Что такое щеточный двигатель
В чем разница между щеточными и бесщеточными двигателями?
Все чаще на просторах интернет-магазинов можно найти инструменты с двумя типами двигателей. Инструменты и садовая техника WORX также не отстают от современных трендов при производстве техники, так что на нашем сайте вы тоже можете найти специальную характеристику двигателя — щеточный или бесщеточный. Так что же это за характеристика, на что она влияет и в чем принципиальные отличия инструментов с тем или иным двигателем? Давайте разбираться.
Устройство и принцип действия щеточного двигателя
Щеточный двигатель по-другому еще называется коллекторным. Состоит двигатель из нескольких важных частей.
Ротор — по-другому, якорь. Как раз он вращается внутри и преобразует электрическую энергию в механическую. Якорь обмотан медной проволокой (обмоткой) с разных сторон ротора. За счет прохождения тока через проволоку создается магнитное поле, которое в свою очередь и создает вращение элемента.
На обмотке в бесщеточном двигателе установлен коммутатор, который используется для переключения с одной обмотки на другую, что позволяет менять направление вращения ротора. Этот коммутатор и есть коллектор, от которого взял свое название двигатель.
Чтобы напряжение передалось на обмотки, а ток прошел через коллектор в двигатель устанавливаются специальные щетки. Щетки обычно состоят из графита; они всегда контактируют с коммутатором и обеспечивают подачу энергии к катушкам с обмоткой. Есть две щетки, и каждая из них подключается к противоположному полюсу батареи. Это гарантирует, что при вращении ротора ток, протекающий к катушкам, постоянно меняет направление. Это приводит к необходимому изменению магнитного поля, которое позволяет ротору продолжать вращаться.
Все вышеописанные элементы установлены в статор. Статор — неподвижных элемент двигателя, в котором могут быть либо еще одна катушка с проволокой, либо постоянный магнит. За счет того или другого элемента и создается магнитное поле обратной полярности ротору, из-за чего тот вращается.
Коллекторные двигатели могут работать от переменного напряжения, так как при смене полярности ток в обмотках возбуждения и якоря также меняет направление, в результате чего вращательный момент не меняет своего направления.
Плюсы и минусы щеточного двигателя
Так мы с вами вкратце разобрались с устройством щеточного двигателя. Теперь в чем же его плюсы и минусы?
Плюсы
Минусы
Устройство и принцип действия бесщеточного двигателя
Теперь давайте разберем принцип работы бесщеточного двигателя. Как понятно из названия, его принципиальное отличие в отсутствии щеток. Но как же он тогда работает? Как нужная энергия поступает в двигатель?
В устройстве бесщеточного двигателя также присутствует ротор и статор — основные элементы любого мотора. Но при этом отсутствует коллектор, соответственно и двигатель по-другому называется бесколлекторным. Если у щеточного двигателя работа происходит за счет электро-механической смены полярности, то в бесщеточном двигателе все работает благодаря электромагнитной индукции. Также отличается местоположение обмотки — здесь она располагается на статоре, в отличие от предыдущего вида двигателя.
Вместо щеток и коллектора в бесщеточном двигателе установлены датчики Холла и контроллер, который контролирует подачу напряжения на катушки для создания индуктивности, а также положение ротора и скорость его вращения.
Когда плата подает на обмотку ток, создается тоже противоположное магнитное поле, и магниты на роторе начинают вращаться.
Еще одной особенностью бесщеточных двигателей нужно назвать их типы. Двигатели бывают двух типов — синхронный и асинхронный. В синхронном двигателе частота вращений ротора равна частоте вращений магнитного поля — то есть один оборот ротор совершает после одного полного прохождения тока через катушку. А в асинхронном двигателе обратная ситуация — частота вращений ротора меньше, чем частота вращения магнитного поля. То есть ток проходит через катушку быстрее.
Плюсы и минусы бесщеточного двигателя
Если с устройством бесщеточного двигателя мы разобрались, то теперь давайте рассмотрим положительные и отрицательные стороны инструментов с бесщеточными моторами.
Плюсы:
Минусы:
Но не бывает все настолько радужно. Даже у инструментов с бесщеточными двигателями есть и свои недостатки. Так сказать, ложка дегтя в бочке меда.
Итоги сравнения щеточного и бесщеточного двигателей
Если сравнивать инструменты с разными видами двигателей, то можно смело сказать, что техника с бесщеточным двигателем надежнее и мощнее. Но нужно учитывать тот факт, что ориентирована такая техника больше на профессиональные работы. В быту же и инструменты со щеточным двигателем отлично справятся со своими задачами. Потому перед покупкой инструмента заранее определите цели, для которых вы будете использовать инструменты.
В ассортименте компании WORX есть инструменты и со щеточными и с бесщеточными двигателями. Чтобы определить какой именно тип двигателя установлен в инструменте, обратите внимание на иллюстрацию в карточке товара — в бесщеточных моделях есть специальная пометка «BRUSHLESS MOTOR».
Чем отличается бесщеточный двигатель от щеточного
Бесщеточный двигатель vs щеточного двигателя
Уже несколько лет мы наблюдаем, как бесщеточный двигатель доминирует в индустрии передовых электродвигателей. Действительно ли имеет значение использовать бесщеточный мотор? Да, конечно. Между ними есть существенная разница.
Давайте посмотрим на основы двигателя постоянного тока. Двигатель постоянного тока — все о магнитах и электромагнетизме.
Противоположно заряженные магниты притягивают друг друга. Основная идея двигателя постоянного тока заключается в том, чтобы удерживать противоположный заряд вращающегося компонента, притянутого к неподвижным магнитам (статору) перед ним, чтобы он генерировал постоянное притяжение. Это движение тяги вперед вызвано физическим поведением электромагнетизма.
Принцип работы мотора
Принцип работы мотораОн основан на том принципе, что, когда токопроводящий проводник помещается в магнитное поле, он испытывает механическую силу, направление которой задается правилом левой руки Флеминга, а его величина определяется
силой, F = BI l ньютон
Где B — магнитное поле / м2.
I — ток в амперах, а
l — длина катушки в метрах.
Сила, ток и магнитное поле находятся в разных направлениях.
Различия в конструкции щеточного и безщеточного двигателя
Щетки внутри электродвигателей используются для подачи тока на обмотки двигателя через контакты коммутатора. Бесщеточный мотор не имеет токоведущих коммутаторов. Поле внутри бесщеточного двигателя переключается через усилитель, запускаемый коммутирующим устройством, таким как оптический датчик.
В щеточном двигателе постоянного тока используется конфигурация витых проволочных катушек, якоря, действующего как двухполюсный электромагнит. Направленность тока меняется дважды за цикл с помощью коммутатора, механического поворотного переключателя. Это облегчает протекание тока через якорь; таким образом, полюса электромагнита тянут и давят на постоянные магниты вдоль внешней стороны двигателя. Затем коммутатор меняет полярность электромагнита якоря, когда его полюса пересекают полюса постоянных магнитов.
В отличие от бесщеточного двигателя, в качестве внешнего ротора используется постоянный магнит. Кроме того, он использует три фазы катушек и специальный датчик, который отслеживает положение ротора. Когда датчик отслеживает положение ротора, он отправляет опорные сигналы на контроллер. Контроллер, в свою очередь, активирует катушки структурированным образом — одна фаза за другой.
Бесщеточный мотор преимущества и недостатки
Бесщеточный мотор гарантирует более длительный срок службы, поскольку на самом деле нет щетки, чтобы его изнашивать. Они могут работать более 1000 часов. Безщеточные моторы более энергоэффективны, чем щеточные.
Однако они изначально стоят дороже, чем щеточные моторы. Вам также необходимо коммутировать устройства, такие как кодировщики и контроллеры.
Щеточный двигатель сильно шумит, тогда как их бесщеточные аналоги менее шумные. Бесщеточный двигатель также предлагает более высокое отношение крутящего момента к весу. Что еще? Нет необходимости иметь дело с ионизирующими искрами от коммутатора и электромагнитными помехами.
Что такое бесщеточные шуруповерты? Их плюсы и минусы
Содержание
Содержание
Все чаще на электроинструменте можно встретить надпись «Brushless motor». Это значит, что девайс оснащен бесщеточным электродвигателем постоянного тока. Действительно ли от этого есть толк или это очередная уловка маркетологов? Давайте разбираться на примере шуруповертов.
Мы будем говорить о шуруповертах как о наиболее востребованном электроинструменте в арсенале домашнего мастера (кто крутил саморезы отверткой, тот поймет). Но тезисы материала безоговорочно распространяются на весь электроинструмент, оснащенный бесщеточными двигателями.
Конструкция и принцип действия
«Brushless motor» в буквальном переводе означает бесщеточный двигатель, в конструкции которого отсутствует коллектор и щеточный узел. Также можно встретить сокращение BLDC, которым именуют бесщеточный электродвигатель постоянного тока.
Классический коллекторный двигатель
Щеточный узел — это механическая контактная часть якоря электродвигателя. С помощью него через пластины коллектора подается напряжение на обмотку якоря. Электрический ток, протекая по проводнику, вызывает электромагнитное поле. Магнитное поле обмотки якоря, взаимодействуя с постоянным магнитным полем статорных обмоток, приводит к возникновению крутящего момента на валу электродвигателя и его вращению. Чтобы вращение вала сохранялось постоянно, напряжение на отдельные проводники якорной обмотки нужно подавать в определенной последовательности. Электрический ток должен протекать по рамкам якорной обмотки в нужный момент, а электромагнитное поле, наводимое в проводниках, взаимодействовало с постоянным магнитным полем обмоток статора. В двигателе постоянного тока эту функцию выполняет коллекторный узел на якоре электродвигателя.
В бесщеточном электродвигателе коллектор и щетки отсутствуют, но принцип взаимодействия постоянного магнитного поля якоря с электромагнитным полем обмоток статора остается неизменным. Только в BLDC моторе нужно подавать постоянное напряжение на обмотки статора в определенные интервалы времени, имитируя работу коллектора.
Как правило, в конструкции статора бесщеточного мотора используются три пары обмоток, и напряжение на них подается поочередно. При подаче напряжения на первую пару обмоток якорь с постоянными магнитами поворачивается, выравнивая свое положение в соответствии с направлением силовых линий возникшего магнитного поля. В этот момент напряжение с первой пары обмоток снимается и подается на вторую пару. Поскольку якорь электродвигателя обладает определенным моментом инерции, он не останавливается моментально, а продолжает свое вращение, и его магниты начинают взаимодействовать со следующим магнитным полем. Так продолжается до тех пор, пока на обмотки статора поочередно подается напряжение.
Это упрощенная схема работы Brushless мотора. На самом деле, для усиления крутящего момента и исключения «провалов» его полки, в работе постоянно находятся две пары обмоток. Одна из них притягивает постоянные магниты якоря в моменты, когда они находятся до средней линии полюса катушки, а вторая подталкивает, как только полюс катушки пройден центральной частью постоянного магнита якоря. На первую пару катушек подается напряжение прямой полярности, а на вторую — обратной.
Для определения, на какие пары катушек нужно подать напряжение и какой полярности, в системе установлен датчик положения ротора. Он состоит из трех датчиков Холла, дающих контроллеру сигнал о необходимости формирования напряжения на каждой из пар катушек статора.
На видео наглядно проиллюстрирована работа бесщеточного двигателя:
Плюсы и минусы бесщеточного шуруповерта
Производители пишут, что основная изюминка бесщеточного шуруповерта — не нужно менять щетки, которых нет. Это на самом деле так, но так ли сложно поменять щетки?
За этим «жирным» плюсом притаился довольно коварный минус. Дело в том, что более-менее нагруженный шуруповерт потребует замены щеток на второй, а то и третий год работы. Проводя их замену, бережливый владелец наверняка заглянет и в другие узлы инструмента. Обратит внимание на состояние подшипников, очистит внутренности от пыли, заложит порцию свежей смазки — в общем, проведет полное техобслуживание инструмента. В случае с бесколлекторным инструментом, о необходимости сервисного обслуживания можно просто забыть и вспомнить о нем, когда шуруповерт начнет конкретно барахлить.
Вот по-настоящему значимые преимущества бесщеточного инструмента:
Но бесщеточным инструментам присущи и некоторые недостатки:
Перспективы бесщеточных шуруповертов на рынке электроинструмента
Переход на бесщеточные инструменты неизбежен, поскольку они выгодны в первую очередь самим производителям ввиду унификации производственных процессов, уменьшению количества составных частей и улучшения технических характеристик выпускаемых моделей. Конечному пользователю такой переход абсолютно ничем не грозит. Шуруповерты как закручивали винты и саморезы, так и будут, исходя из своих технических возможностей.
Для профессиональной деятельности однозначно стоит смотреть в сторону бесщеточных моделей. Они экономичней, шустрее и надежней. Каждый рубль, вложенный в их покупку, окупится сторицей.
А вот домашнему мастеру стоит взвесить все «за» и «против», реально оценить возможную загруженность инструмента и свою готовность отдать больше денег за современные технологии.
О щеточном и бесщеточном моторах
Электромотор постоянного тока – это электрическое устройство, которое конвертирует электрическую энергию прямого тока в механическую. Практически все электрические моторы прямого тока имеют внутренний механизм, либо электромеханический, либо электрический, для периодического изменения направления потока тока.
Двигатели постоянного тока были первыми, которые начали широко использоваться в мире. Скорость электромоторов можно регулировать в большом диапазоне используя изменяемое напряжение либо изменяя силу тока на обмотках.
Щеточный электромотор
Щеточный электромотор генерирует крутящий момент напрямую от поданного питания на него, используя внутренний коммутатор, стационарные магниты (постоянные или электромагнитные), и вращающиеся электромагниты.
Преимущества щеточных моторов: низкая цена производства, высокая надежность, и легкое управление скоростью.
Недостатки щеточных моторов: высокие эксплуатационные расходы и малый срок службы при высокой интенсивности использования.
Обслуживание включает в себя регулярную замену графитовых щеток также, как и очистка либо замена коммутатора. Эти компоненты важны для передачи электроэнергии на обмотку ротора.
Бесщеточный электромотор
В типичном бесщеточном электромоторе ротор выполнен в виде постоянных магнитов, вращающихся вокруг статора с электромагнитами. Контроллер такого мотора конвертирует постоянный ток в переменный. Этот тип механически проще чем щеточный, потому как исключает сложность передачи электроэнергии к вращающемуся ротору мотора.
Контроллер мотора может отслеживать положение ротора с помощью датчиков эффекта Холла и может очень точно контролировать тайминги, фазы и т.д., током на обмотках ротора мож но оптимизировать крутящий момент, сохранять энергию, регулировать скорость и даже осуществлять некоторое торможение.
Преимущества бесщеточных моторов: большой срок службы, отсутствие необходимости обслуживания и высокая эффективность.
Недостатки бесщеточных моторов: высокая стоимость производства и более сложный контроллер скорости.
Сравнение щеточного и бесщеточного электромоторов
Щеточные электромоторы были изобретены в 19-ом столетии и очень распространены. А возможность производить бесщеточные моторы постоянного тока появилась только с изобретением полупроводников в 1960-х.
Про коммутатор
В щеточных моторах данный узел выполнен в виде поворотного переключателя на валу мотора, который называется коммутатор. Он состоит из вращающегося цилиндра, поделенного на n-ое количество сегментов (контактов) на роторе. Данные сегменты соединены с обмотками электромагнитов ротора. Два или больше (в основном два) стационарных контактов называются «щетки», сделанные из мягкого (по сравнению с коммутатором) проводника, осуществляют скользящий контакт с сегментами на коммутаторе. При каждом полуобороте коммутатор меняет направление тока на обмотках ротора, и таким образом магнитное поле создает крутящий момент только в одном направлении.
Основные недостатки коммутатора:
Бесщеточные электромоторы были созданы, чтобы исключить данные недостатки.
Бесщеточное решение
Разработка полупроводников в электронике в 70-х годах позволила убрать коммутатор и щетки в электромоторах постоянного тока. В бесщеточных электромоторах электрическая серво система заменяет механический коммутаторный узел. Электрические датчики определяют угол ротора и управляют полупроводниковыми переключателями такими как транзисторы, которые включают ток через обмотки, а также перенаправляют ток (в некоторых моторах просто отключают) в определенное время каждые 180 градусов. Таким образом электромагниты создают крутящий момент в одном направлении. Исключение скользящих контактов в электромоторах позволило избавиться от механически изнашиваемых узлов и прибавить в сроке службы. Срок службы таких моторов ограничен только сроком службы их подшипников.
Именно поэтому современные электроусилители руля используют бесщеточные электромоторы в своей конструкции.
Бесщеточные шуруповерты: чем они лучше обычных
Бесщеточные моторы известны с 1960-х годов, но только в 2004 году они «перекочевали» с промышленных двигателей на ручной электроинструмент (пионером стала компания Makita, наладившая выпуск таких дрелей для аэрокосмической отрасли). Еще пару лет спустя первые шуруповерты Festool с бесщеточными двигателями поступили в свободную продажу. А сейчас уже практически невозможно найти приличного производителя электроинструмента, у которого в каталоге продукции не было бы пары десятков устройств, оснащенных моторами, не имеющими щеток. Чем же они так хороши? В этой статье мы попробуем разобраться, в чем заключаются преимущества и недостатки бесщеточных двигателей, и есть ли смысл за них доплачивать.
Конструкция и принцип работы двигателя электроинструмента
Начнем с небольшого экскурса в школьный курс физики и вспомним принцип работы простейшего электромотора традиционной конструкции. Основными деталями классического коллекторного двигателя постоянного тока являются:
При включении двигателя ток через щетки поступает на коллектор, а оттуда — на обмотку якоря. При протекании тока через обмотку возникает магнитное поле. Взаимодействуя с постоянным магнитным полем, которое создает статор, ротор вращается за счет того, что одноименные полюса отталкиваются, а разноименные — притягиваются друг к другу. При вращении коллектора, который закреплен на одном валу с якорем, щетки «перескакивают» с одной контактной площадки на другую. При этом меняется направление тока в обмотках ротора, разноименные полюса становятся одноименными, они снова отталкиваются друг от друга — и вращение продолжается. Таким образом, коллектор — это один из самых важных узлов коллекторного (щеточного) двигателя, потому что он выполняет сразу две важные функции: преобразует постоянный ток в переменный и одновременно является датчиком поворота вала.
Двигатели данной конструкции относительно простые и дешевые. Но коллекторно-щеточный узел — это источник потенциальных проблем. Трение между деталями и постоянное замыкание-размыкание пластинчатых контактов приводят к быстрому износу щеток, искрению на контактах и чрезмерному нагреву двигателя.
Разница между бесщеточными двигателями и обычными моторами
Вентильные (бесщеточные, бесколлекторные) двигатели работают по тем же физическим принципам, но устроены иначе. Они являются словно бы «вывернутой наизнанку» версией коллекторных моторов: магниты установлены на роторе, а обмотка — на неподвижном статоре. Таким образом, можно просто припаять провода питания к обмотке и избавиться от щеток вместе со всеми их недостатками.
 |
| Устройство бесщеточного двигателя. |
Если у коллекторного двигателя переключение направления тока производится механически (при «перескакивании» щетки с одной контактной пластины на следующую), то в вентильном моторе этим занимается электроника. Получая сигналы от датчика (оптического, магнитного или основанного на эффекте Холла), который «считывает» угол поворота ротора, электроника своевременно переключает полюса, изменяя направление тока. То есть, комплекс из датчика и управляющей платы выполняет функции коллектора, но без механических и электрических потерь за счет отсутствия физического контакта между подвижной и неподвижной частями электромотора.
Преимущества бесщеточных двигателей в теории
Зная, как устроены оба вида электромоторов, и в чем заключается разница между коллекторными и бесщеточными двигателями, можно сделать выводы об их преимуществах и недостатках.
Преимущества бесщеточного инструмента на практике
Описанные выше теоретические преимущества на практике дают потрясающий результат. Шуруповерты с бесщеточными двигателями:
Наглядно о разнице между бесщеточными двигателями и обычными:
Почему бесщеточный инструмент такой дорогой
Так почему же бесщеточный шуруповерт стоит значительно дороже, чем аналогичные устройства с двигателями традиционной конструкции? Тому есть несколько веских причин. Высокая цена обусловлена наличием нескольких дорогостоящих деталей и элементов.
Совокупность перечисленных факторов и является той причиной, почему бесщеточный инструмент такой дорогой.
Но у столь сложной и высокотехнологичной конструкции есть и «побочный эффект». Бесщеточный инструмент дорогой не только в производстве, но и в ремонте. В случае повреждения или выхода из строя основные детали бесколлекторного двигателя (якорь и электронные платы) меняются только целыми узлами в сборе. Поэтому ремонт бесщеточного инструмента нередко «влетает в копеечку».
Стоит ли покупать инструмент с бесщеточным двигателем?
В заключение можно сделать вывод, что бесщеточный двигатель — это не маркетинговая уловка, а реальное преимущество. Но приобретение инструмента с таким мотором целесообразно не всегда.
А вот при выборе инструмента хобби-класса переплачивать за «новомодный» двигатель пока что нет смысла. При эпизодическом использовании и работе в неспешном темпе дома или на даче разница в характеристиках между бесщеточными шуруповертами и обычными будет далеко не столь заметна.