Чем лучше использование бесколлекторного двигателя
Перейти к содержимому

Чем лучше использование бесколлекторного двигателя

  • автор:

Бесколлекторный двигатель. Принцип работы, характеристики, преимущества и недостатки.

Бесколлекторный двигатель является одним из видов электродвигателей большой мощности, работающих (в зависимости от модели) от источников постоянного либо переменного тока. Также, двигатель такого типа называется Brushless ВС motor (BLDC), что дословно означает бесщеточный мотор. Отсутствие коллекторно-щеточного механизма компенсируется наличием полупроводникового коммутатора, привод которого управляется датчиком положения ротора.

В современной механике использование двигателей типа BLDC очень популярно. Обосновывается этот факт конструктивными особенностями устройства. В нем отсутствует большинство материалов, подверженных быстрому износу, таких как щетки и металлическая пыль. К тому же, данный тип электрооборудования не производит искр, что безусловно делает устройство максимально безопасным.

Работа бесколлекторного электродвигателя основана на вращении ротора. В свою очередь, запуск ротора осуществляется путем использования специального микроконтроллера. Важно отметить, что приведение ротора в действие отличается от запуска синхронной и асинхронной машины, так как ключевая функция микроконтроллера заключается в том, что с его помощью магнитное поле на обмотке статора и якоря сводится к ортогональному направлению. Иными словами, микроконтроллер позволяет настраивать момент вращения ротора, установленного в бесколлекторном двигателе.

Самостоятельно собирать бесколлекторный двигатель не имеет особого смысла, так как купить готовое электрооборудование намного надежнее и дешевле. Подбор устройства осуществляется по техническим характеристикам двигателя, а также параметрам микроконтроллера.

Применимо к двигателю, основными его техническими характеристиками являются:

  • Мощность в кВт, либо л.с.;
  • Минимальное и максимальное количество оборотов в минуту;
  • Тип источника тока (переменный/постоянный);
  • Тип ротора (внутренний/внешний)

При подборе оптимального микроконтроллера необходимо учитывать технические параметры драйверов каналов широко-импульсной модуляции:

  • Максимальная сила тока, поддерживаемая устройством. Зачастую этот параметр производители указывают в модели электрооборудования, например, Phoenix-18. В некоторых случаях под данным параметром подразумевается пиковая мощность тока при которой контроллер может не прерывать работу несколько секунд;
  • Допустимое напряжение для длительной работы контроллера;
  • Сопротивление внутренних цепей микроконтроллера;
  • Максимальное число оборотов, сверх которых установлен программный ограничитель;
  • Частота передачи генерируемых импульсов, от величины которой зависит скорость работы микроконтроллера. Соответственно, чем выше этот параметр, тем выше отзыв устройства. В среднем контроллеры бесколлекторных двигателей имеют рабочую частоту генерации импульсов 7кГц. Тем не менее, на дорогих моделях микроконтроллеров можно перепрограммировать параметр на более высокую частоту.

Таким образом, правильный подбор бесколлекторного двигателя под конкретные нужды требует наличие определенных знаний. Поэтому, если возникнут трудности с выбором устройства, рекомендуем воспользоваться помощью наших специалистов.

Преимущества и недостатки

Несмотря на конструктивную оригинальность двигателя бесколлекторного типа, он, как и любое другое техническое устройство, имеет определенные преимущества и недостатки. Для того, чтобы понять почему многие предпочитают использовать бесколлекторные двигатели, рассмотрим все его плюсы:

  • за счет отсутствия щеток двигатель имеет высокое КПД;
  • отсутствие коллектора также снижает износ устройства;
  • нет искр, что предотвращает возможный взрыв газа на производстве или возгорания;
  • автоматическая регулировка крутящего момента в широком диапазоне;
  • низкое сопротивление механизмов устройства позволяет экономить расход электроэнергии;
  • обороты и мощность в режиме реверса ровно такие же, как и в стандартном режиме;
  • быстрый разгон двигателя;
  • бесколлекторная конструкция позволяет разгонять двигатель до пиковых значений;
  • при чрезмерно сильной нагрузке на двигатель срабатывает система защиты.

Несмотря на существенные преимущества бесколлекторного двигателя, он все же имеет некоторые недостатки:

  • Стоимость бесколекторных двигателей на порядок выше, нежели стоимость двигателей, оснащенных коллектором;
  • Обслуживание электрооборудования требует квалифицированных знаний.

Особенности бесколлекторных двигателей

Ключевая особенность бесколлекторных устройств заключается в отсутствии обмотки на роторе. Вот только запуск и управление параметрами двигателя невозможно без наличия микроконтроллера, в следствии чего использовать электродвигатели бесколлекторного типа в качестве генератора не возможно. Тем не менее, для эффективности управления электрообрудованием можно использовать датчики Холла. Подобные датчики позволяют существенно повысить технические возможности электродвигателя. Тем не менее, подобная модернизация увеличит и конечную стоимость устройства.

Сферы деятельности, в которых используются бесколлекторные двигатели, очень разнообразны. Двигателями такого типа активно пользуются специалисты авиамоделирования, используя BLDC-двигатель в качестве основного силового агрегата для авиамодели. Помимо этого, бесколлекторные электромоторы могут использоваться в механизмах трубозапорных приводов, насосах, вентиляторах и другой технике.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока

Бесколлекторные двигатели постоянного тока (бдпт) являются разновидностью синхронных двигателей с постоянными магнитами, которые питаются от цепи постоянного тока через инвертор, управляемый контроллером с обратной связью. Контроллер подаёт на фазы двигателя напряжения и токи, необходимые для создания требуемого момента и работы с нужной скоростью. Такой контроллер заменяет щёточно-коллекторный узел, используемый в коллекторных двигателях постоянного тока. Бесколлекторные двигатели могут работать как с напряжениями на обмотках в форме чистой синусоиды, так и кусочно-ступенчатой формы (например, при блочной коммутации).

Появились бесколлекторные двигатели постоянного тока как попытка избавить коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами от их слабого места – щёточно-коллекторного узла. Этот узел, представляющий собой вращающийся электрический контакт, является слабым местом у коллекторных двигателей с точки зрения надёжности и в ряде случаев ограничивает их параметры.

устройство бесколлекторного двигателя

Принцип работы и устройство бесколлекторного двигателя

Как и остальные двигатели, бесколлекторный двигатель состоит из двух основных частей – ротора (подвижная часть) и статора (неподвижная часть). Большинство бесколлекторных двигателей постоянно тока — трехфазные , поэтому на статоре располагается трёхфазная обмотка. Ротор несёт на себе постоянный магнит, который может иметь одну или несколько пар полюсов. Когда к обмотке статора приложена трёхфазная система напряжений, то обмотка создаёт вращающееся магнитное поле. Оно взаимодействует с постоянным магнитом на роторе и приводит его в движение. По мере того как ротор поворачивается, вектор его магнитного поля проворачивается по направлению к магнитному полю статора. Управляющая электроника отслеживает направление, которое имеет магнитное поле ротора и изменяет напряжения, приложенные к обмотке статора, таким образом чтобы магнитное поле, создаваемое обмотками статора, повернулось, опережая магнитное поле ротора. Для определения направления магнитного поля ротора используется датчик положения ротора, поскольку магнит, создающий это поле жёстко закреплён на роторе. Напряжения на обмотках бесколлекторного двигателя можно формировать различными способами: простое переключение обмоток через каждые 60° поворота ротора или формирование напряжений синусоидальной формы при помощи широтно-импульсной модуляции.

Схема бесколлекторного электродвигателя

Варианты конструкции двигателя

Обмотка двигателя может иметь различную конструкцию. Обмотка классической конструкции наматывается на стальной сердечник. Другой вариант конструкции обмотки – это обмотка без стального сердечника. Проводники этой обмотки равномерно распределяются вдоль окружности статора. Характеристики обмотки получаются различными, что отражается и на характеристиках двигателя. Кроме того, обмотки могут быть выполнены на различное число фаз и с различным количеством пар полюсов.

Бесколлекторные двигатели также могут иметь конструкции, различающиеся по взаимному расположению ротора и статора. Наиболее распространена конструкция, когда ротор охватывается статором снаружи – двигатели с внутренним ротором. Но также возможна, и встречается на практике конструкция в которой ротор расположен снаружи статора – двигатели с внешним ротором. Третий вариант – статор расположен параллельно ротору и оба располагаются перпендикулярно оси вращения двигателя. Такие двигатели называют двигателями аксиальной конструкции.

Датчик положения, который измеряет угловое положение ротора двигателя — это важная часть приводной системы, построенной на бесколлекторном двигателе. Этот датчик может быть самым разным как по типу, так и по принципу действия. Традиционно используемый для этой цели тип датчиков – датчики Холла с логическим выходом, устанавливаемые на каждую фазу двигателя. Выходные сигналы этих датчиков позволяют определить положение ротора с точностью до 60° — достаточной реализации самых простых способов управления обмотками. Для реализации способов управления двигателем, предполагающих формирование на обмотках двигателя системы синусоидальных напряжений при помощи ШИМ необходим более точный датчик, например, энкодер. Инкрементные энкодеры, очень широко используемые в современном электроприводе, могут обеспечить достаточно информации о положении ротора только при использовании их вместе с датчиками Холла. Если бесколлекторный двигатель оснащён абсолютным датчиком положения – абсолютным энкодером или резольвером (СКВТ), то датчики Холла становятся не нужны, так как любой из этих датчиков обеспечивает полную информацию о положении ротора.

Можно управлять бесколлекторным двигателем, и не используя датчика положения ротора – бездатчиковая коммутация. В этом случае информация о положении ротора восстанавливается на основании показаний других датчиков, например, датчиков фазных токов двигателя или датчиков напряжения. Такой способ управления часто влечёт за собой ряд недостатков (ограниченный диапазон скоростей, высокая чувствительность к параметрам двигателя, специальная процедура старта), что ограничивает его распространение.

Преимущества и недостатки

Высокая надёжность вследствие отсутствия коллектора. Это основное отличие бесколлекторных двигателей от коллекторных. Щёточно-коллекторный узел, является подвижным электрическим контактом и сам по себе имеет невысокую надёжность и устойчивость к влиянию различных воздействий со стороны окружающей среды.

Отсутствие необходимости обслуживания коллекторного узла . Является особенно актуальным для двигателей среднего и крупного габарита. Для микроэлектродвигателей, проведение ремонта экономически оправдано далеко не во всех случаях, поэтому для них этот пункт не является актуальным.

Сложная схема управления. Прямое следствие переноса функции переключения токов обмотки во внешний коммутатор. Если в простейшем случае для управления коллекторным двигателем необходимо иметь только источник питания, то для бесколлекторного двигателя такой подход не работает – контроллер нужен даже для решения самых простых задач управления движением. Однако, когда речь идёт о решении для сложных случаев (например, задачи позиционирования), то контроллер становится необходим для всех типов двигателей.

Высокая скорость вращения. В коллекторных двигателях скорость перемещения щётки по коллектору ограничена, хотя и различна для различных конструкций этих двух деталей и различных используемых материалов. Предельная скорость перемещения щёток по коллектору сильно ограничивает скорость вращения коллекторных двигателей. Бесколлекторные двигатели не имеют такого ограничения, что позволяет выполнять их для работы на скоростях до нескольких сотен тысяч оборотов в минуту – цифра недостижимая для коллекторных двигателей.

Большая удельная мощность. Возможность достичь большой удельной мощности является следствием высокой скорости вращения, доступной для бесколлекторного двигателя.

Хороший отвод тепла от обмотки. Обмотка бесколлекторных двигателей неподвижно закреплена на статоре и есть возможность обеспечить хороший тепловой контакт её с корпусом, который передаёт тепло, выделяемое в двигателе, в окружающую среду. У коллекторного двигателя обмотка установлена на роторе, и её тепловой контакт с корпусом гораздо хуже, чем у бесколлекторного двигателя.

Больше проводов для подключения. Когда двигатель расположен близко от контроллера, то это конечно не повод для огорчения. Однако если условия окружающей среды, в которых работает двигатель очень сложны, то вынесение управляющей электроники на значительное расстояние (десятки и сотни метров) от двигателя является подчас единственным доступным вариантом для разработчиков системы. В таких условиях каждая дополнительная цепь для подключения двигателя, будет требовать дополнительных жил в кабеле, увеличивая его размеры и массу.

Уменьшение электромагнитных помех, исходящих от двигателя . Щёточно-коллекторный контакт создаёт при работе достаточно сильные помехи. Частота этих помех зависит от частоты вращения двигателя, что осложняет борьбу с ними. У бесколлекторного двигателя единственным источником помех является ШИМ силовых ключей, частота которого обычно постоянна.

Присутствие сложных электронных компонентов. Электронные компоненты (датчики Холла, например) более остальных составных частей двигателя уязвимы для действия жёстких условий со стороны внешней среды, будь то высокая температура, низкая температура или ионизирующие излучения. Коллекторные двигатели не содержат электроники и у них подобная уязвимость отсутствует.

Где применяются бесколлекторные двигатели

К настоящему времени бесколлекторные двигатели получили широкое распространение, как благодаря своей высокой надёжности, высокой удельной мощности и возможности работать на высокой скорости, так и из-за быстрого развития полупроводниковой техники, сделавшей доступными мощные и компактные контроллеры для управления этими двигателями.

Бесколлекторные двигатели широко применяются в тех системах где их характеристики дают им преимущество перед двигателями других типов. Например, там, где требуется скорость вращения несколько десятков тысяч оборотов в минуту. Если от изделия требуется большой срок службы, а ремонт невозможен или ограничен из-за особенностей эксплуатации изделия, то и тогда бесколлекторный двигатель будет хорошим выбором.

Чем лучше использование бесколлекторного двигателя

Эксперт раздела «Вопрос электрику», автор статей. Электромонтер по ремонту и обслуживанию электрооборудования, опыт работы более 5 лет.

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

Коллекторные двигатели

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

Коллекторный двигатель

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

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

Бесколлекторные двигатели

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

Бесколлекторный двигатель

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

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

Плюсы и минусы сравниваемых двигателей

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

Широкое применение обусловлено:

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

Но при простоте устройства коллекторные двигатели имеют недостатки:

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

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

Якорь коллекторного двигателя

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

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

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

Достоинствами таких электрических машин являются:

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

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

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

Заключение

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

  1. Есть щетки и коллектор, которые искрят и изнашиваются.
  2. Нужно чаще обслуживать, соответственно и срок службы не слишком долгий.
  3. Легко регулировать скорость лишь изменением напряжения.
  4. Для реверса нужно просто сменить полярность.
  5. Два предыдущих факта позволяют их использовать в бюджетных устройствах без сложных электросхем.
  1. Для запуска нужен контроллер, который хоть и не слишком дорого стоит, но увеличивает конечную стоимость, схемотехнику и вес изделия.
  2. Весят меньше чем коллекторные, при одинаковой мощности (но это частично компенсируется предыдущим фактом).
  3. Нет щеток и коллектора, поэтому не требуют обслуживания, не искрят.
  4. Больший срок службы, он ограничен лишь ресурсом подшипников ротора.
  5. Стоят обычно дороже чем коллекторные.
  6. Зачастую выдают больший момент на валу и обороты.
  7. При наличии датчиков положения вала обеспечивают большую стабильность оборотов при изменении нагрузки (жесткая механическая характеристика). Это особенно важно при использовании на станках и ручном инструменте.

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

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

Материалы по теме:

  • Чем отличается трансформатор от автотрансформатора
  • Разница между контактором и пускателем
  • Что лучше поставить: дифавтомат или УЗО

Опубликовано 05.07.2019 Обновлено 05.07.2019 Пользователем Александр (администратор)

Преимущества бесколлекторных двигателей

ccf3dd68715ea40f1463b0c1bc89af99_w650.jpg

Комментарии: 1 28.10.2021 Двигатели в автомобилях бывают двух типов — коллекторные и бесколлекторные. Силовые агрегаты постоянного тока (коллекторные), существуют уже более 100 лет. Долгое время они считались стандартной технологией, которая получила широкое применение. Несмотря на развитие нового типа, старое решение все еще используется и подходит для недорогих конструкций. Бесколлекторные моторы впервые разработали в 1960 годах. Они сразу представили себя в роли более эффективных установок. Под капотом большинства автомобилей можно встретить один или несколько ремней со шкивом. Они отнимают часть кинетической энергии мотора и направляют ее на выработку электричества, которое и запускает различные автомобильные аксессуары. Если один из ремней выходит из строя, от работы может отказаться вся система, а автомобиль не сможет продолжать движение. Но может быть и такое, что мотор лишен коллектора. Некоторые автомобили используют электродвигатели для питания электрических систем, которые функционируют вне зависимости от основного мотора. С развитием электрокаров число таких установок будет только возрастать. Рассмотрим основные преимущества бесколлекторных двигателей.

Первый плюс — экономия топлива. При установке подобного мотора, энергетическая неэффективность двигателя внутреннего сгорания заметно сокращается. Инженеры называют потери энергии «паразитными». В более современном типе ДВС генерирует и распределяет энергию более эффективно.

9f764adaaaa441b3f7e6be2974bb774c_w650.jpgМеньшие затраты на обслуживание — еще одно преимущество. К примеру, если ремень двигателя выйдет из строя прямо в дороге, от работы сразу откажется кондиционер, усилитель руля и система охлаждения. Это не самая приятная ситуация, которая, к сожалению, встречается довольно часто. Ремни двигателя — самое слабое звено цепи, так как они сделаны из гибкого материала. Двигатели без ремней на этом фоне являются более надежными, чем стандартные. Тихая работа мотора — еще один плюс. Многие знают, что электромоторы работают намного тише, чем стандартные ДВС. Если в конструкции автомобиля есть и ДВС, и бесколлекторный двигатель постоянного тока, второй будет работать заметно тише. Это происходит из-за того, что в конструкции не появляется звуков визга или гула от ремней. 96a332c120e8d04fc21ff91400fa5f22_w650.jpgДля тех, кто стоит на стороне экологии, тоже есть преимущество — меньшее загрязнение окружающей среды. Это главная причина, по которой многие отказываются от моделей с ДВС. Во многом это объясняется более эффективным потреблением топлива. Чем меньше сжигается бензина, тем меньше выбросов. Двигатели без ремней расходуют горючее исключительно для передвижения автомобиля. Последнее преимущество — возможность запускать кондиционер без старта мотора. У некоторых автомобилей данная функция и система управления ей вынесена на брелок. В большинстве автомобилей для запуска кондиционера и охлаждения салона нужно сначала привести в работу основной двигатель. С таким большим списком преимуществ, трудно не поверить, что в ближайшее время моторы без ремней завоюют популярность. Итог. Двигатели без ремней имеют несколько преимуществ перед стандартными ДВС. Они менее шумные, разумно потребляют топливо и снижают загрязнение окружающей среды.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *