Как работает бесщеточный электродвигатель?

Что такое двигатель постоянного тока?

Двигатель постоянного тока — одна из самых фундаментальных машин за последние 200 лет. Этот электродвигатель использует постоянный ток для создания вращательного движения и позволил разработчикам создавать электроинструменты, мобильное оборудование, компьютерные компоненты и другие бесценные приложения на батарейках. Они представляют собой класс, отличный от двигателей переменного тока, которые столь же продуктивны, но обеспечивают различные преимущества. Класс двигателей постоянного тока в целом разделен на двигатели постоянного тока с щеткой и бесщеточные двигатели постоянного тока, и эта статья поможет тем, кто хочет понять, что отличает один двигатель постоянного тока от другого. Основные принципы, лежащие в основе обоих типов двигателей постоянного тока, будут объяснены, а затем сравнены, чтобы показать, где каждая машина работает лучше всего в промышленности.

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.

Устройство бесщеточного двигателя

В качестве примера, следует рассмотреть наиболее популярный трехфазный бесщеточный двигатель. Он имеет статор, набранный из слоистой стали, в пазах которого размещается обмотка. В большинстве двигателей этого типа имеются три обмотки, соединенные в звезду.

Ротор представляет собой постоянный магнит с полюсами в количестве от 2-х до 8-ми пар. При этом, Южный и Северный полюса чередуются между собой. Ротор изготовлен из специального магнитного материала, обеспечивающего необходимую плотность магнитного поля. Как правило, это ферритовые магниты, из которых изготавливаются постоянные магниты.

В отличие от обычных электродвигателей, бесщеточные двигатели постоянного тока коммутируются при помощи электроники. Это связано с необходимостью последовательной подачи напряжения на обмотки статора. Одновременно, необходимо знать, в каком положении находится ротор. Это положение определяется датчиками Холла, которые подают высокий или низкий сигнал, в зависимости от того, какой полюс проходит возле высокочувствительных элементов.

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.

Где используются щеточные и бесщеточные двигатели

Как мы уже говорили ранее, бесщеточный двигатель набирает популярность по сравнению с щеточным двигателем. Оба двигателя могут быть найдены в широком спектре применений. Щеточные двигатели постоянного тока по-прежнему часто используются в бытовой технике и автомобилях. Они также сохраняют сильную промышленную нишу благодаря своей способности изменять соотношение крутящего момента к скорости — уникальное свойство для них.

Щеточный или бесщеточный электродвигатель?

При такой популярности это неудивительно. Бесщеточный двигатель работает дольше и потребляет меньше электроэнергии. Он ломается реже – щеток нет, поэтому они не изнашиваются. И это самая распространенная причина повреждения электроинструментов. Он меньше и легче, чем коллекторные, а также более мощный. Из-за этого он обеспечивает лучший крутящий момент. Если инструмент оснащен двигателем такого типа, обычно легко найти информацию о нем, а в случае щеточных двигателей многие производители просто опускают это упоминание.

Благодаря такой надежности и долговечности бесщеточные двигатели постоянного тока нашли множество применений: производство, вычислительная техника и многое другое. Они используются в электромобилях нового поколения и все большем количестве электроинструментов нового поколения – отверток, дрелей, перфораторов. Они также встречаются в роботах, дронах и радиоуправляемых автомобилях, как игрушечных, любительских, так и профессиональных.

Как работает коллекторная машина

Чтобы произвести запуск коллекторного двигателя, потребуется подать напряжение на обмотку возбуждения, которая расположена непосредственно на якоре. При этом образуется постоянное магнитное поле, которое взаимодействует с магнитами на статоре, в результате чего проворачиваются якорь и коллектор, закрепленный на нём. При этом подается питание на следующую обмотку, происходит повтор цикла.

Как осуществляется управление

Электронный блок управления позволяет провести коммутацию обмоток привода. Для определения момента переключения при помощи драйвера отслеживается положение ротора по датчику Холла, установленном на приводе.

В том случае, если нет таких устройств, необходимо считывать обратное напряжение.

Оно генерируется в катушках статора, не подключенных на данный момент времени.

Контроллер — это аппаратно-программный комплекс, он позволяет отслеживать все изменения и максимально точно задавать порядок коммутации.

Трехфазные бесколлекторные электродвигатели

Очень много бесколлекторных электродвигателей для авиамоделей выполняется под питание постоянным током.

Но существуют и трехфазные экземпляры, в которых устанавливаются преобразователи.

Они позволяют из постоянного напряжения сделать трехфазные импульсы.

Работа происходит следующим образом:

1. На катушку “А” поступают импульсы с положительным значением. На катушку “В” – с отрицательным значением. В результате этого якорь начнет двигаться. Датчики фиксируют смещение и подаётся сигнал на контроллер для осуществления следующей коммутации.
2. Происходит отключение катушки “А”, при этом импульс положительного значения поступает на обмотку “С”. Коммутация обмотки “В” не претерпевает изменений.
3. На катушку “С” попадается положительный импульс, а отрицательный поступает на “А”.
4. Затем вступает в работу пара “А” и “В”. На них и подаются положительные отрицательные значения импульсов соответственно.
5. Затем положительный импульс опять поступает на катушку “В”, а отрицательный на “С”.
6. На последнем этапе происходит включение катушки “А”, на которую поступает положительный импульс, и отрицательный идет к С.

И после этого происходит повтор всего цикла.

Почему бесщеточный инструмент такой дорогой

Главным недостатком такого инструмента является его высокая цена. Она обусловлена присутствием дорогой силовой платы и электронного управления. Благодаря этому электродвигатель становится надежнее.

Но высокая стоимость такого инструмента иногда становится решающим фактором при покупке инструмента. Какой шуруповерт лучше щеточный или бесщеточный каждый пользователь решает для себя. И многие склоняются в пользу более дешевого изделия.

Важно! Замена деталей бесщеточных инструментом всегда обходится дорого.

Плюсы и минусы использования

Изготовить своими руками бесколлекторный электродвигатель сложно, а реализовать микроконтроллерное управление практически невозможно. Поэтому лучше всего использовать готовые промышленные образцы.

Но обязательно учитывайте достоинства, которые получает привод при использовании бесколлекторных электродвигателей:

1. Существенно больший ресурс, нежели у коллекторных машин.
2. Высокий уровень КПД.
3. Мощность выше, нежели у коллекторных моторов.
4. Скорость вращения набирается намного быстрее.
5. Во время работы не образуются искры, поэтому их можно использовать в условиях с высокой пожарной опасностью.
6. Очень простая эксплуатация привода.
7. При работе не нужно использовать дополнительные компоненты для охлаждения.

Плюсы:

1. У инструментов с бесщеточным двигателем отсутствуют многие проблемы, которые встречаются у щеточных моделей. Так, первым плюсом специалисты отмечают бо́льшую износостойкость инструментов. Ввиду отсутствия щеток не создается трение внутри двигателя, соответственно нет внутренних загрязнений. Также отсутствие щеток снижает пожароопасность инструмента — при работе нет искрения, а значит можно работать практически в любых условиях.
2. Вторым плюсом стоит отметить упрощенную регулировку крутящего момента — в отличие от щеточных моделей, у бесколлекторных инструментов достаточно просто нажать соответствующую кнопку на инструменте. Причем регулировка может иметь до 15 уровней и переключаться в одно мгновение.
3. Одним из ключевых преимуществ бесщеточных моделей нужно отметить экономию расходуемой энергии. Этот пункт особенно актуален для аккумуляторных инструментов. Благодаря экономии инструменты работают до 50% дольше, чем модели со щеточным двигателем. Также КПД бесколлекторных инструментов намного выше — инструмент выполняет 90% поставленных задач, против 60% у коллекторных моделей. Это значит, что бесщеточными инструментами можно работать практически с любым материалом без потери мощности.
4. Помимо вышеуказанных преимуществ инструментов с бесщеточным двигателем, они еще могут разгоняться до максимальных показателей и имеют быстрый запуск сразу с больших скоростей, чем не могут похвастаться щеточные инструменты.

Минусы:

Но не бывает все настолько радужно. Даже у инструментов с бесщеточными двигателями есть и свои недостатки. Так сказать, ложка дегтя в бочке меда.

1. К минусам, в первую очередь стоит отнести стоимость инструментов. Техника с бесщеточным мотором в цене дороже, чем упрощенные модели со щеточным двигателем.
2. 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.

Щеточный или бесщеточный?

Таким образом, бесщеточные двигатели могут быть более мощными, чем ваши традиционные аккумуляторные инструменты с щеткой. Беспроводные приборы, использующие бесщеточный электронный двигатель, более эффективны и интеллектуальны в том, как двигатель регулирует расход энергии аккумулятора. Этот уровень интеллекта и эффективности приводит к:

• Меньший объем технического обслуживания и более длительный срок службы — благодаря отсутствию угольных щеток
• Больше мощности — меньше ограничений в двигателе, который расходует энергию
• Более длительное время работы и меньшая зарядка аккумулятора — благодаря эффективному использованию энергии.

Итоги

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.