180 градусов, когда на якорь подается электрический ток. Чтобы выйти за пределы начальных 180 градусов, полюса электромагнита должны перевернуться. Угольные щетки контактируют со статором во время вращения ротора, изменяя магнитное поле и позволяя ротору вращаться на 360 градусов.

Преимущества

• Высокий пусковой крутящий момент: Для приложений, требующих очень быстрого набора скорости, щеточный электродвигатель с высоким крутящим моментом — выбор для вас.Например, в таких приложениях, как автоприцепы, необходим высокий пусковой крутящий момент.
• Низкая стоимость: Щеточные двигатели постоянного тока относительно недороги в производстве и покупке по сравнению с бесщеточными двигателями постоянного тока.
• Подходит для промышленных сред: Из-за высокого пускового момента щеточные двигатели также являются популярным выбором в промышленных условиях.

Недостатки

• Риск повышенного обслуживания: Из-за трения угольных щеток двигателя они естественным образом изнашиваются с течением времени.В результате щеточные электродвигатели с большей вероятностью потребуют какого-либо обслуживания в виде очистки или замены щеток.
• Низкая скорость: Несмотря на высокий пусковой крутящий момент, щеточные двигатели не так способны поддерживать высокие скорости. Это связано с тем, что работа щеточного двигателя на постоянной высокой скорости может привести к его нагреванию.

Что такое бесщеточный двигатель постоянного тока?

Подобно щеточному двигателю, бесщеточный двигатель работает, меняя полярность обмоток внутри двигателя.По сути, это электродвигатель с вывернутой щеткой, который устраняет необходимость в щетках. В бесщеточном двигателе постоянного тока постоянные магниты прикреплены к ротору, а электромагниты — на статоре. Электронный регулятор скорости (ESC) регулирует или «коммутирует» заряд на электромагниты в статоре, чтобы ротор мог перемещаться на 360 градусов.

Преимущества

• Длительный срок службы: Бесщеточные двигатели постоянного тока не имеют щеток, что означает, что они требуют меньшего обслуживания, чем их щеточные аналоги.
• КПД: Отсутствие щеток означает, что скорость не теряется, что делает бесщеточные двигатели постоянного тока немного более эффективными, обычно на 85-90% по сравнению с их щеточными аналогами при типичном КПД 75-80%.
• Тихая работа: Бесщеточные двигатели из-за отсутствия щеток работают очень тихо и имеют особенно плавную работу. Это особенно полезно для приложений, требующих таких свойств, например, для подъемников для пациентов.

Недостатки

• Требуется контроллер: Бесщеточные двигатели постоянного тока необходимо подключить к электронному регулятору скорости (ESC), чтобы ток протекал к электромагнитам.
• Стоимость: Из-за необходимости в контроллере бесщеточные двигатели постоянного тока могут быть дороже.

Для получения дополнительной информации о том, какой электродвигатель постоянного тока лучше всего подходит для вашего применения, свяжитесь с нашей командой. Просто позвоните по телефону +1 508 677 0520 и поговорите с одним из наших экспертов — мы с нетерпением ждем вашего ответа!

Матовые и бесщеточные двигатели: в чем разница?

Вот уже несколько лет мы наблюдаем, как бесщеточные двигатели начинают доминировать в индустрии профессиональных инструментов в аккумуляторных инструментах.Это здорово, но что в этом такого? Разве это имеет значение, пока я могу заворачивать этот шуруп по дереву? Ну да, это так. Существенные различия и последствия существуют при работе с щеточными и бесщеточными двигателями.

Начните здесь: как работает щеточный двигатель постоянного тока

Прежде чем мы углубимся в сравнение щеточных и бесколлекторных двигателей на обеих ногах, давайте рассмотрим основы того, как на самом деле работает двигатель постоянного тока. Когда дело доходит до управления двигателем, все дело в магнитах. Противоположно заряженные магниты притягиваются друг к другу.Основная идея двигателя постоянного тока состоит в том, чтобы удерживать противоположный заряд вращающегося элемента (ротора), притягивая неподвижные магниты (статор) перед ним, чтобы обеспечить постоянное тяговое усилие вперед. Это все равно что держать перед собой бостонский кремовый пончик на палочке, пока я бегу — я буду продолжать пытаться его поймать!

Вопрос в том, как заставить этот пончик двигаться. Нет простого способа сделать это. Он начинается с набора магнитов, которые удерживают постоянный заряд (постоянные магниты). У набора электромагнитов изменяется заряд (изменение полярности) во время вращения, поэтому всегда есть противоположно заряженный постоянный магнит, к которому он может двигаться.Кроме того, подобный заряд, который испытывает электромагнитная катушка при изменении, отталкивает катушку. Когда мы смотрим на щеточные и бесколлекторные двигатели, разница заключается в том, как электромагнит меняет полярность.

Взгляд изнутри щеточный двигатель

В щеточном двигателе есть четыре основных части: постоянные магниты, якорь, коллекторные кольца и щетки. Постоянные магниты составляют внешнюю часть механизма и не двигаются (статор). Один заряжен положительно, а другой отрицательно создает постоянное магнитное поле.

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

Кольца коммутатора крепятся к катушке якоря двумя (2-полюсная конфигурация), четырьмя (4-полюсная конфигурация) или более частями. Они вращаются с арматурой. Наконец, угольные щетки остаются на месте и доставляют электрический заряд к каждой части коммутатора.

Все дело в якоре

После включения якоря заряженная катушка тянется к противоположно заряженному постоянному магниту. Поскольку кольцо коммутатора над ним также вращается, оно перемещается от соединения с одной угольной щеткой к другой. Когда он достигает следующей щетки, он меняет полярность и теперь притягивается к другому постоянному магниту, отталкиваясь таким же зарядом. Ощутимо, когда коммутатор достигает отрицательной щетки, он теперь притягивается к положительному постоянному магниту.Коммутатор прибывает как раз вовремя, чтобы соединиться с положительной щеткой, и следует за отрицательным постоянным магнитом. Щетки расположены парами, поэтому положительная катушка будет тянуться к отрицательному магниту, а отрицательная катушка будет тянуться к положительному магниту одновременно.

Я как катушка якоря гоняюсь за бостонским кремовым пончиком. Я подхожу близко, но затем передумал и выбрал более здоровый смузи (моя полярность или желание изменились). В конце концов, пончик полон калорий и жира.Теперь я гоняюсь за смузи, пока меня отталкивают от бостонского крема. Добравшись до места, я понимаю, насколько вкуснее будет этот пончик над смузи. Пока курок нажат, я передумываю каждый раз, когда перехожу к следующей кисти, отчаянно гоняясь за объектом моей привязанности по кругу. Это высшее проявление СДВГ, которое можно найти с пользой. Кроме того, нас там двое, поэтому один из нас всегда страстно, но нерешительно гнался за бостонскими кремовыми пончиками и смузи.

Внутри бесщеточного двигателя

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

В дополнение к электронному перемещению заряда, контроллер также может обеспечивать такой же заряд, чтобы противостоять постоянному магниту.Поскольку одинаковые заряды противостоят друг другу, это толкает постоянный магнит. Теперь ротор движется за счет тяги и толчка.

В этом случае постоянные магниты движутся, так что теперь они мой партнер по бегу и я. Мы больше не меняем своих мыслей о том, чего хотим. Вместо этого мы знаем, что я хочу пончик с кремом Бостон, а мой партнер хочет смузи.

Электронный контроллер заставляет нас двигаться вперед, и мы всегда преследуем одно и то же.Контроллер также помещает то, что нам не нужно, прямо позади, чтобы предложить толчок.

Стоимость щеточных электродвигателей постоянного тока по сравнению с бесщеточными

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

Эффективность щеточных и бесщеточных двигателей

Бесщеточные двигатели имеют несколько преимуществ по сравнению с щеточными двигателями благодаря своей конструкции.Во многом это связано с потерей щеток и коммутатора. Поскольку щетка должна контактировать с коммутатором для доставки заряда, это также вызывает трение. Трение снижает скорость, которая может быть достигнута вместе с нагревом. Это как ехать на велосипеде с слегка затянутым тормозом. При таком же усилии ног вы будете медленнее. И наоборот, если вы хотите поддерживать скорость, это потребует больше энергии от ваших ног. Вы также нагреете свои диски от тепла трения.Это означает, что по сравнению с щеточными двигателями бесщеточные двигатели работают холоднее. Это дает им большую эффективность, поэтому они преобразуют больше электроэнергии в мощность.

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

В то время как для бесщеточных двигателей требуется электронный контроллер, комбинация ротор / статор более компактна. Это дает возможность получить меньший вес и более компактный размер.Вот почему мы видим так много инструментов, как ударный шуруповерт Makita XDT16, которые имеют сверхкомпактную конструкцию и большой мощности.

Крутящий момент между щеточными и бесщеточными двигателями

Кажется, существует неправильное представление о бесщеточных двигателях и крутящем моменте. Сама по себе конструкция двигателя с щеткой или бесщеточным двигателем на самом деле не показывает величину крутящего момента. Например, первая ударная дрель Milwaukee M18 FUEL имела меньший реальный крутящий момент, чем предшествующая ей щеточная модель.

Однако со временем производители поняли очень важную вещь.Электроника, используемая в бесщеточных двигателях, может при необходимости обеспечивать эти двигатели большей мощностью.

Поскольку в бесщеточных двигателях теперь используется усовершенствованное электронное управление, они могут определять, когда они начинают замедляться под нагрузкой. Пока аккумулятор и двигатель находятся в пределах температурных характеристик, электроника бесщеточного двигателя может запрашивать и получать больший ток от аккумуляторной батареи. Это позволяет таким инструментам, как бесщеточные дрели и пилы, поддерживать большую скорость под нагрузкой. Это делает их быстрее. Часто намного быстрее .Некоторые примеры этого включают Milwaukee RedLink Plus, Makita LXT Advantage и DeWalt Perform and Protect.

Эти технологии плавно объединяют двигатель инструмента, аккумулятор и электронику в единую систему для достижения максимальной производительности и продолжительности работы.

Более глубокое погружение в технологию двигателей BLDC

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

Для управления крутящим моментом вы можете снизить напряжение статора, когда крутящая нагрузка двигателя превышает определенные уровни. Конечно, здесь возникает основная потребность: мониторинг двигателя и датчики.

Датчики на эффекте Холла обеспечивают недорогой способ определения положения ротора. Они также могут определять скорость по времени и частоте переключения датчиков.

Примечание редактора: Ознакомьтесь с нашей статьей «Что такое бесщеточный двигатель без датчика», чтобы узнать, как передовые технологии двигателей с постоянным током постоянного тока меняют электроинструменты.

Окончательный вердикт

Комбинация этих преимуществ дает еще один эффект — более длительный срок службы. Хотя гарантия, как правило, одинакова для щеточных и бесщеточных двигателей (и инструментов) внутри бренда, вы можете рассчитывать на более длительный срок службы бесщеточных моделей. Это часто может длиться годами после истечения срока гарантии.

Помните, что я сказал об электронном контроллере, который, по сути, составляет компьютер в вашем инструменте? Бесщеточный двигатель также стал прорывом в производстве интеллектуальных инструментов.Технология Milwaukee One-Key не сработала бы, если бы бесщеточный двигатель не зависел от электронных коммуникаций.

В чем разница между бесщеточным и щеточным двигателями?

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

В то время как щеточные двигатели были доступны уже более 100 лет, бесщеточные двигатели появились в 1960-х годах, когда твердотельная электроника сделала их конструкцию возможной.Только в 1980-х годах бесщеточные двигатели стали более обычным явлением в инструментах и ​​электронике. Сегодня оба дизайна используются во всем мире для бесконечных приложений.

Механический и электронный привод

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

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

• Меньшая эффективность
• Более горячее
• Меньший срок службы
• Требуется дополнительное обслуживание

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

У бесщеточной конструкции есть несколько недостатков:

• Требуется электронный контроллер
• Дороже
• Более сложный

Что лучше: матовый или бесщеточный?

Обе конструкции имеют свои преимущества, и ни одна из них не обязательно лучше.Когда дело доходит до этого, стоимость, вероятно, является самым большим фактором. Щеточные двигатели выпускаются серийно и менее дорогие. Преимущества щеточных двигателей помимо цены:

• Простота эксплуатации
• Надежный
• Доступны разные размеры и размеры
• Простое управление
• Хорошо при более низких рабочих циклах

Если ваше приложение требует более высокого уровня контроля и утилитарности перевешивают затраты, то лучшим вариантом может быть бесщеточный двигатель. Преимущества бесщеточного:

• Точная регулировка скорости
• Лучше подходит для непрерывных или длительных рабочих циклов
• Более длительный срок службы
• Без обслуживания
• Высокая эффективность

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

Варианты с щеточным или бесщеточным покрытием для вашего приложения

Вопросы? Мы знаем электродвигатели. Свяжитесь с одним из наших опытных торговых представителей, чтобы узнать больше. Позвольте нам подобрать вам электродвигатель, который лучше всего подойдет для вашей области применения и вашего бюджета. Мы поставляем индивидуальные двигатели вовремя уже более тридцати лет. Позвоните по телефону 763-383-6936 или свяжитесь с нами сегодня.

Различия между щеточными и бесщеточными двигателями постоянного тока

Я никогда не забуду свой первый инженерный проект, связанный с двигателями.Еще в начальной школе я построил небольшой лифт для класса естественных наук. 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 узнал о соотношении 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.Поскольку 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 — щеточные и бесщеточные.Оба они являются двигателями постоянного тока с постоянными магнитами, поскольку оба используют сегментированный ротор с постоянными магнитами. Эти двигатели обычно используются для управления скоростью.

Драйвер или нет драйвера?

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. Как только ротор вращается к следующему набору 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 делаем. 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 помощью транзисторов. Мы показываем 12-ступенчатую последовательность возбуждения транзистора с обмотками U, V и W.После 12 шагов цикл повторяется.

Большинство наших бесщеточных двигателей теперь 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

Как щеточные, так и бесщеточные двигатели обладают одинаковой производительностью. 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. В то время как бесщеточные двигатели лучше, щеточный двигатель выполнил свою работу для моего простого одноразового проекта. К тому же мне действительно нужно было снизить расходы.

Вот краткое изложение 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 нужно будет периодически заменять. Это может повлечь за собой нежелательные изменения в конструкции, так как двигатели должны быть доступны для обслуживания. Единственные компоненты, которые контактируют внутри бесщеточного двигателя, — это 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 до +/- 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.

Узнайте больше о преимуществах бесщеточных двигателей в следующем 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

Двигатель 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, имеющую рейтинг 4.7 из 5 звезд и почти 300 отзывов 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 рудиментарными, за десятилетия они претерпели ряд улучшений, одним из которых был реостат для точного управления скоростью вращения. вала.

Путь к известности бесщеточного двигателя начался 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, описывающую бесщеточный двигатель, работающий 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 для сверл 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.Большинство бесщеточных машин имеют 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 изготовлены из графита и бывают разных типов. Они могут быть оснащены пружиной, коннектором (провод со штекером) 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, которая снабжена пластиной для обеспечения плавной передачи мощности. 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 повышается, 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 пазов имеет меньшую индуктивность. Следовательно, он может работать быстрее и вызывать меньше пульсаций 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 бездатчиковое 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.

Бесщеточная технология имеет множество преимуществ. 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, а также 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 на бесщеточном двигателе.

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.