Щеточные и бесщеточные двигатели: принцип работы, устройство, сравнение

Электродвигатели используются в целом ряде электрических, электронных, электромеханических устройств, позволяя облегчать различные процессы, начиная с производства и заканчивая бытом. В оборудовании электродвигатели выполняют задачи по вращению или по перемещению чего-либо.

Содержание

• Где используются электродвигатели
• Виды
• Устройство и принцип работы щеточного двигателя
• Устройство и принцип работы бесщеточного двигателя
• Сравнение щеточных и бесщеточных двигателей
• Заключение

Где используются электродвигатели

Электродвигатели используются в автоматизированных производственных линиях, станках ЧПУ, роботах и роботизированных установках, электромобилях.

Виды

В зависимости от типа применяемой энергии электродвигатели разделяют на 2 категории: постоянного тока и переменного тока. Двигатели переменного тока в свою очередь делятся на однофазные и трехфазные. Первые находят своё широкое применение там, где не требуется высокая мощность – это в основном бытовое оборудование и вспомогательные устройства в промышленности. Вторые подходят к использованию там, где требуется большая мощность для вращения мощных приводов станков, промышленных вентиляторов, конвейерных линий и т.п. Двигатели постоянного тока широко используются в промышленных приводах, где требуется точная регулировка частоты вращения (автомобилестроение, крановое оборудование и общественный транспорт, на многообразных производствах, в конструкциях тяговых двигателей и оргтехники, ручном электроинструменте). Внутри каждой категории двигатели разделяются конструктивно ещё на 2 типа: щёточные и бесщеточные, или их еще называют, соответственно, коллекторные и бесколлекторные двигатели, что обозначает одно и то же. В щеточных двигателях для его работы электрический ток подается на ротор через специальные щетки. Бесщеточный двигатель работает благодаря меняющемуся по определенному алгоритму электромагнитному полю, которое управляется специальным контроллером. Щеток в нем нет. Далее в статье мы более подробно рассмотрим их устройство, особенности, преимущества и недостатки, основываясь на двигателях постоянного тока.

Принцип работы и устройство щеточного двигателя

Конструкция

щеточных двигателей относительно простая, они состоят из:

Ротора или якоря – это вращающаяся часть, которая преобразовывает энергию электричества в механическую;

Статора, неподвижно закрепленного в корпусе и представляющего собой либо постоянный магнит, либо обмотку возбуждения. Он является источником постоянного магнитного поля, которое и заставляет ротор вращаться. Конструкция статора может быть различной в зависимости от разновидности двигателя постоянного тока. Двигатель постоянно тока с обмоткой возбуждения на статоре выполнен на сердечнике из стальных пластин. Если же двигатель выполнен с постоянными магнитами, то на статоре расположен постоянный магнит, который создает магнитное поле двигателя.

Коллектора (коммутатора) – несколько металлических пластин, размещенных радиально по поверхности вала параллельно друг другу, не соприкасаясь. При вращении двигателя ток попадает в цепь соответствующей пластине обмотки. Он в случае необходимости позволяет менять направление вращения.

Щетки используются для того, чтобы передавать напряжение на обмотки. Они соприкасаются с пластинами коллектора. Их, как правило, две или четыре. Щетки изготавливаются из различных материалов, у которых есть свои достоинства и недостатки: медно-графитовые, угольно-графитовые, графитовые, металлические. Ротор с обмоткой и коллектор смонтированы на валу, опирающемся на подшипники, которые установлены в боковых фланцах корпуса. Подшипники могут быть двух видов: роликовые и скольжения. Корпус – это несущая конструкция для всех элементов электродвигателя. Плюс к этому он играет роль наружной оболочки, которая защищает двигатель от грязи, влаги, пыли и различных механических воздействий. Конструкция бесщеточных двигателей зависит от:

• Типа обмотки: классический - вариант с обмоткой на стальном сердечнике, широко распространенный – полая обмотка без стального сердечника; печатная обмотка плоской или цилиндрической конструкции. В обмотке также могут быть использованы провода различной толщины, схема намотки также может быть разной. За счет этого изготавливаются двигатели, работающие при разном номинальном напряжении и токе. Также обмотки отличаются разной температурной стойкостью, в зависимости от нужд применения.
• Материал магнитов: за долгую историю существования электродвигателей использовалось большое количество материалов, но на данный момент в высокопроизводительных малогабаритных двигателях с постоянными магнитами чаще всего применяется NdFeB из-за своей высокой мощности и SmCo из-за высокой рабочей температуры.
• Типы щеток: чаще всего используются графитовые (применяются при больших токах и частых запусках, но являются источником сильных электромагнитных шумов) или металлические (используются при небольших токах и малых изменениях скорости вращения, при этом испускают малое количество помех).

Принцип работы щеточного двигателя довольно прост. Когда на обмотку ротора через коллектор поступает ток, то она превращается в магнит. Его полюса начинают отталкиваться от полюсов постоянного магнита статора, и ротор начинает вращаться. Скорость и крутящий момент вала двигателя будут зависеть от силы электромагнитного поля вокруг катушки ротора.

Достоинства щеточного двигателя

• Простая конструкция делает срок службы устройства более длительным. Износ щеток можно не принимать во внимание, так как они стоят недорого и меняются легко.
• Легко управлять. Чтобы запустить двигатель, достаточно подать напряжение на обмотки.
• В двигателе нет электронных элементов, что позволяет использовать их в жестких климатических условиях, даже при сильной радиации.
• Низкая стоимость. Учитывая простоту конструкции, они гораздо дешевле бесщеточных аналогов.

Недостатки щеточных моторов

• Низкий КПД, порядка 60%. Отсюда производительность ниже, чем у бесщеточных двигателей.
• Щетки быстро изнашиваются при максимальных оборотах мотора.
• Ограничение скорости вращения. Это связано с тем, что щетки, соприкасаясь с пластинами коллектора, при быстром вращении вала начинают искрить. Допустимая скорость вращения щеток зависит от материала их изготовления.

Устройство и принцип работы бесщеточного двигателя

У бесщеточного двигателя тоже есть ротор и статор, но у него отсутствует коллектор и щетки. Эти элементы заменяют датчик Холла, измеряющий угловое положение ротора и контроллер, создающий необходимый момент и скорость.

В принцип действия бесщеточного двигателя заложены физические свойства электромагнитной индукции. Энергия электричества трансформируется в механическую из-за изменений полярности магнитного поля. Так, зачастую на статоре располагается трехфазная обмотка. На роторе установлен постоянный магнит с двумя или несколькими парами полюсов. Трехфазная система напряжений, приложенная к обмотке статора, создает вращающееся магнитное поле, которое при взаимодействии с постоянным магнитом на роторе приводит его в движение.

Ротор постепенно поворачивается, вместе с ним вектор его магнитного поля поворачивается по направлению к магнитному полю статора. Это направление отслеживает управляющая электроника (датчик положения ротора) и изменяет напряжение обмотки статора таким образом, чтобы его магнитное поле поворачивалось, опережая магнитное поле ротора.

Стоит обратить внимание на то, что бесщеточные двигатели бывают синхронными и асинхронными. В синхронном электродвигателе скорость вращения электромагнитного поля совпадает со скоростью вращения ротора. Один оборот равен одному прохождению тока по проводам катушки. В асинхронных двигателях частота прохождения тока выше, по этой причине вал с ротором вращается медленнее.

Преимущества бесщеточных двигателей

• Бесщеточный двигатель не искрит и не трется, не загрязняется по причине разрушения щеток. И, как следствие, больше надёжность и меньше проблем, в т.ч. с обслуживанием.
• Может функционировать на значительно высоких оборотах, разгоняться намного быстрее. Скорость может достигать нескольких сот тысяч об/мин.
• КПД доходит до 90%, а значит экономится энергия и время.
• Имеют возможность регулировки оборотов и крутящего момента в довольно большом диапазоне.
• Относительно низкий разрядный ток продлевает срок службы аккумулятора.
• Компактные размеры, меньше вес.

Недостатки бесщеточных моторов

• Схема управления двигателями довольно сложная, так как роль коллектора выполняет внешний контроллер.
• Наличие сложной электроники, например датчик Холла, делает двигатель более уязвимым к влиянию жестких факторов окружающей среды: ионизирующее излучение, очень низкие или высокие температуры,
• Дороже. По сравнению с другим типом они более дорогие, если принимать во внимание один бренд и схожесть характеристик.
• Хотя конструкция и надежна, но поломки могут быть и тут. Бесщеточные двигатели починить гораздо сложнее, хотя это и зависит от того, что именно вышло из строя.

Сравнение щеточных и бесщеточных двигателей

Основная разница между щеточным и бесщеточным двигателем представлена в таблице:

Заключение

Каждый из типов двигателей находит свое применение в различных областях экономики, при производстве бытовой и специальной техники, инструментов. Существует оборудование, не критичное к высоким скоростям и большим уровням шумов. В таком случае для производства таких устройств можно использовать щеточные двигатели. При создании медицинского оборудования, высокоточных или требующих высоких скоростей вращения вала устройств, безусловно, необходимо применять бесщеточные двигатели, несмотря на их высокую цену.