Бесколлекторный двигатель устройство: особенности устройства, управление работой, применение

Содержание

Бесщеточные двигатели — Бесщеточные двигатели постоянного тока и их преимущества.

Любой специалист по механике должен понимать разницу между щеточными и бесщеточными двигателями постоянного тока. Щеточные двигатели когда-то были очень распространены. На самом деле, они все еще существуют в наши дни, хотя их в значительной степени заменяют их бесщеточные аналоги, правильный тип постоянного тока любого типа может сделать проект или домашний электроинструмент намного более эффективным. Что ж, давайте познакомимся с различными типами двигателей

1
🔰 Что такое двигатель постоянного тока?

2
🔰 Щеточные и бесщеточные двигатели: Почему дополнительные расходы?

3
🔰 Где используются щеточные и бесщеточные двигатели

4
🔰 Щеточный или бесщеточный?

Вот уже несколько лет мы наблюдаем, как бесщеточные двигатели начинают доминировать в производстве профессиональных инструментов для аккумуляторных инструментов. Это здорово, но что в этом такого? До тех пор, пока мы все еще могу управлять этим деревянным винтом, это действительно имеет значение? Ну, да, это так. Существенные различия и последствия существуют при работе с щеточными и бесщеточными двигателями.

Двигатель постоянного тока

🔰 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.

Щеточный двигатель

🔸 Щеточные Двигатели

Почищенные Щеткой Двигатели постоянного тока (часто называемые просто “щеточными двигателями”) являются одними из старейших электродвигателей и используют постоянный ток с механической коммутацией для выработки механической энергии.

Эти двигатели, как следует из их названия, используют щетки для подключения источника постоянного тока к роторному узлу, который является компонентом двигателя, содержащим якорь, коллекторные кольца и выходной вал. Статор или внешний корпус двигателя содержит поле постоянного магнита, создаваемое либо постоянным магнитом, либо какой-либо неподвижной катушкой электромагнита. Постоянное магнитное поле имеет полюса (магнитные пары север — юг), и их линии магнитного поля непрерывно проходят через весь узел ротора. Этот узел питается, когда щетки зажимают кольца коллектора, который направляет ток через якорь и его обмотки. Когда ток проходит через эти катушки, якорь становится собственным электромагнитом и взаимодействует с постоянными полюсами поля статора. Поскольку узел ротора может свободно вращаться, создаваемое якорем поле, следовательно, будет отталкивать поле статора, вызывая вращение вала. Это вращение пропорционально токам возбуждения якоря и статора, и изменение этих токов приведет к различным выходным характеристикам.

Бесщеточный двигатель

❌ Недостатки щеточных двигателей

🔴 Принцип работы бесщеточных двигателей такой же, как у двигателей со щетками (управление переключением с использованием обратной связи по положению внутреннего вала), но их общая конструкция отличается. Конструкция бесщеточных блоков снижает внутреннее сопротивление и помогает рассеивать тепло, выделяемое в катушках статора. Таким образом, эффективность повышается, поскольку тепло катушек может рассеиваться более эффективно благодаря гораздо большему корпусу стационарного двигателя.
🔴 Хотя щеточные двигатели недороги, надежны и имеют высокий крутящий момент или коэффициент инерции, они также имеют ряд недостатков.
Эти компоненты со временем изнашиваются, образуя пыль. Этот тип двигателя требует регулярного технического обслуживания для очистки или замены щеток.
Они также обладают низкой теплоотдачей из-за ограничений ротора, высокой инерции ротора, низкой максимальной скорости и электромагнитных помех (EMI) из-за образования дуги на щетках.
🔴 В отличие от щеточного двигателя, постоянный магнит на бесщеточном блоке установлен на роторе. Статор выполнен из рифленой прокатанной стали и содержит обмотки катушки. С другой стороны, щеточные устройства требуют небольшого количества внешних компонентов или вообще не требуют их, и поэтому хорошо работают в ограничительных условиях.

✔️ Плюсы щеточных двигателей

🟢 Щеточные двигатели также легко настраиваются. Вы можете изменить их, чтобы получить точную скорость, которую вы хотите, с помощью используемого напряжения.

🟢 По сравнению с бесщеточными двигателями, щеточный двигатель отлично подходит для начинающих, так как их цены значительно более доступны.

Бесщеточный двигатель в аккумуляторном инструменте

🔸 Бесщеточные двигатели

Бесщеточный двигатель использует постоянный магнит в качестве ротора. Он использует трехфазные приводные катушки и специализированный датчик, который отслеживает положение ротора. И когда датчик отслеживает положение ротора, он посылает опорные сигналы контроллеру. Контроллер, в свою очередь, активирует катушки упорядоченным образом – по одной фазе за раз. Главное отличие состоит в том, что здесь нет коммутатора и – что удивительно – нет щеток. Вместо этого бесщеточный двигатель имеет ротор, прикрепленный неодимовыми магнитами, и стальной корпус с обмотками и набором подшипников. Датчики встроены для изменения выходного сигнала – правильно установленный он будет поддерживать высокую точность и производительность нашего устройства.

❌ Недостатки бесщеточных двигателей
Как и во всех других устройствах, бесщеточные двигатели постоянного тока также имеют несколько недостатков по сравнению с другими двигателями. Поскольку бесщеточный двигатель постоянного тока во многих случаях превосходит щеточный двигатель постоянного тока, однако бесщеточный двигатель постоянного тока также имеет несколько недостатков, которые
обсуждаются ниже:

🔴 Стоимость бесщеточного двигателя постоянного тока сравнительно выше по сравнению с щеточным двигателем постоянного тока, а электронный контроллер также увеличивает стоимость общей настройки, так как в традиционном двигателе используется недорогая механическая коммутационная установка с использованием щеток.

🔴 Когда бесщеточный двигатель постоянного тока работает на низкой скорости, во время вращения на низкой скорости возникают небольшие вибрации. Однако вибрации уменьшаются на высокой скорости.

🔴 Короче говоря, бесщеточный двигатель постоянного тока имеет много преимуществ перед традиционными щеточными двигателями постоянного тока, такими как низкие затраты на техническое обслуживание и менее частые требования к техническому обслуживанию. Они также

✔️ Плюсы бесщеточных двигателей

🟢 Бесщеточные двигатели быстро не изнашиваются, и они прослужат долго, часто дольше, чем другие части радиоуправляемого автомобиля. У них нет щеток внутри, и именно поэтому они имеют гораздо больший срок службы. Кроме того, поскольку у них нет щеток, бесщеточный двигатель потребует меньшего обслуживания, будет иметь меньше проблем и в долгосрочной перспективе обойдется вам дешевле.

🟢 В бесщеточном двигателе нет щеток для чистки или замены, поэтому вам нужно только поддерживать подшипник, который нуждается в периодической смазке для контроля.

🟢 Бесщеточные двигатели часто могут работать в течение пяти-шести лет без каких-либо проблем! Это намного больше, чем вы могли бы ожидать от щеточного двигателя. Вес и размеры двигателя относительно меньше и легче
. Это не является бременем для вашего автомобиля, поэтому оно также может значительно повысить вашу скорость и управляемость.

🔰 Щеточные и бесщеточные двигатели: Почему дополнительные расходы?

Благодаря бесщеточной технологии ротор состоит из магнитов и статора катушек, которые попеременно заряжаются положительно или отрицательно.Таким образом, полюса притягиваются и отталкиваются, позволяя двигателю вращаться. Преимущество заключается в том, что между ротором и статором отсутствует физический контакт. Энергия передается от одного к другому через магнетизм между электромагнитами.

В обычном электродвигателе ротор (вращающаяся часть машины) приводится в движение внутри статора (неподвижная часть). Оба соединены электрическим соединением: коллектором или коллектором, который контактирует с небольшими угольными щетками.
Приводимый в действие постоянным током, двигатель работает с переменным током, вырабатываемым электронной картой, которая преобразует постоянный ток в трехфазную переменную частоту.

Таким образом, катушки подаются попеременно для создания вращающегося поля и, следовательно, вращения.
Электронный модуль, встроенный в двигатель или в корпус, непрерывно регулирует ток, чтобы двигатель работал с максимальной эффективностью.
Это повышает общую производительность и, таким образом, обеспечивает реальное соотношение цены и качества.

Товары из категорий🛠

🔰 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.

🔰 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.

💥 Вам понравилась эта запись в блоге? Почему бы не показать нам немного любви и не поделиться ею! Или прочитайте другие наши записи в блоге, которые полны интересной и информативной информации.

FAQ❓

🔘 Используется ли бесщеточный двигатель в аккумуляторной дрели?
Да, у этого типа дрели меньший вес

🔘 Бесщеточный двигатель чаще встречается в аккумуляторных инструментах?
В настоящее время они более распространены

🔘 Бесщеточный мотор дороже щеточного?
Да бесщеточный мотор дороже

Заключение🧾

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.

Принцип работы бесщеточного синхронного двигателя

Общие сведения, устройство, сфера применения

Одна из причин проявления интереса к БД — это возросшая потребность в высокооборотных микродвигателях, обладающих точным позиционированием. Внутренне устройство таких приводов продемонстрировано на рисунке 2.

Рис. 2. Устройство бесколлекторного двигателя

Как видите, конструкция представляет собой ротор (якорь) и статор, на первом имеется постоянный магнит (или несколько магнитов, расположенных в определенном порядке), а второй оборудован катушками (В) для создания магнитного поля.

Примечательно, что эти электромагнитные механизмы могут быть как с внутренним якорем (именно такой тип конструкции можно увидеть на рисунке 2), так и внешним (см. рис. 3).

Рис. 3. Конструкция с внешним якорем (outrunner)

Соответственно, каждая из конструкций имеет определенную сферу применения. Устройства с внутренним якорем обладают высокой скоростью вращения, поэтому используются в системах охлаждения, в качестве силовых установок дронов и т.д. Приводы с внешним ротором используются там, где требуется точное позиционирование и устойчивость к перегрузкам по моменту (робототехника, медицинское оборудование, станки ЧПУ и т.д.).

Бесколлекторный двигатель в компьютерном дисководе

Сферы применения бесщеточных двигателей

Вентильные двигатели постоянного тока, как правило, применяются для оборудования с мощностью не выше 5 кВт. Для оборудования мощнее использовать такие двигатели нецелесообразно. Постоянные магниты в бесщеточных моторах очень чувствительны к воздействию мощных полей и высоких температур, что нехарактерно для щеточных и индукционных аналогов.

Бесщеточные двигатели надежны и хорошо управляемы, поэтому они используются повсеместно, как для мелких механизмов, так и для крупных. Они применяются в автомобильных приводах, электрических мотоциклах, компьютерах, электроинструменте, бытовой технике. Двигатели очень востребованы в промышленности, авиационной технике. Благодаря отсутствию коллекторного узла такие двигатели можно использовать даже в опасных условиях, местах с повышенным уровнем влажности.

Принцип работы

В отличие от других приводов, например, асинхронной машины переменного тока, для работы БД необходим специальный контроллер, который включает обмотки таким образом, чтобы векторы магнитных полей якоря и статора были ортогональны друг к другу. То есть, по сути, устройство-драйвер регулирует вращающий момент, действующий на якорь БД. Наглядно этот процесс продемонстрирован на рисунке 4.

Фазы работы бесколлекторного привода

Как видим, для каждого перемещения якоря необходимо выполнять определенную коммутацию в обмотке статора двигателя бесколлекторного типа. Такой принцип работы не позволяет плавно управлять вращением, но дает возможность быстро набрать обороты.

Отличия коллекторного и бесколлекторного двигателя

Привод коллекторного типа отличается от БД как конструктивными особенностями (см. рис 5.), так и принципом работы.

Рис. 5. А – коллекторный двигатель, В – бесколлекторный

Рассмотрим конструктивные отличия. Из рисунка 5 видно, что ротор (1 на рис. 5) двигателя коллекторного типа, в отличие от бесколлекторного, имеет катушки, у которых простая схема намотки, а постоянные магниты (как правило, два) установлены на статоре (2 на рис. 5). Помимо этого на валу установлен коллектор, к которому подключаются щетки, подающие напряжение на обмотки якоря.

Кратко расскажем о принципе работы коллекторных машин. Когда на одну из катушек подается напряжение, происходит ее возбуждение, и образуется магнитное поле. Оно вступает во взаимодействие с постоянными магнитами, это заставляет проворачиваться якорь и размещенный на нем коллектор. В результате питание подается на другую обмотку и цикл повторяется.

Частота вращения якоря такой конструкции напрямую зависит от интенсивности магнитного поля, которое, в свою очередь, прямо пропорционально напряжению. То есть, чтобы увеличить или уменьшить обороты, достаточно повысить или снизить уровень питания. А для реверса необходимо переключить полярность. Такой способ управления не требует специального контролера, поскольку регулятор хода можно сделать на базе переменного резистора, а обычный переключатель будет работать как инвертор.

Конструктивные особенности двигателей бесколлекторного типа мы рассматривали в предыдущем разделе. Как вы помните, их подключение требует наличия специального контролера, без которого они просто не будут работать. По этой же причине эти двигатели не могут использоваться как генератор.

Стоит также отметить, что в некоторых приводах данного типа для более эффективного управления отслеживаются положения ротора при помощи датчиков Холла. Это существенно улучшает характеристики бесколлекторных двигателей, но приводит к удорожанию и так недешевой конструкции.

Бесщеточный двигатель

Самая важная «фишка» современного инструмента любого производителя – это бесщеточные двигатели. С них и начнем. На самом деле, «бесщеточных двигателей», в смысле «не имеющих щеток» довольно много: асинхронные двигатели переменного тока (к слову, одно из изобретений Теслы), шаговые, вентильные (ВД), вентильные реактивные (ВРД) и др. Но речь пойдет о вентильных двигателях.

По-английски «
Brushless Direct Current motor» или BLDC motor (дословно «бесщеточный двигатель постоянного тока»). Грамотное название двигателей данного типа на русском языке «вентильный двигатель«. Хоть и не совсем правильный, но распространенный и уже закрепившийся вариант это «бесщеточный двигатель» (придется использовать его), иногда употребляется «бесколлекторный двигатель».

Принцип работы бесщеточного двигателя (справа) в сравнении со стандартным коллекторным двигателем (слева).

По сути, это вывернутый наизнанку знакомый каждому двигатель постоянного тока. Магниты перемещаются на ротор, а обмотки — на статор. Щеточно-коллекторный узел, отвечающий за коммутацию обмоток, заменяется электроникой – на ротор устанавливается один или несколько датчиков, отслеживающих его положение (обычно датчики Холла), а контроллер на основе этих данных подает напряжение на нужную в данный момент обмотку, создавая перемену полей и вращение. Отсюда и название «вентильный» – управляемый вентилями (электронными ключами = транзисторами).

Вверху – бескорпусный коллекторный двигатель, применяемый в инструменте предыдущей версии M18. Внизу – бесщеточный двигатель PowerState, разработанный Milwaukee для инструмента M18 Fuel. В обоих используются мощные и дорогие неодимовые магниты (Nd2Fe14B).

Отсутствие коллекторно-щеточного узла (тот самый, который искрит, шумит, снижает КПД и нуждается в регулярном обслуживании и замене) дает следующие плюсы:

Срок службы двигателя в идеале ограничен только сроком службы подшипников.
Выше показатели КПД за счет отсутствия потерь на скользящем контакте щеток и коллектора, соответственно больше мощность и меньше потребление.
Меньше шумят, меньше греются, и практически не создают радиопомех.
Более простая и компактная конструкция двигателя (как минимум короче на толщину коллекторного узла).
Могут работать в агрессивных и взрывоопасных средах, при повышенной влажности.
Переносят большую нагрузку по моменту.
Широкий диапазон регулировки скорости вращения (при желании можно «превратить» буквально в шаговый двигатель).
Одинаково мощные при любом направлении вращения.

Сравнение габаритов бесщеточного (слева) и обычного коллекторного двигателя постоянного тока.

Но есть и недостатки:

Необходимо использовать дорогие мощные магниты, довольно сложную и дорогую управляющую электронику.
Значительное увеличение ресурса двигателя требует, чтобы и остальные механические и электронные компоненты (редуктор, подшипники, ключи и т. п.) прибора имели соответствующий ресурс.

Все это долгое время препятствовало широкому применению бесщеточных двигателей в электроинструменте. Да и сейчас инструмент с такими двигателями является скорее уделом «премиум класса».

Более подробную техническую информацию о бесщеточных двигателях можно почерпнуть, например, из этого ресурса.

Технология сама по себе не нова, благодаря своим свойствам BLDC двигатели десятилетия используются в компьютерной и бытовой электронике (вентиляторы, floppy, CD/DVD, HDD и др.), в промышленности, радиомоделировании, медицинском оборудовании, авиационной и космической технике, одним словом, везде, где важны их уникальные свойства.

Фото разобранного компьютерного вентилятора, в которых применяются бесщеточные двигатели.

Не так давно данный тип двигателя начал приходить и на рынок электроинструмента. Первый бесщеточный инструмент был выпущен компанией Makita в 2003 году для военной и аэрокосмической промышленности. В 2006 году Panasonic выпустила первый импульсный шуруповерт с бесщеточным двигателем (EY7540LN2S). Milwaukee первые в мире, кто выпустил бесщеточный 12В инструмент (в 2012 году).

Первый промышленный бесщеточный инструмент, выпущенный компанией Makita в 2003 году и шуруповерт Panasonic (справа).

За прошедшие 12 лет каждый уважающий себя (и своих клиентов) производитель уже имеет в линейке целые серии инструмента, оснащенного бесщеточными двигателями. Многие производители уже даже не упоминают, что использован именно этот тип двигателя или ограничиваются скромненькой пометкой в характеристиках.

Работа бесщеточного двигателя (BLDC) напрямую зависит от управляющей электроники и, соответственно, требует источника питания постоянного тока. Это главная причина, по которой практически весь бесщеточный инструмент – аккумуляторный. Есть и сетевой, например, у Hilti – они используют вентильный реактивный электродвигатель (SRM, близкий «родственник» шагового двигателя), так же управляемый электроникой с предварительным преобразованием переменного тока в постоянный.

Отбойный молоток Hilti TE 1000-AVR в разерезе, где видно безобмоточный ротор из магнитомягкого материала.

Как запустить бесколлекторный двигатель?

Чтобы заставить работать приводы данного типа, потребуется специальный контроллер (см. рис. 6). Без него запуск невозможен.

Рис. 6. Контроллеры бесколлекторных двигателей для моделизма

Собирать самому такое устройство нет смысла, дешевле и надежней будет приобрести готовый. Подобрать его можно по следующим характеристикам, свойственным драйверам шим каналов:

Максимально допустимая сила тока, эта характеристика приводится для штатного режима работы устройства. Довольно часто производители указывают такой параметр в названии модели (например, Phoenix-18). В некоторых случаях приводится значение для пикового режима, который контролер может поддерживать несколько секунд.
Максимальная величина штатного напряжения для продолжительной работы.
Сопротивление внутренних цепей контроллера.
Допустимое число оборотов, указывается в rpm. Сверх этого значения контроллер не позволит увеличить вращение (ограничение реализовано на программном уровне). Следует обратить внимание, что частота вращения всегда приводится для двухполюсных приводов. Если пар полюсов больше, следует разделить значение на их количество. Например, указано число 60000 rpm, следовательно, для 6-и магнитного двигателя частота вращения составит 60000/3=20000 prm.
Частота генерируемых импульсов, у большинства контролеров этот параметр лежит в пределах от 7 до 8 кГц, более дорогие модели позволяют перепрограммировать параметр, увеличив его до 16 или 32 кГц.

Обратим внимание, что первые три характеристики определяют мощность БД.

Трёхфазный бесколлекторный электродвигатель постоянного тока

Большинство БД выполняются в трехфазном исполнении. Для управления таким приводом в контролере имеется преобразователь постоянного напряжения в трехфазное импульсное (см. рис.7).

Рисунок 7. Диаграммы напряжений БД

Чтобы объяснить, как работает такой вентильный двигатель, следует вместе с рисунком 7 рассматривать рисунок 4, где поочередно изображены все этапы работы привода. Распишем их:

На катушки «А» подается положительный импульс, в то время как на «В» — отрицательный, в результате якорь сдвинется. Датчиками зафиксируется его движение и подастся сигнал для следующей коммутации.
Катушки «А» отключается, и положительный импульс идет на «С» («В» остается без изменения), далее подается сигнал на следующий набор импульсов.
На «С» — положительный, «А» — отрицательный.
Работает пара «В» и «А», на которые поступают положительный и отрицательный импульсы.
Положительный импульс повторно подается на «В», и отрицательный на «С».
Включаются катушки «А» (подается +) и повторяется отрицательный импульс на «С». Далее цикл повторяется.

В кажущейся простоте управления есть масса сложностей. Нужно не только отслеживать положение якоря, чтобы произвести следующую серию импульсов, а и управлять частотой вращения, регулируя ток в катушках. Помимо этого следует выбрать наиболее оптимальные параметры для разгона и торможения. Стоит также не забывать, что контроллер должен быть оснащен блоком, позволяющим управлять его работой. Внешний вид такого многофункционального устройства можно увидеть на рисунке 8.

Рис. 8. Многофункциональный контроллер управления бесколлекторным двигателем

Преимущества и недостатки

Электрический бесколлекторный двигатель имеет много достоинств, а именно:

Срок службы значительно дольше, чем у обычных коллекторных аналогов.
Высокий КПД.
Быстрый набор максимальной скорости вращения.
Он более мощный, чем КД.
Отсутствие искр при работе позволяет использовать привод в пожароопасных условиях.
Не требуется дополнительное охлаждение.
Простая эксплуатация.

Теперь рассмотрим минусы. Существенный недостаток, который ограничивает использование БД – их относительно высокая стоимость (с учетом цены драйвера). К числу неудобств следует отнести невозможность использования БД без драйвера, даже для краткосрочного включения, например, чтобы проверить работоспособность. Проблемный ремонт, особенно если требуется перемотка.

Достоинства и недостатки

Как водится, начнём с перечисления плюсов. Достоинства коллекторных электромоторов такие:

Простое устройство.
Высокая скорость до 10 000 об/мин.
Хороший крутящий момент даже на малых оборотах.
Невысокая стоимость.
Возможность регулировать скорость в широких пределах.
Невысокие пусковые токи и нагрузки.

Схема коллекторного двигателя

Неплохие качества, но есть и недостатки, причём они не менее серьёзные. Минусы коллекторных электродвигателей такие:

Высокий уровень шумов при работе. Особенно на высоких скоростях. Щетки трутся о коллектор, дополнительно создавая шумы.
Искрение щёток, их износ.
Необходимость частого обслуживания коллекторного узла.
Нестабильность показателей при изменении нагрузки.
Высокая частота отказов из-за наличия коллектора и щёток, малый срок службы этого узла.

В целом, коллекторный двигатель неплохой выбор, иначе его не ставили бы на бытовой технике. Справедливости ради стоит сказать, что при нормальном качестве исполнения, работают такие двигатели годами. Могут и 10-15 лет проработать без проблем.

Бесщеточные двигатели | Корпорация Nidec

Технические возможности Nidec

Бесщеточные двигатели постоянного тока

отличаются сниженным энергопотреблением, длительным сроком службы, низким уровнем шума, компактными размерами и малым весом.
Nidec является мировым лидером в разработке и производстве этих высокопроизводительных двигателей.

Щёточные электродвигатели постоянного тока обладают различными преимуществами, такими как высокая эффективность, возможность уменьшения габаритов, возможность работы от электроэнергии и низкие производственные затраты. Однако эти двигатели имеют ряд недостатков, таких как шум из-за трения щеток, образование искр и электрических помех, а также ограниченный срок службы из-за износа щеток. Разработка бесщеточного двигателя постоянного тока решила все эти проблемы.

В бесщеточном двигателе постоянного тока ротор, сделанный из постоянного магнита, приводится в движение магнитной силой цепи обмотки статора. В то время как щеточный двигатель постоянного тока использует щетку и коммутатор для переключения тока, бесщеточный двигатель постоянного тока использует датчик и электронную схему для переключения тока. Разработка этого двигателя стала возможной благодаря развитию технологий полупроводников и периферийных устройств. Этот двигатель имеет преимущества характеристик двигателей постоянного тока (ток и напряжение соответственно пропорциональны крутящему моменту и скорости вращения) и двигателей переменного тока (бесщеточная конструкция). Особенности бесщеточного двигателя постоянного тока включают компактный размер, высокую мощность, длительный срок службы и отсутствие искр и шума, и он используется в широком диапазоне приложений от ПК до бытовой техники.

Характеристики и классификация бесщеточных двигателей постоянного тока

Бесщеточный двигатель постоянного тока «вращает свой магнит».

Ротор, сделанный из магнита, вращается магнитными полями, которые создаются током, протекающим через обмотки статора. Ток переключается датчиком и электронной схемой.

Тип внешнего ротора (ротор снаружи статора)

Преимущества

Легко получить большой крутящий момент.
Скорость стабильна при постоянном вращении.

Недостатки

Ротор большой (движение медленное).
Внешний ротор требует соответствующих мер безопасности.

Тип внутреннего ротора (ротор находится внутри статора)

Преимущества

Ротор маленький и может быстро реагировать.
Змеевик расположен снаружи и уровень отвода тепла высокий.

Недостатки

Трудно получить большой крутящий момент.
Магниты могут быть повреждены центробежной силой.

Таблица сравнения типов двигателей

Бесщеточные двигатели постоянного тока

имеют много преимуществ (в частности, в области эффективности).

По сравнению с другими типами двигателей, бесщеточный двигатель постоянного тока имеет много преимуществ, таких как компактный размер, высокая мощность, низкий уровень вибрации, низкий уровень шума и длительный срок службы.

Двигатель переменного тока			Универсальный двигатель	Щеточные двигатели постоянного тока	Бесщеточный двигатель постоянного тока	Шаговый двигатель	Серводвигатель
Однофазный	Трехфазный (индукционный)	Трехфазный (синхронный)	Универсальный двигатель	Щеточные двигатели постоянного тока	Бесщеточный двигатель постоянного тока	Шаговый двигатель	Сервер переменного тока	Сервопривод постоянного тока
Тип питания	АС			AC/DC	DC	DC (включая драйвер)/драйвер	Драйверы	Драйверы	Драйверы
Эффективность	40-60%	60-70%	70-80%	50-60%	60-80%	80%-	60-70%	50-80%	60-80%
Размер (тот же выход)	Большой	Средний или большой		Большой	Маленький	Маленький	Промежуточный уровень	Маленький или средний	Маленький
Шум	Маленький			Большой	Большой	Маленький	Промежуточный уровень	Маленький	Большой
Диапазон скоростей	Узкий	Широкий		Промежуточный уровень	Широкий	Широкий	Широкий	Промежуточный уровень	Узкий
Ответ	Медленный			Медленный	Промежуточный уровень	Промежуточный уровень	Промежуточный уровень	Быстро
Срок службы	Длинный			Короткий	Короткий	Длинный	Длинный		Короткий
Цена	Низкий		Промежуточный уровень	Низкий	Низкий	Средний или высокий уровень	Промежуточный уровень	Высокий
Приложения	Стиральные машины Воздуходувки Пылесосы Насосы	Краны Конвейеры Кондиционеры Промышленное оборудование	Компрессоры Посудомоечные машины Стиральные машины	Пылесосы Электроинструменты Соковыжималки	Электрические игрушки Электрические инструменты Автомобильные электрические компоненты Мелкая бытовая техника	Кондиционеры Посудомоечные машины Стиральные машины Мелкая бытовая техника	Роботы Мелкая бытовая техника Оборудование для кондиционирования воздуха	Конвейеры Роботы Станки	Принтеры Плоттеры Рабочие машины
Решение	Ориентированная на стоимость	Универсальность		Ориентированная на стоимость	Ориентированная на стоимость	Эффективность Универсальность	Универсальность	Ориентирован на производительность

Компания Nidec имеет значительный опыт в области малых бесщеточных двигателей постоянного тока. Компании принадлежит 80 % мирового рынка шпиндельных двигателей жестких дисков, 60 % мирового рынка двигателей DVD и других оптических приводов и 40 % мирового рынка двигателей вентиляторов. Nidec работает в области малогабаритных прецизионных двигателей, в которой произошел самый быстрый переход на бесщеточные двигатели. Нам удалось наладить массовое производство бесколлекторных двигателей постоянного тока раньше, чем у наших конкурентов, и занять лидирующие позиции на рынке. Кроме того, мы удерживаем позицию № 1 в мире, постоянно внедряя новые технологии, такие как первое в отрасли применение FDB (гидродинамических подшипников), которые удовлетворяют потребности все более точных жестких дисков, а также собственное производство инструментов проектирования и моделирования.

Наиболее плодотворным рынком с точки зрения применения бесколлекторных двигателей постоянного тока становится рынок автомобильных двигателей. Как свидетельствует система гидроусилителя руля, уровень расхода топлива которой можно улучшить на 3-5%, если заменить гидравлическую систему на электрическую, эффект энергосбережения очень высок за счет использования систем электроснабжения. В различных местах все больше и больше гидравлических систем заменяются двигателями. В частности, бесщеточный двигатель постоянного тока играет ведущую роль в замене функций, где требуется управляемость, а также в местах, где часто используются детали и, следовательно, требуются детали с длительным сроком службы. Основная область применения после ГУР – компрессорные двигатели кондиционеров. Кроме того, тяговые двигатели для электромобилей (EV) являются перспективной областью для бесщеточных двигателей постоянного тока. Поскольку система работает от батареи с ограниченной мощностью, двигатель должен быть высокоэффективным и компактным, чтобы его можно было установить в ограниченном пространстве. Благодаря опыту, который мы накопили в области малых прецизионных двигателей, мы стремимся стать компанией № 1 в мире, работающей в области автомобильных двигателей.

Рынок автомобильных компонентов значительно расширяется как область применения бесщеточных двигателей постоянного тока.

Статьи и колонки, связанные с этим продуктом

Технологии и практические примеры　Технические возможности Nidec　Решения, основанные на бесколлекторных двигателях постоянного тока

Применение бесщеточных двигателей постоянного тока

: примеры, демонстрирующие их характеристики.

Двигатели постоянного тока

со щетками или без них используются в самых разных областях, отличаются высоким пусковым моментом и способностью вращаться с высокой скоростью. Бесщеточные двигатели постоянного тока работают тише, чем щеточные двигатели, имеют более длительный срок службы и меньшие требования к техническому обслуживанию.

На этой странице показано, где используются бесщеточные двигатели постоянного тока, и описано их применение в различных областях.

Особенности и преимущества бесщеточных двигателей постоянного тока

Начнем с простого объяснения того, что такое двигатели постоянного тока. Двигатели постоянного тока — это электродвигатели, работающие от постоянного тока. Особенности включают вращение на высокой скорости и способность обеспечивать высокий пусковой крутящий момент. Скорость и крутящий момент двигателя регулируются напряжением привода.

Двигатели постоянного тока можно в целом разделить на щеточные двигатели постоянного тока и бесщеточные двигатели постоянного тока, в зависимости от того, используют ли они щетки в качестве электрода. Более короткий срок службы щеточных двигателей постоянного тока объясняется тем, что они оснащены щетками и коллектором, которые являются расходными частями. С другой стороны, бесщеточные двигатели постоянного тока, как следует из их названия, не имеют щеток. Вместо этого они приводятся в действие путем включения и выключения транзистора в цепи привода на основе сигнала от магнитного датчика внутри двигателя.

Поскольку в бесщеточных двигателях постоянного тока не используются расходуемые щетки, а поток тока переключается электронным способом, они отличаются низкими эксплуатационными расходами и длительным сроком службы. Еще одна привлекательность заключается в том, что они работают тише, чем коллекторные двигатели.

Низкий уровень шума двигателя означает, что они часто используются для обеспечения более тихой работы бытовых электронных устройств и другого подобного оборудования.

Применение в бытовой технике и коммерческих электротехнических изделиях

Хотя в повседневной жизни мало возможностей увидеть бесколлекторные двигатели постоянного тока в действии, их часто можно найти в широко используемых бытовых приборах. Кондиционеры и холодильники являются двумя примерами. В таких устройствах используются вентиляторы для подачи охлажденного или теплого воздуха, а для привода этих вентиляторов используются бесщеточные двигатели постоянного тока.

Аналогичным образом двигатели все чаще используются в электрических вентиляторах. Лопасти бытовых вентиляторов вращаются с очень высокой скоростью и имеют тенденцию создавать шум двигателя. Поэтому бесщеточные двигатели постоянного тока широко используются в моделях, отличающихся бесшумной работой и тонкой регулировкой мощности вентилятора.

Двигатели также используются в коммерческих электротехнических изделиях. Примеры включают подачу бумаги в лазерные принтеры, управление пропеллерами и подвесом в дронах, поворот отверток или пил в электроинструментах. Другими словами, бесщеточные двигатели постоянного тока чрезвычайно универсальны.

Примеры использования бесщеточного двигателя постоянного тока

Больше, чем просто замена двигателя. Другие проблемы преодолеваются для достижения дальнейшего уменьшения размера.

Кухонное оборудование

Предложение запускает разработку нового продукта, преодолевая скрытые препятствия. Снижение затрат на разработку вместе с повышенной энергоэффективностью продукта.

Холодильные витрины

Применение в прецизионных устройствах

Бесщеточные двигатели постоянного тока широко используются в прецизионных устройствах. Основные примеры включают жесткие диски, используемые в ПК и DVD-плеерах, других ПК-дисках и рекордерах Blu-Ray. Вращение диска является жизненно важной функцией для этих устройств. В шпинделях, вращающих диски, используются бесщеточные двигатели постоянного тока.

Для большинства повседневных применений этого типа требуется длительный срок службы изделия. Благодаря длительному сроку службы и низким требованиям к техническому обслуживанию бесщеточные двигатели постоянного тока заняли важную нишу в секторе точных устройств.

Применение в автомобильной промышленности

Как уже отмечалось, использование бесщеточных двигателей постоянного тока в последние годы растет. Причем именно в автомобильной промышленности этот рост был наиболее выражен. В управлении автомобилем участвует широкий спектр электронных устройств. Среди основных приложений:

Электродвигатели рулевого управления с усилителем
Электродвигатели распределителя масла
Электродвигатели регулировки положения фар
Электродвигатели стояночного тормоза
Электродвигатели активного стабилизатора
Электродвигатели для автоматического открывания и закрывания люка
Электродвигатели дверных замков
Электродвигатели для открывания и закрывания дверей
Электродвигатели вентилятора охлаждения сиденья

Транспортные средства представляют опасность не только для водителя и пассажиров, но и для пешеходов и других участников дорожного движения. Благодаря длительному сроку службы и низким требованиям к техническому обслуживанию бесщеточные двигатели постоянного тока широко используются в приложениях, направленных на сведение этого риска к абсолютному минимуму. Между тем, тихая работа этих двигателей также помогает обеспечить более комфортное вождение.

Определение областей применения, в которых характеристики бесщеточного двигателя постоянного тока могут быть эффективно использованы

Поскольку в бесщеточных двигателях постоянного тока не используются щетки, они отличаются долгим сроком службы, простотой обслуживания и бесшумной работой. Воспользовавшись этими функциями, они используются во многих различных аспектах нашей жизни.

Они варьируются от электронных устройств, обычно используемых в качестве бытовых приборов, до электрических изделий для промышленного применения. Их использование в этих продуктах разнообразно. В последние годы они также все чаще используются в автомобильной промышленности, где предъявляются требования к комфорту и безопасности.