Чем лучше бесколлекторный двигатель

Преимущества бесколлекторных двигателей

Чтобы лучше понять, что такое бесколлекторные двигатели и как они работают, нам нужно взглянуть на их классических предшественников коллекторные двигатели. Двигатели постоянного тока существуют уже более ста лет и долгое время считались стандартной технологией двигателей. Несмотря на развитие бесколлекторных двигателей, коллекторные двигатели остаются актуальными до сегодняшнего дня, особенно для недорогих применений.

Бесколлекторные двигатели были впервые разработаны в 1960-х годах и считались более эффективной альтернативой коллекторным двигателям. В настоящее время бесколлекторные двигатели можно найти в высококлассных приложениях и устройствах, таких как компьютерные жесткие диски, электромобили и DVD-плееры. Они особенно предпочтительны для устройств с батарейным питанием, таких как беспроводные инструменты, из-за их повышенной эффективности, что приводит к более длительным циклам работы батареи.

Бесколлекторные двигатели имеют роторы и статоры. Как следует из их названий, ротор-это компонент двигателя, который вращается, в то время как статор-это компонент, который остается неподвижным. В коллекторном двигателе ротор расположен в центре двигателя, окруженный статором, который имеет пару магнитов с противоположной полярностью.

Вращение ротора коллекторного двигателя приводится в движение изменяющимся магнитным полем. Это изменяющееся магнитное поле становится возможным благодаря коллектору со щетками, которые входят в контакт с источником тока при вращении центрального вала.

Бесколлекторные двигатели используют совершенно иной подход к созданию изменяющегося магнитного поля. Вместо центрального ротора ротор бесколллекторного двигателя фактически окружает статор. В этом случае ротор имеет постоянный набор магнитов, который реагирует на изменение магнитного поля статора.

Статор бесколлекторного мотора может состоять из 6 или более пар электрических катушек, каждая из которых способна генерировать собственное магнитное поле. По мере вращения ротора магнитное поле каждой катушки изменяется поочередно, что еще больше стимулирует вращение ротора. Регулирование тока в каждой электрической катушке осуществляется с помощью электронного регулятора скорости (ESC), так называемого потому, что он способен контролировать пропускную способность всего двигателя.

На поверхности легко отличить коллекторный двигатель от его бесколлекторного аналога. Коллекторные двигатели имеют более длинную и цилиндрическую форму из-за увеличенной массы. Они также часто имеют вентиляционные отверстия, так как постоянный контакт щеток через некоторое время генерирует тепло. Из них торчат два провода, которые соединяются с положительными и отрицательными клеммами источника питания.

Бесколлекторные двигатели короче и компактнее. Они имеют меньше движущихся частей, а бесконтактная технология означает, что она генерирует меньше тепла из-за трения. Бесколлекторные двигатели обычно имеют три или более проводов, выступающих из них, и они обычно подключаются к ЭКУ.

В настоящее время бесколлекторные двигатели можно найти в большинстве современных электронных устройств. Они используются в промышленных приложениях, таких как самолеты, медицинские приборы, производственное оборудование и инструменты, а также робототехника. В потребительских товарах их можно найти в электрических скутерах, беспроводных дрелях, DVD-плеерах, пылесосах и стиральных машинах. Несмотря на сохраняющуюся популярность коллекторных моторов, нетрудно представить, что это часть технологии, которая в конечном итоге будет считаться устаревшей.

Преимущества бесколлекторных двигателей

1. Меньше обслуживания

Коллекторные двигатели печально известны тем, что имеют детали, которые через некоторое время изнашиваются, требуя частого демонтажа и замены деталей. Это связано с тем, что щетки коммутатора должны поддерживать почти постоянный контакт с клеммами источника питания, даже когда коммутатор быстро вращается. Когда щетки изнашиваются и больше не могут поддерживать контакт, коллекторный двигатель постоянного тока в основном становится бесполезным. На самом деле между ротором и статором бесколлекторного двигателя практически нет контакта, поэтому износ значительно снижается.

2. Более эффективный

Постоянный контакт щеток с силовыми клеммами коллекторного двигателя необходим для поддержания его вращения. Однако трение, которое это создает, означает, что огромная часть энергии, генерируемой вращательным движением, тратится впустую в виде тепла. Как правило, КПД коллекторных двигателей ограничен в диапазоне от 75% до 80%.

С другой стороны, бесколлекторные двигатели генерируют очень мало тепла. При быстром вращении ротора все еще есть некоторая потеря энергии из-за трения воздуха, но она минимальна. Такие двигатели способны обеспечить КПД до 90%.

3. Более длительный срок службы

Ускоренный износ из-за постоянного контакта щеток и энергии, выделяемой в виде тепла, означает, что коллекторные двигатели, как ожидается, сломаются гораздо раньше, чем бесколлекторные. Без возможности остыть накопление тепла в коллекторных двигателях может легко нарушить целостность их катушек или щеток.

Было показано, что бесколлекторные двигатели служат несколько лет при минимальном техническом обслуживании, пока они не повреждаются из-за аварии. Возможно смещение центрального вала или попадание мелких частиц песка и грязи в механизм двигателя. Эти условия, безусловно, уменьшат долговечность мотора.

4. Меньше по размеру

Бесколлекторные двигатели имеют меньшее количество движущихся частей, что дает им преимущество в компактности.

Большая часть шума, создаваемого коллекторными двигателями, происходит из-за контакта щеток с клеммами питания. Несмотря на использование смазочных материалов для уменьшения трения, это неприятность, которая неизбежна при использовании коллекторных моторов.

Бесколлекторные двигатели гораздо тише. Хотя быстрое вращение ротора все еще создает характерный “жужжащий” звук, это все еще огромное улучшение по сравнению с визжащим звуком, к которому мы привыкли с коллекторными двигателями. Более поздние разработки также привели к появлению бесколлекторных двигателей, которые вращаются более плавно, устраняя шум.

Недостатки бесколлекторных двигателей

Причина номер один, почему бесколлекторные двигатели не получили такого широкого распространения, как мы ожидали, заключается в том, что они намного дороже.

Бесколлекторные двигатели имеют более сложный набор электромагнитов. Больше электромагнитов означает больше проводящего материала катушки, который часто является одним из самых дорогих компонентов двигателя. Бесколлекторные двигатели также требуют дополнительного обслуживания.

2. Сложная проводка

Бесколлекторные двигатели не так просты, как кажется. Еще одним огромным преимуществом коллекторного двигателя является то, что он может быть легко подключен к источнику постоянного тока для его работы. Исходя из концепции работы коллекторного двигателя, все, что ему нужно, — это быть подключенным к отрицательным и положительным клеммам источника питания.

Заключительные мысли

Способность преобразовывать электрическую энергию во вращательное движение является одним из величайших технологических достижений нашего времени, открытием, которое породило многие аспекты современной технологии, как мы ее знаем. коллекторные моторы господствуют уже почти сто лет, но бесколлекторные моторы быстро находят свое место в современном мире, где приоритет отдается использованию компактных, надежных и эффективных технологий.

Бесколлекторные двигатели: преимущества и недостатки

Бесколлекторные двигатели — это вид синхронных устройств с постоянными магнитами, питаемыми от цепи постоянного тока через инвертор, управление которым осуществляется при помощи коллектора с обратной связью.

Преимущества и недостатки устройств

Бесколлекторный двигатель имеет следующие плюсы и минусы:

1. Наличие сложных электронных компонентов (к примеру, датчиков Холла). Они отличаются уязвимостью для действия жестких условий со стороны окружающей среды (высокой и низкой температуры, ионизирующих излучений и так далее). Если рассматривать коллекторные двигатели, то они вовсе не имеют электроники, из-за чего у них отсутствует данная уязвимость.

2. Сведение к минимуму электромагнитных помех, которые исходят от устройства. Во время работы щеточно-коллекторный контакт создает сильные помехи. Их частота зависит от частоты вращения мотора. А вот у бесколлекторной модели устройств основным источником помех можно назвать ШИМ силовых ключей, частота которого постоянна.

3. Требуется больше проводов для подключения. Если устройство работает в сложных условиях, то рекомендуется вынести управляющую электронику на большое расстояние. В таком случае каждая дополнительная цепь для подсоединения устройства требует наличия дополнительных жил в кабеле, что увеличивает его массу и габариты.

4. Отличный отвод тепла от обмотки. Последняя надежно закреплена на статоре и поэтому возможно обеспечить ее хороший тепловой контакт вместе с корпусом (корпус передает тепло, появляющееся в устройстве, в окружающую среду). У бесколлекторного мотора тепловой контакт с корпусом значительно лучше, чем у коллекторного электродвигателя.

5. Повышенная мощность. Это следствие высокой скорости вращения.

6. Большая скорость вращения. Коллекторные двигатели отличаются тем, что они имеют ограниченную скорость перемещения щетки по коллектору. Предельная скорость существенно ограничена. Бесколлекторные электродвигатели не имеют такого ограничения. Благодаря этому они могут работать на скоростях до нескольких сотен тысяч оборотов в минуту.

7. Сложная схема управления. Для управления коллекторным мотором нужен источник питания, а для бесколлекторного такой подход не подойдет (ему требуется контроллер).

8. Нет нужды в обслуживании коллекторного узла. Это актуально для моторов крупных и средних габаритов.

9. Надежность (по причине отсутствия коллектора). Это и есть главное отличие бесколлекторных двигателей.

Бесколлекторные модели устройств получили широкое применение в областях, где их технические характеристики дают им преимущество перед устройствами других типов (к примеру, там, где требуется скорость до нескольких десятков тысяч оборотов в минуту).

Типы двигателей в радиоуправляемых машинах

Про деление двигателей на ДВС (бензиновые) и электрические знают все, но вот два вида электродвигателей для многих становятся новостью. При этом отличаются они друг от друга достаточно серьёзно, поэтому в преимуществах и недостатках каждого варианта стоит разобраться. А мы с этим поможем.

Коллекторный двигатель

На роторе такого мотора установлены специальные контакты (коллектор), которые во время работы соприкасаются с графитовыми щётками. Ток через щётки и коллектор поступает на ротор, создаётся электромагнитное поле, оно взаимодействует с полем постоянных магнитов статора, ротор вращается, машинка едет.

Плюсы такого двигателя:

• Очень простая конструкция и, соответственно, низкая цена;
• Компактный размер (поэтому на модели масштаба 1:18 и меньше обычно ставят как раз коллекторные двигатели);
• Отличная ремонтопригодность.

Недостатки:

• КПД всего 60% — это заметно меньше, чем у бесколлекторных моделей;
• Низкие обороты и, соответственно, более низкая максимальная скорость;
• Мотор сравнительно быстро перегревается;
• Ремонт простой, но требуется чаще, чем в случае с бесколлекторным мотором;
• Чувствителен к загрязнению;
• Нужна обкатка.

На последнем пункте стоит остановиться подробнее. Дело в том, что изначально – в состоянии «с завода» — графитовые щётки едва касаются коллектора. Ток большой, площадь соприкосновения маленькая, поэтому щётки быстро перегреваются и могут деформироваться.

Чтобы такой проблемы не было перед тем, как гонять модель по трассе делают обкатку:

1. Полностью заряжаем аккумулятор;
2. Плавно, без резких разгонов и торможений, выкатываем заряд на ровной поверхности. До полной разрядки;
3. Заряжаем аккумулятор (если просто меняете батарею, обязательно сделайте паузу минут 20 – дайте мотору остыть);
4. Повторяем пункт 2.

Такое аккуратное катание позволяет щёткам чуть-чуть стереться и без стрессовых нагрузок принять форму коллектора. Контакт становится лучше, нагрузка на движущиеся части меньше, машинка служит дольше.

Бесколлекторный двигатель

Классический электродвигатель: постоянные магниты на роторе и обмотка на статоре. Движущихся частей в конструкции нет, обкатка не нужна, КПД доходит до 95% — по характеристикам такие моторы заметно лучше, чем коллекторный тип двигателя, но радиоуправляемая машина с бесколлекторным мотором будет стоить дороже.

Плюсы двигателя:

• Не боится грязи, пыли и влаги;
• Максимальная скорость выше;
• Дольше служит;
• Выше КПД.

Недостатки:

• Высокая стоимость;
• Если поломка всё-таки произошла, ремонт будет сложным и дорогим.

Какой двигатель выбрать?

В конечном итоге, всё очень просто: берёте машинку на радиоуправлении эконом-класса? Ищите с коллекторным двигателем. Готовы заплатить за надёжность и скорость? Нужен бесколлекторный мотор. Ну и важный момент: в некоторых классах просто нет выбора. Например, внедорожники почти поголовно работают на бесколлекторных моторах (или на ДВС, конечно), а самые маленькие модели преимущественно на коллекторном двигателе.

Какая разница между коллекторным и бесколлекторным двигателем, их преимущества и недостатки

Большое количество людей увлекаются созданием электромоделей, где одним из основных элементов выступает электродвигатель. При этом сборка и эксплуатация таких устройств часто вызывает споры относительно того, какие именно моторы лучше использовать.

Ведь на выбор предлагаются коллекторные и бесколлекторные двигатели, у каждого из которых есть свои поклонники и противники. Чтобы попытаться определить лучший вариант, нужно изучить особенности, принцип работы, их сильные и слабые стороны. Это во многом поможет принять окончательное решение.

Электромоторчики входят в состав разного автомобильного оборудования, включая стеклоомыватели, стеклоподъёмники, вентиляторы охлаждения и отопления, дворники и пр. Но также широко применяются в других сферах и отраслях.

Двигатель коллекторного типа

Под понятие коллекторных двигателей попадают различные электромашины, где переключатель тока и роторный датчик по сути являются одним устройством. С его помощью обеспечивается качественное соединение цепей в неподвижном отсеке двигателя с рабочим ротором.

Внешний вид коллекторного двигателя

Конструкция включает в себя мощные щётки и непосредственно сам коллектор. Интересно и то, что коллекторный тип мотора обладает преимуществом в виде простоты ухода и эксплуатации, легко ремонтируется и долго служит. Но есть и недостаток, проявляющийся в малом весе при большом КПД. Изначально это может показаться преимуществом. Быстроходность вместе с малым весом вынуждают использовать дополнительно хороший редуктор, иначе нормально эксплуатировать моторчик не получится.

Если же машины подстроить под меньшие значения скорости, то моментально упадёт коэффициент полезного действия. Это, в свою очередь, негативно отразится на эффективности охлаждения.

Многих интересует, что же значит коллекторный двигатель. Фактически это электромашина переменного тока, способная с лёгкостью преобразовывать постоянный ток в механическую полезную энергию. При этом минимум одна обмотка соединяется с основным коллектором.

В зависимости от комплектации и входящих в состав моторчика компонентов, коллекторные двигатели (КД) могут применяться в игрушках, радиоуправляемых моделях и в автомобильных, выступая в качестве составляющего элемента системы охлаждения, вентиляции, стеклоочистителей, насосов омывателя ветрового стекла и пр.

Ведущим производителям удалось создать универсальные моторы коллекторного типа, которые способны функционировать на всех видах тока, то есть на переменном и постоянном. Они нашли широкое применение при создании электрических инструментов, бытовой техники, на ЖД транспорте. Их преимущество в небольшом весе и компактных размерах при достаточно адекватной цене.

Независимо от того, какая полярность у двигателя, этот электромотор будет всегда осуществлять вращения только в одном направлении, то есть в одну неизменную сторону. Это объясняется последовательным соединением роторным и статорных обмоток, что провоцирует одновременную смену полюсов. Потому момент всегда направлен в одну и ту же сторону.

Базовыми составляющими компонентами КД являются:

• Двухполюсный статор, имеющий в своей основе постоянные магниты. В конструкции используются изогнутые магниты соответствующей формы;
• Ротор трёхполюсного типа. Здесь также применяются специфические подшипники, обладающие эффектом скольжения;
• Пластины из меди. Они применяются в роли щёток для двигателя коллекторного типа.

Набор действительно минимальный, потому встречается в основном в наиболее бюджетных и простых версиях коллекторных электромоторов. В их числе моторчики детских игрушек, которые не нуждаются в повышенной мощности.

Если вы хотите получить более качественный КД, тогда в его состав добавляют:

• многополюсные роторы с подшипниками качения;
• графитовые щётки;
• четырёхполюсный статор на основе постоянных магнитов.

Чтобы добиться высокой эффективности, в состав КД включили несколько основных компонентов. А именно:

• Коллектор. Фактически основообразующий элемент двигателя, вступающий в контакт с рабочими щётками. В итоге эти два компонента начинают распределять электроток по катушкам якорной обмотки;
• Статор. Выступает в качестве неподвижной составляющей двигателя;
• Якорь. Обязательный элемент коллекторных электромоторов. Внутри него индуцирует электродвижущая сила и проходит ток. Важно добавить, что якорем может выступать ротор и статор;
• Индуктор. Особая система возбуждения, входящая в состав электромотора коллекторного типа. Служит для создания магнитного потока для того, чтобы вовремя создавать крутящий момент. На индукторе обязательно присутствует возбуждающая обмотка или постоянные машины;
• Щёточки. Щётки входят в состав цепи, по которой следует электрическая энергия от поставщика к якорю. Щётки изготавливаются из высокопрочного графита. В зависимости от конкретного КД, моторчик оснащается 1 парой щёточек и более.

Вне зависимости от компоновки и входящих в состав элементов на основе тех или иных материалов, принцип работы у всех коллекторных типов двигателей остаётся одинаковым.

Принцип работы

Вам будет не сложно представить 2 магнита, у которых есть разные плюса. Попробуйте приставить их друг к другу одноимённым полюсом и посмотрите, что из этого получится. Вам не удастся соединить их, как бы ни старались. Но стоит соединить магниты разными полюсами, как создастся высокопрочное соединение. Именно этот эффект входит в основу работы и устройства коллекторных двигателей.

Схема электродвигателя коллекторного типа

Вы узнали про устройство КД. Теперь в процессе эксплуатации наверняка захочется узнать, как можно самостоятельно проверить коллекторный двигатель. Для этого следует разобраться в принципе его работы. Функционирует электромотор такого типа следующим образом:

• электрический ток поступает на якорные обмотки;
• в зависимости от того, сколько обмоток используется на моторе, ток поочерёдно поступает на каждую из них;
• тем самым создаётся электромагнитное поле;
• с одной стороны южный полюс, а с другой — северный;
• магнитное поле, появляющееся в обмотках, вступает во взаимодействие с полюсами магнитов статора моторчика;
• это позволяет привести в движение, то есть заставить вращаться якорь;
• ток, проходя через коллектор и щёточки, приходит на следующую обмотку;
• так происходит последовательно, в зависимости от числа якорных обмоток;
• переходя с обмотки на обмотку, вал мотора вместе с якорем начинают вращаться;
• вращение происходит до тех пор, пока есть источник напряжения.

В стандартных моторах коллекторного типа предусматривается использование трёхполюсного якоря. То есть он имеет 3 обмотки. Это позволяет двигателю не залипать в одном из положений.

Преимущества и недостатки

Нельзя отрицать тот факт, что коллекторные движки или же коллекторные электрические двигатели активно применяются в различных сферах и отраслях. В том числе они часто используются в автомобильном производстве.

Но для объективности нужно добавить, что КД используется не всегда и не везде, поскольку в конкретных ситуациях более эффективным и рациональным решением станет бесколлекторный электромотор.

Большой опыт в использовании КД позволяет выделить ряд сильных и слабых качеств эксплуатации такого типа электродвигателя.

Внутреннее строение коллекторного асинхронного двигателя

К основным достоинствам можно отнести следующие моменты:

• Сравнительно небольшой показатель параметров пускового тока. Это заметно проявляется в ситуациях, когда коллекторные моторы устанавливаются в различную бытовую технику;
• Такие электромоторы можно подключать напрямую к энергоносителю, то есть к сети. При этом исключается необходимость в использовании разного рода дополнительных и вспомогательных приспособлений;
• Высокие показатели быстроходности;
• Независимости от параметров сетевой частоты;
• При наличии схемы управления устройство становится проще.

Но не стоит делать поспешные выводы. Сначала нужно взглянуть на имеющиеся минусы коллекторного двигателя. А именно:

• Общие показатели коэффициента полезного действия снижены. Это обусловлено наличием индуктивности, а также потерь, необходимых для перемагничивания статора;
• Максимальные показатели крутящего момента далеки от совершенства;
• Сравнительно низкий уровень надёжности;
• Относительно небольшой срок службы.

Специалисты выделяют один ключевой недостаток, характеризующий коллекторные типы электромоторов. Никто не спорит, что в коллекторниках очень удобно регулировать обороты. Но если они высокие, сразу же проявляют себя щётки. Причём не с самой лучшей стороны. Щётки всё время находятся в состоянии плотного прилегания к самому коллектору электромотора. При высокой скорости работы начинает их быстрый износ. С течением времени происходит засорение, результатом чего становится появление искр.

Постепенный износ щёток двигателя и всего узла коллектора с щётками способствует снижению общих показателей эффективности работы КД. То есть коллекторно-щёточный узел смело можно считать главным недостатком конструкции. Потому производители всё чаще отказываются от коллекторников, выбирая вместо них бесщёточные аналоги.

Главным конкурентом коллекторного типа электродвигателя выступает бесколлекторный аналог. Он имеет отличный от КД принцип работы, а также характеризуется своими сильными и слабыми сторонами.

Бесколлекторный мотор

Теперь можно поговорить о том, чем же коллекторный двигатель в действительности отличается от рассматриваемого бесколлекторного аналога.

Внешний вид двигателя бесколлекторного типа

Очевидная разница просматривается при изучении принципа работы бесколлекторного двигателя (БКД). Хотя часто бесколлекторный и коллекторный двигатель сопоставляют друг с другом, воспринимая их как конкурентов, по сути это два разных мотора. Потому и отличия между ними обязательно присутствуют.

Фактически БКД работает наоборот.

• В конструкции не предусмотрено наличие щёток и самого коллектора, что становится очевидным уже исходя из самого названия;
• Если говорить о магнитах, то в случае с бесколлекторником они размещаются обязательно вокруг вала. При этом магниты выполняют роль или функции ротора;
• Обмотки с несколькими магнитными полюсами располагаются вокруг установленного ротора;
• На роторе присутствует датчик. Он же сенсор. Его задача заключается в контроле положения ротора и передаче полученной информации на процессор;
• Этот процессор работает параллельно с регулятором скорости, который отвечает за скорости вращения. Суммарно за 1 секунду обмен информацией происходит около 100 раз минимум.

Подобное устройство и принцип работы позволяет получить более плавный режим работы двигателя при его максимальной отдаче.

В случае с бесколлекторными электродвигателями они могут оснащаться датчиками или сенсорами, а также эксплуатироваться без них. Если датчика нет, это в определённой, но незначительной степени снизит эффективность работы всего электродвигателя.

Распознать БКД с сенсором и без него достаточно просто. Если у обычного двигателя присутствует 3 провода питания, то в моделях с датчиком дополнительно имеется шлейф, состоящий из тонких проводов. Он идёт от самого моторчика к регулятору скорости.

Преимущества и недостатки

Главный и неоспоримый плюс бесщёточных электромоторов заключается в практически полном отсутствии деталей, способных изнашиваться. Говорить о полном их отсутствии нельзя, поскольку роторный вал устанавливается на подшипники. Именно они всё же могут с течением времени износиться. Хотя даже у подшипников ресурс огромный. Плюс всегда можно быстро и без особого труда заменить подшипник в случае его износа.

Бесколлекторный бесщеточный электродвигатель в разборке

Такие особенности конструкции породили преимущества в виде надёжности, высокой эффективности и длительного срока службы. За счёт наличия датчика положения ротора улучшается его производительность и точность в процессе работы.

Вспомните недостаток коллекторных аналогов, где щётки искрятся и быстро изнашиваются, параллельно провоцируя помехи в процессе работы узла, механизма или машины, в которой установлен КД. В случае с бесколлекторными или бесщёточными моторами от такой проблемы удалось избавиться. Никаких искрений здесь не наблюдается.

Бесколлекторники не трутся, не перегреваются, что также справедливо относится к весомым достоинствам механизма. Дополнительное обслуживание в процессе даже очень активной эксплуатации тут не требуется.

Если же говорить про недостатки, то из существенного и всё равно условного можно выделить только один минус. Это более высокая стоимость. Минус условный по причине того, что при своей цене исключается необходимость в замене пружин, якоря, коллектора или щёток. Потому стоимость целиком и полностью себя оправдывает.

Далее уже можно сделать собственные субъективные выводы, отталкиваясь от приведённой выше информации.