Двигатель постоянного тока без щеток. Как это работает?
Для того, чтобы работа приборов была более надежной, более эффективной и менее шумной, в последнее время наметилась тенденция использовать бесщеточные двигатели постоянного тока. Они также легче по сравнению с щеточными двигателями при одной и той же выходной мощности.
В обычных двигателях постоянного тока щетки с течением времени изнашиваются, и могут вызывать искрение. Таким образом, двигатель с щетками не должен использоваться там, где требуется надежность и длительный срок службы. Давайте посмотрим, как работает бесщеточный двигатель постоянного тока. Ротор такого электродвигателя оснащен постоянными магнитами. Статор имеет расположение катушек, как показано на рисунке. Подавая постоянный ток в катушку, катушка станет электромагнитом. Работа двигателя основана на взаимодействии магнитных полей между постоянным магнитом и электромагнитом. В этом состоянии, когда катушка A находится под напряжением, противоположные полюса ротора и статора притягиваются друг к другу. Как только к ротору приближается катушки A, на катушку B подается напряжение. К ротору приближается катушка B, на катушку C подается напряжение. После этого на катушку A подается напряжение обратной полярности. Этот процесс повторяется, и ротор продолжает вращаться. Юмористическая аналогия, чтобы понять работу двигателя вспомним историю о осле и моркови. Осел старается догнать морковь, но еда двигается одновременно с ним и остается вне досягаемости.
Даже при том, что этот мотор работает, он имеет один недостаток. Как вы можете заметить, что в любой момент времени только одна катушка находится под напряжением. Две не работающих катушки значительно уменьшают выходную мощность двигателя. Но есть трюк, способный преодолеть эту проблему. Когда ротор находится в этом положении вместе с первой катушкой, которая тянет ротор, можно возбудить катушку позади него таким образом, что она тоже будет толкать ротор. В этот момент ток той же самой полярности пропускают через вторую катушку. Комбинированный эффект дает больше вращающего момента и мощности от двигателя.
Объединение сил также гарантирует, что у двигателя будет ровная и постоянная характеристика крутящего момента. При этой конфигурации, две катушки должны включаться отдельно, но, сделав небольшую модификации с обмоткой статора можно упростить этот процесс. Просто подключите свободные концы катушки вместе. При подаче питания на катушки А и В, через них пойдет ток. То же самое, как если бы мы подавали напряжение отдельно. Вот так он работает, но у вас, возможно появились сомнения: «Как мне узнать, на какую катушку статора подавать напряжение?» «Как подавать напряжение, чтобы получить непрерывное вращение от ротора?» Для этого мы используем электронный контроллер. Датчик A определяет положение ротора и на основании этой информации контроллер решает, на какие катушки подавать напряжение. Чаще всего для этой цели используется эффект датчика Холла.
До сих пор мы обсуждали конструкцию известную, как «внешний разгон». Конструкция «внутреннего разгона» также доступна на рынке. Мы надеемся, что вы почерпнули полезную информацию. Спасибо.
_
В чем разница между щеточными и бесщеточными двигателями?
Все чаще на просторах интернет-магазинов можно найти инструменты с двумя типами двигателей. Инструменты и садовая техника WORX также не отстают от современных трендов при производстве техники, так что на нашем сайте вы тоже можете найти специальную характеристику двигателя — щеточный или бесщеточный. Так что же это за характеристика, на что она влияет и в чем принципиальные отличия инструментов с тем или иным двигателем? Давайте разбираться.
Устройство и принцип действия щеточного двигателя
Щеточный двигатель по-другому еще называется коллекторным. Состоит двигатель из нескольких важных частей.
Ротор — по-другому, якорь. Как раз он вращается внутри и преобразует электрическую энергию в механическую. Якорь обмотан медной проволокой (обмоткой) с разных сторон ротора. За счет прохождения тока через проволоку создается магнитное поле, которое в свою очередь и создает вращение элемента.
На обмотке в бесщеточном двигателе установлен коммутатор, который используется для переключения с одной обмотки на другую, что позволяет менять направление вращения ротора. Этот коммутатор и есть коллектор, от которого взял свое название двигатель.
Чтобы напряжение передалось на обмотки, а ток прошел через коллектор в двигатель устанавливаются специальные щетки. Щетки обычно состоят из графита; они всегда контактируют с коммутатором и обеспечивают подачу энергии к катушкам с обмоткой. Есть две щетки, и каждая из них подключается к противоположному полюсу батареи. Это гарантирует, что при вращении ротора ток, протекающий к катушкам, постоянно меняет направление. Это приводит к необходимому изменению магнитного поля, которое позволяет ротору продолжать вращаться.
Все вышеописанные элементы установлены в статор. Статор — неподвижных элемент двигателя, в котором могут быть либо еще одна катушка с проволокой, либо постоянный магнит. За счет того или другого элемента и создается магнитное поле обратной полярности ротору, из-за чего тот вращается.
Коллекторные двигатели могут работать от переменного напряжения, так как при смене полярности ток в обмотках возбуждения и якоря также меняет направление, в результате чего вращательный момент не меняет своего направления.
Плюсы и минусы щеточного двигателя
Так мы с вами вкратце разобрались с устройством щеточного двигателя. Теперь в чем же его плюсы и минусы?
Плюсы
Минусы
Устройство и принцип действия бесщеточного двигателя
Теперь давайте разберем принцип работы бесщеточного двигателя. Как понятно из названия, его принципиальное отличие в отсутствии щеток. Но как же он тогда работает? Как нужная энергия поступает в двигатель?
В устройстве бесщеточного двигателя также присутствует ротор и статор — основные элементы любого мотора. Но при этом отсутствует коллектор, соответственно и двигатель по-другому называется бесколлекторным. Если у щеточного двигателя работа происходит за счет электро-механической смены полярности, то в бесщеточном двигателе все работает благодаря электромагнитной индукции. Также отличается местоположение обмотки — здесь она располагается на статоре, в отличие от предыдущего вида двигателя.
Вместо щеток и коллектора в бесщеточном двигателе установлены датчики Холла и контроллер, который контролирует подачу напряжения на катушки для создания индуктивности, а также положение ротора и скорость его вращения.
Когда плата подает на обмотку ток, создается тоже противоположное магнитное поле, и магниты на роторе начинают вращаться.
Еще одной особенностью бесщеточных двигателей нужно назвать их типы. Двигатели бывают двух типов — синхронный и асинхронный. В синхронном двигателе частота вращений ротора равна частоте вращений магнитного поля — то есть один оборот ротор совершает после одного полного прохождения тока через катушку. А в асинхронном двигателе обратная ситуация — частота вращений ротора меньше, чем частота вращения магнитного поля. То есть ток проходит через катушку быстрее.
Плюсы и минусы бесщеточного двигателя
Если с устройством бесщеточного двигателя мы разобрались, то теперь давайте рассмотрим положительные и отрицательные стороны инструментов с бесщеточными моторами.
Плюсы:
Минусы:
Но не бывает все настолько радужно. Даже у инструментов с бесщеточными двигателями есть и свои недостатки. Так сказать, ложка дегтя в бочке меда.
- К минусам, в первую очередь стоит отнести стоимость инструментов. Техника с бесщеточным мотором в цене дороже, чем упрощенные модели со щеточным двигателем.
- Вторым недостатком бесколлекторных инструментов может быть сложное и дорогое техническое обслуживание. Бесщеточный двигатель — технологичное устройство, для работы с которым нужны знания в микроэлектронике. К счастью, в сотрудники наших сервисных центров знают и умеют обслуживать бесколлекторные двигатели.
Итоги сравнения щеточного и бесщеточного двигателей
Если сравнивать инструменты с разными видами двигателей, то можно смело сказать, что техника с бесщеточным двигателем надежнее и мощнее. Но нужно учитывать тот факт, что ориентирована такая техника больше на профессиональные работы. В быту же и инструменты со щеточным двигателем отлично справятся со своими задачами. Потому перед покупкой инструмента заранее определите цели, для которых вы будете использовать инструменты.
В ассортименте компании WORX есть инструменты и со щеточными и с бесщеточными двигателями. Чтобы определить какой именно тип двигателя установлен в инструменте, обратите внимание на иллюстрацию в карточке товара — в бесщеточных моделях есть специальная пометка «BRUSHLESS MOTOR».
Щёточный или бесщёточный инструмент? Моя точка зрения
В нескольких комментариях под моими статьями люди спрашивали, какой инструмент покупать: щёточный или бесщёточный?
У меня недавно появились два винтовёрта, щёточный и бесщёточный. Оба RYOBI ONE+. Один аккумулятор этой линейки подходит ко всем инструментам этой линейки.
Мне непонятно, почему они по-разному называются. Бесщёточный называется импульсный винтовёрт. Щёточный — импульсный гайковёрт. Размер патрона 1/4 дюйма у обоих.
Бесщеточный по размерам меньше, но тяжелее и мощнее. 270 Нм против 220 Нм.
По многим параметрам бесщеточный лучше
Энергопотребление. В бесщеточном двигателе нет коллектора со щётками, соответственно нет потерь на трение, нагрев и искрообразование. За счёт этого в среднем бесщёточный мотор экономичнее примерно на 30%. Например, щёточным шуруповёртом вы закрутите 200 саморезов, а бесщёточным 270 саморезов.
Ресурс двигателя. В бесщёточном моторе просто нечему ломаться, кроме подшипников. В щёточном двигателе со временем изнашиваются щётки и коллектор.
У двигателя без щёток меньшие разрядные токи. Это немного бережёт аккумулятор.
Я взял сосновую доску 200*50 мм и попробовал закручивать в неё шурупы-глухари, размером 8*180 мм.
Бесщёточный однозначно закручивает эти глухари быстрее. Это прям чувствуется.
Если вы из будущего, посмотрите на главной странице моего канала. Там должно быть видео, где я показываю, как закручиваются глухари в доску.
В общем, у бесщёточных одни плюсы. Один только минус есть. Цена. Бесщеточный инструмент часто стоит в два раза дороже.
На примере этих винтовёртов: за щёточный по акции я заплатил 4 500 рублей, за бесщёточный выложил 6 800 рублей.
В щёточном винтовёрте мне понравилось переключение скоростей. На задней крышке. Можно держа винтовёрт в руке спокойно пальцем переключать скорости.
На бесщёточном переключение скоростей находится там, где крепится аккумулятор, и одной рукой переключить скорость нереально.
Для себя я сделал такой вывод: если работаешь инструментом постоянно, то нужно взять бесщёточный. Если время от времени то бери щёточный.
У меня есть шуруповёрт Макита, которым я пару сотен тысяч саморезов закрутил, а щётки на нём ещё не стёрлись.
Поэтому для такого темпа, в котором я работаю, покупать бесщёточный инструмент нет смысла.
Как работает бесщеточный электродвигатель. Почему его габариты меньше, а стоимость выше щеточных аналогов?
В электроинструмент давно устанавливают бесщеточные электродвигатели. Такие электродвигатели обладают рядом преимуществ перед коллекторными (перечислю ниже). Но есть один большой недостаток – высокая цена. С чем это все связано? Предлагаю разобраться.
Если вскрыть аккумуляторные шуруповерты с двух типов электродвигателей, то сразу увидим, что бесколлекторный при тех же характеристиках (или даже лучших) – имеет меньшие габариты:
Это понятно, т.к. в нем нет щеток – контактов, передающие напряжение на обмотку. Хотя это все тот же электродвигатель на постоянных магнитах, но магниты находятся на роторе (вращаются), а обмотки катушек неподвижны:
Существуют несколько разновидностей бесщеточных электродвигателей: с внутренней обмоткой и врешним ротором на постоянных магнитах (фотографии 1 и 2) и с внешней обмоткой и с внутренним ротором с магнитами (фотография 3). Так же они делятся на синхронные и асинхронные (с синхронизацией магнитных полей ротор-статор и с опережением магнитного поля на статоре).
В электродвигателе происходит переключение магнитного поля (питания катушек). По принципу притяжения разных полюсов магнита. В определенный момент нужная катушка должна притягиваться к противоположному полюсу постоянного магнита. В коллекторном переключение сделано конструктивно за счет скользящих контактов. А если в безщеточном нет скользящих контактов – как понять на какую катушку подать напряжение? И как происходит это переключение?
Для контроля положения ротора на катушках установлены датчики Холла:
Принцип работы датчика Холла:
Они дают сигнал на блок управления (контроллер) и тот подает напряжение на нужную обмотку статора. Выглядит при вращении это вот так:
Ротор догоняет магнитное поле статора. Пример платы управления электродвигателем:
Как устроен и работает бесщеточный электродвигатель доступным языком рассказывается в этом ролике:
Видно, что они выше в половину, а то и в два раза щеточных аналогов.
Понятно, что электронная часть сложна в изготовлении и имеет дополнительную цену в общей стоимости электродвигателя для какого-либо инструмента. Но и плюсов у такого электродвигателя – значительный список:
1. Т.к. коллекторный электродвигатель свыше 3000 об/мин снижает свою мощность и КПД, контакт в щетках нарушается, и появляется искрение. Бесщеточные двигатели лишены этих недостатков и имеют стабильное КПД до 90% на всех оборотах. Они механически более долговечные (ресурс зависит только от подшипников). Могут иметь более высокие обороты.
2. Бесщеточным двигателем легче производить регулировку (электронно) крутящего момента. Обычно на безщеточных шуруповертах установлен переключатель, отвечающий за это. За счет повышенного КПД, безщеточные электродвигатели экономят заряд АКБ инструмента, некоторые до 50% экономнее по сравнению с коллекторными.
Но если выйдет из строя электронная часть управления электродвигателем, то ремонт может быть сопоставим по стоимости с новым инструментом. У электроники всегда есть риск поломки. Короткие замыкания при попадании влаги или воздействие электростатики на датчики Холла и микросхемы – от этого никто не застрахован.
Не смотря на эти риски, за этими двигателями будущее. Т.к. их характеристики выше коллекторных. Возможно, когда-то промышленность начнет выпускать блоки управления в одном корпусе микросхемы с надежной защитой от замыканий и статического электричества.
Подписывайтесь на канал, добавляйте его в закладки браузера (Ctrl+D). Впереди много интересной информации.
Источник