Бесщеточный двигатель принцип работы

Как устроен бесщеточный двигатель

Работа бесщеточного электродвигателя основывается на электрических приводах, создающих магнитное вращающееся поле.

В настоящее время существует несколько типов устройств, имеющих различные характеристики.

С развитием технологий и использованием новых материалов, отличающихся высокой коэрцитивной силой и достаточным уровнем магнитного насыщения, стало возможным получение сильного магнитного поля и, как следствие, вентильных конструкций нового вида, в которых отсутствует обмотка на роторных элементах или стартере.

Обширное распространение переключателей полупроводникового типа с высокой мощностью и приемлемой стоимостью ускорило создание подобных конструкций, облегчило исполнение и избавило от множества сложностей с коммутацией.

Использование

Бесщеточный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами встречается в основном в устройствах с мощностью в пределах 5 кВт.

В более мощной аппаратуре их применение нерационально.

Магниты в двигателях данного типа отличаются особой чувствительностью к высоким температурам и сильным полям.

Двигатели активно используются в электрических мотоциклах, автомобильных приводах благодаря отсутствию трения в коллекторе.

Описание и принцип работы

Бесщеточный (бесколлекторный) двигатель постоянного тока очень похож на двигатель постоянного тока с постоянными магнитами, но не имеет щеток для замены или износа из-за искрения коммутатора.

Поэтому в роторе выделяется мало тепла, что увеличивает срок службы двигателей.

Конструкция бесщеточного двигателя устраняет необходимость в щетках благодаря более сложной схеме привода, в которой магнитное поле ротора является постоянным магнитом, который всегда синхронизирован с полем статора, что позволяет более точно контролировать скорость и крутящий момент.

Управление бесщеточными двигателями постоянного тока очень отличается от обычного щеточного двигателя постоянного тока тем, что этот тип двигателя включает в себя некоторые средства для определения углового положения роторов (или магнитных полюсов), необходимые для получения сигналов обратной связи, необходимых для управления переключением полупроводников. Появление процессорной техники и силовых транзисторов позволило конструкторам отказаться от узла механической коммутации и изменить роль ротора и статора в электромоторе постоянного тока.

Принцип работы БДКП

В бесколлекторном электродвигателе роль механического коммутатора выполняет электронный преобразователь. Это позволяет осуществить «вывернутая наизнанку» схема БДКП — его обмотки расположены на статоре, что исключает необходимость в коллекторе.

Иными словами, основное принципиальное различие между классическим двигателем и БДКП в том, что вместо стационарных магнитов и вращающихся катушек последний состоит из неподвижных обмоток и вращающихся магнитов. Несмотря на то что сама коммутация в нём происходит похожим образом, её физическая реализация в бесщёточных приводах гораздо более сложна.

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.

Преимущества 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.

Как работает бесщеточный электродвигатель. Почему его габариты меньше, а стоимость выше щеточных аналогов?

В электроинструмент давно устанавливают бесщеточные электродвигатели. Такие электродвигатели обладают рядом преимуществ перед коллекторными (перечислю ниже). Но есть один большой недостаток – высокая цена. С чем это все связано? Предлагаю разобраться.

Если вскрыть аккумуляторные шуруповерты с двух типов электродвигателей, то сразу увидим, что бесколлекторный при тех же характеристиках (или даже лучших) – имеет меньшие габариты:

Это понятно, т.к. в нем нет щеток – контактов, передающие напряжение на обмотку. Хотя это все тот же электродвигатель на постоянных магнитах, но магниты находятся на роторе (вращаются), а обмотки катушек неподвижны:

Существуют несколько разновидностей бесщеточных электродвигателей: с внутренней обмоткой и врешним ротором на постоянных магнитах (фотографии 1 и 2) и с внешней обмоткой и с внутренним ротором с магнитами (фотография 3). Так же они делятся на синхронные и асинхронные (с синхронизацией магнитных полей ротор-статор и с опережением магнитного поля на статоре).

В электродвигателе происходит переключение магнитного поля (питания катушек). По принципу притяжения разных полюсов магнита. В определенный момент нужная катушка должна притягиваться к противоположному полюсу постоянного магнита. В коллекторном переключение сделано конструктивно за счет скользящих контактов. А если в безщеточном нет скользящих контактов – как понять на какую катушку подать напряжение? И как происходит это переключение?

Для контроля положения ротора на катушках установлены датчики Холла:

Принцип работы датчика Холла:

Они дают сигнал на блок управления (контроллер) и тот подает напряжение на нужную обмотку статора. Выглядит при вращении это вот так:

Ротор догоняет магнитное поле статора. Пример платы управления электродвигателем:

Как устроен и работает бесщеточный электродвигатель доступным языком рассказывается в этом ролике:

Видно, что они выше в половину, а то и в два раза щеточных аналогов.

Понятно, что электронная часть сложна в изготовлении и имеет дополнительную цену в общей стоимости электродвигателя для какого-либо инструмента. Но и плюсов у такого электродвигателя – значительный список:

1. Т.к. коллекторный электродвигатель свыше 3000 об/мин снижает свою мощность и КПД, контакт в щетках нарушается, и появляется искрение. Бесщеточные двигатели лишены этих недостатков и имеют стабильное КПД до 90% на всех оборотах. Они механически более долговечные (ресурс зависит только от подшипников). Могут иметь более высокие обороты.

2. Бесщеточным двигателем легче производить регулировку (электронно) крутящего момента. Обычно на безщеточных шуруповертах установлен переключатель, отвечающий за это. За счет повышенного КПД, безщеточные электродвигатели экономят заряд АКБ инструмента, некоторые до 50% экономнее по сравнению с коллекторными.

Но если выйдет из строя электронная часть управления электродвигателем, то ремонт может быть сопоставим по стоимости с новым инструментом. У электроники всегда есть риск поломки. Короткие замыкания при попадании влаги или воздействие электростатики на датчики Холла и микросхемы – от этого никто не застрахован.

Не смотря на эти риски, за этими двигателями будущее. Т.к. их характеристики выше коллекторных. Возможно, когда-то промышленность начнет выпускать блоки управления в одном корпусе микросхемы с надежной защитой от замыканий и статического электричества.

Подписывайтесь на канал, добавляйте его в закладки браузера (Ctrl+D). Впереди много интересной информации.

Щёточный VS Бесщеточный двигатель: что лучше для Ваших нужд?

Щёточный VS Бесщеточный двигатель: что лучше для Ваших нужд?

Поначалу бесщеточный мотор может показаться маркетинговой уловкой, чтобы поднять цену инструмента, не добавляя ничего лишнего. Не информированный пользователь может задаться вопросом, платят ли они за что-то, что им мало поможет во время работы, и поскольку основной принцип, который позволяет работать обоим моторам, одинаков, некоторые могут подумать, что нет никакой разницы.

Как бесщеточные, так и щеточные двигатели используют постоянные магниты и электрические катушки для создания движения в инструментах. Хотя мы не будем углубляться в технические характеристики, мы дадим Вам достаточно информации, чтобы понять, почему один двигатель в большинстве случаев намного лучше, чем другой. После прочтения данной статьи Вы узнаете, когда выбирать каждый двигатель и почему.

Бесщеточный
Бесщеточные и нструмент являются новым типом инструмента. Они используют другую технику для превращения электроэнергии в механическое движение, которое не требует физического контакта между неподвижной и вращающейся частями. Первое большое преимущество заключается в том, что внутри двигателя гораздо меньше трения. Любой, кто работал с движущимися частями, может сказать Вам, что меньшее трение означает меньшую потерю тепла, что приводит к меньшему объему технического обслуживания.

Поскольку он не создает столько тепла, это более эффективный инструмент. Это означает, что Вы можете получить более длительное время автономной работы от батареи того же размера или такое же время автономной работы от меньшей и более легкой батареи.
В двигателе бесщеточного инструмента меньше физических частей, поэтому он будет немного легче и меньше, чем модель той же мощности, в которой используются щеточные двигатели.

Одним из больших преимуществ бесщеточных моторов является то, что они могут «ощущать», насколько усердно они работают, и снижать энергопотребление, если они способны поддерживать свою скорость на более низкой мощности. Это означает, что Вы сможете продлить срок службы батареи. И не волнуйтесь, он знает, как повысить мощность, когда это необходимо, и достаточно отзывчив, чтобы Вы не заметили изменений.

Минусы
Учитывая все эти положительные моменты, Вы можете подумать, что нет никаких оснований для того, чтобы не использовать бесщёточный двигатель. Мы в целом согласны с этими позициями, но это не значит, что бесщеточный мотор без изъянов.

Самая большая проблема с бесщеточными инструментами заключается в том, что они стоят больших денег. Отчасти это связано со сложностью технологии внутри, но большая часть увеличения цены связана с тем фактом, что это новейшие дрели на рынке, и производители могут брать больше за новейшие продукты.

С технической стороны, более высокая цена обусловлена необходимыми дополнительными деталями. Датчик, который знает, как включить или выключить питание в зависимости от сложности текущих задач, увеличивает цену. Вы не можете пропустить эту часть, потому что двигатель должен точно включать и выключать электрические катушки синхронно с магнитами и вращающейся частью инструментов. Они должны со временем дешеветь, хотя сейчас они все еще стоят дорого.

Хорошая новость заключается в том, что, несмотря на более высокие цены, бесщеточные инструменты, как правило, стоят дороже, из-за их превосходных характеристик.

Щеточные
Самое лучшее в щеточных инструментах заключается в том, что, несмотря на их повышенные потребности в обслуживании, их обычно легче обслуживать, когда они в этом нуждаются. Большинство проблем, которые у Вас возникнут с щеточным двигателем, можно исправить, заменив щетки, поскольку большинство проблем, которые у Вас возникнут, будут связаны с щётками, которые изношены после длительного использования.

Поскольку эта технология существует на рынке в течение длительного времени, Вы можете найти множество руководств, которые проведут Вас через процесс замены щетки. Если Вы не хотите делать это самостоятельно, то Ваш дружелюбный мастер по ремонту инструментов исправит данную проблему. Если сломается бесщеточный двигатель, Вам, вероятно, лучше заменить всю конструкцию, чем пытаться починить двигатель.

Другим большим плюсом является то, что они стоят дешевле, чем бесщеточные дрели. Если Вам нужна новая модель инструмента и Вы не можете заплатить максимальную цену за бесщеточную модель, то Вы не потеряете слишком много, вкладывая деньги в щеточный инструмент который стоит дешевле. Хотя у Вас не будет такой же эффективности, особенно в модели с батарейным питанием, Вы сможете получить из нее такую же максимальную мощность.

Минусы
К сожалению, щеточные инструменты не очень эффективны. Они всегда стараются работать на максимальных оборотах, пока Вы нажимаете на спусковой крючок, поэтому Вы не получите той же эффективности от инструментов, которая достигается с бесщёточным двигателем.

Однако гораздо более серьезная проблема заключается в том, что щёточные двигатели широко используют свои щетки. Щетки физически соприкасаются с токонесущими проводами. Это трение является источником большого количества тепла, которое способствует быстрому износу щеток. Проблема настолько серьезна, что некоторые производители включили дополнительные щетки с новыми инструментами, чтобы Вы могли заменить их дома.

Они также изнашиваются намного быстрее, если песок или пыль попадают в моторный отсек. Если у дрели нет хороших фильтров, мелкие частицы могут осесть на щетках, что приводит к их более быстрому износу. Это проблема, если Вы собираетесь сверлить в пыльных материалах или работать в помещениях с большим количеством древесной стружки.

По мере ускорения они также теряют крутящий момент, что звучит очень плохо, но повлияет только на небольшое количество пользователей, которые постоянно используют свой инструмент вблизи его верхнего предела, что является признаком того, что им следовало инвестировать в более мощный инструмент.

Заключение
Мы надеемся, что эта статья помогла Вам понять разницу между инструментами, в которых используется бесщеточный мотор, и инструментами, в которых используется щеточный мотор. Как видите, между ними есть существенные различия. Если Вы все еще не уверены, какой вид подходит Вам, важно подумать о том объеме работ, который Вы хотите проделывать.

Если Вы собираетесь работать с инструментом с питанием от батареи, тогда стоит приобрести бесщеточную версию. Двигатель в этих инструментах легче и эффективнее, что имеет огромное значение для аккумуляторных инструментов. Разница менее заметна при использовании проводного электроинструмента.

Если Ваш бюджет является Вашим главным ограничением, то Вам может быть лучше купить инструмент со щёточным двигателем. Конечно, Вам придется тратить больше времени, чтобы заменить щётки, но они, как правило, дешевы. Однако, если Вы хотите избавить себя от боли при частом техническом обслуживании, Вам понадобится бесщеточный мотор.

Принимая все это во внимание, Вы должны быть достаточно серьезным пользователем электроинструмента, чтобы оправдать бесщеточную версию, и, возможно, профессионалом, если, конечно, стоимость не является проблемой, и Вы хотите иметь лучший инструмент для работы!