Коллекторный двигатель: конструкция, история развития, особенности

Коллекторные двигатели

Электродвигатели, используемые в детских игрушках, имеют небольшие габариты и малую мощность. Конструктивно коллекторный двигатель представляет собой два постоянных магнита, установленных на статоре, и ротор (якорь) с обмотками. Отметим, что на статоре могут быть и обмотки возбуждения, вместо постоянных магнитов.

К обмоткам подводится постоянное напряжение через ламели коллектора. Для подачи напряжения используются графитовые щетки. В двигателях малой мощности в качестве щеток применяются медные пластины.

Питаются коллекторные двигатели как от постоянного тока, так и от переменного. Для подключения питания они имеют два провода.

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.

Устройство и принцип действия

Коллектор в КДПТ служит узлом переключения тока в обмотках якоря. В бесколлекторном электродвигателе постоянного тока (БДПТ) эту роль выполняют не щетки с ламелями, а коммутатор она полупроводниковых ключах — транзисторах. Транзисторы переключают обмотки статора, создавая вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с полем магнитов ротора. А при протекании тока через проводник, который находится в магнитном поле, на него действует сила Ампера, за счет действия этой силы и образуется крутящий момент на валу электрических машин. На этом и основан принцип работы любого электродвигателя.

Теперь же разберемся в том, как устроен бесколлекторный двигатель. На статоре БДПТ обычно расположены 3 обмотки, по аналогии с электродвигателями переменного тока их часто называют трехфазными. Отчасти это верно: бесколлекторные двигатели работают от источника постоянного тока (чаще от аккумуляторов), но контроллер включает ток обмотках поочерёдно. Однако при этом не совсем верно говорить, что по обмоткам протекает переменный ток. Конечная форма питающего обмотки напряжения формируется прямоугольными импульсами управления транзисторами.

Трёхфазный бесколлекторный двигатель может быть трёхпроводными или четырёхпроводным, где четвертый провод — отвод от средней точки (если обмотки соединены по схеме звезды).

Обмотки или, говоря простым словами, катушки медного провода укладываются в зубы сердечника статора. В зависимости от конструкции и назначения привода на статоре может быть разное количество зубцов. Встречаются разные варианты распределения обмоток фаз по зубцам ротора, что иллюстрирует следующий рисунок.

Обмотки каждого из зубов в пределах одной фазы могут соединяться последовательно или параллельно, в зависимости от поставленных конструктору задач по мощности и моменту проектируемого привода, а сами же обмотки фаз соединяются между собой по схеме звезды или треугольника, подобно асинхронным или синхронным трёхфазными электродвигателям переменного тока.

В статоре могут устанавливаться датчики положения ротора. Часто используются датчики холла, они дают сигнал контроллеру, когда на них воздействует магнитное поле магнитов ротора. Это нужно для того чтобы контроллер «знал», в каком положении находится ротор и подавал питание на соответствующие обмотки. Это нужно для повышения эффективности и стабильности работы, а если кратко, — чтобы выжать из двигателя всю возможную мощность. Датчиков обычно устанавливается 3 штуки. Но наличие датчиков усложняет устройство бесколлекторного электродвигателя, к ним нужно проводить дополнительные провода для питания и линии данных.

В БДПТ для возбуждения используются постоянные магниты, установленные на роторе, а статор — это якорь. Напомним, что в коллекторных машинах наоборот (ротор — это якорь), а для возбуждения в КД используются как постоянные магниты, так и электромагниты (обмотки).

Магниты устанавливаются с чередованием полюсов, и соответственно их количество определяет количество пар полюсов. Но это не значит, что сколько магнитов, то столько же и пар полюсов. Несколько магнитов могут формировать один полюс. От числа полюсов, как в случае и с асинхронным двигателем (и другими) зависит число оборотов в минуту. То есть от одного контроллера на одинаковых настройках бесколлекторные двигатели с разным числом пар полюсов будут вращаться с разной скоростью.

Плюсы и минусы сравниваемых двигателей

Электродвигатели с коллектором применяются в детских игрушках, моделях автомобиля, судомоделировании и т.п. Более мощные устройства с обмоткой возбуждения применяются в автомобилестроении, бытовой технике, в токарном станке или сверлильном и т.д.

Широкое применение обусловлено:

• Невысокой ценой.
• Простотой управления. Для регулировки скорости достаточно иметь реостат, а для осуществления реверса — изменить полярность в цепи возбуждения или якоря.
• Можно подключать непосредственно к питающей сети.
• Скорости вращения ротора можно менять в широком диапазоне.
• Небольшие пусковые токи.

Но при простоте устройства коллекторные двигатели имеют недостатки:

• Невысокий КПД.
• Ограниченный срок службы.
• Необходимость в постоянном обслуживании.
• Невысокая надежность устройства.

При этом такие двигатели применяются не во всех отраслях промышленности. Их нельзя использовать во взрывоопасных помещениях. При эксплуатации на высоких скоростях быстро выходит из строя коллектор и щетки.

В результате происходит снижение мощности, а токоподводящие щетки начинают искрить. Такое конструктивное отличие приводит к быстрому выходу из строя ламелей коллектора, создаются помехи в радиоаппаратуре.

Щетки приходится менять, а коллектор протачивать, что сокращает срок службы двигателя. Это является основным недостатком таких устройств.

В бесколлекторных электродвигателях отсутствует коллектор. В этом состоит отличие бесеколлекторных двигателей от коллекторных, в связи с чем и отсутствуют указанные выше недостатки.

Достоинствами таких электрических машин являются:

• Отсутствие трущихся частей позволяет сократить потери мощности на трение. Не требуется постоянно следить за состоянием щеток, так как они отсутствуют. Это отличие позволяет увеличить межремонтный период.
• Возможность использования корпуса в качестве рабочего органа. Эта конструктивная разница позволяет применять механизмы непосредственно в качестве колес.
• Бесколлекторные электродвигатели, в отличие от коллекторных более долговечны. При этом они менее подвержены перегреву, т.к. отсутствует коллектор и щетки, которые в процессе работы сильно нагреваются.
• Мгновенно набирают обороты.
• Могут применяться во всех отраслях промышленности, в пожаро- и взрывоопасных помещениях. Из-за отсутствия коллектора не возникает искрения, чем они и лучше.

Но у данного типа двигателя имеется существенный недостаток: бесколлекторные модели можно использовать только с драйвером-коммутатором. С помощью этого устройства задаются режимы работы, скорость и направление вращения. При этом стоимость бесколлекторных двигателей значительно выше. Разница в стоимости может быть значительной. Это то, чем отличаются они от устройств с коллектором.

Малый вес и высокая мощность — это то, что лучше сочетается в приборах с дистанционным управлением, например, для квадрокоптера, где от веса и КПД зависит дальность и время полёта.

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.

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.

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.

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.

Принцип работы мотора

Он 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.

Как запустить бесколлекторный двигатель?

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

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.

Возможные варианты и специальные случаи

Выпускаемые сейчас бесколлекторные двигатели могут иметь самую разную конструкцию.

По исполнению статорной обмотки можно выделить двигатели с классической обмоткой, намотанной на стальной сердечник, и двигатели с полой цилиндрической обмоткой без стального сердечника. Классическая обмотка обладает значительно большей индуктивностью, чем полая цилиндрическая обмотка, и соответственно большей постоянной времени. Из-за этого с одной стороны, полая цилиндрическая обмотка допускает более динамичное изменение тока (а, следовательно, и момента), с другой стороны при работе от контроллера двигателя, использующего ШИМ-модуляцию невысокой частоты для сглаживания пульсаций тока, требуются фильтрующие дроссели большего номинала (а соответственно и большего размера). Кроме того, классическая обмотка, как правило, имеет заметно больший момент магнитной фиксации, а также меньший КПД, чем полая цилиндрическая обмотка.

Ещё одно отличие, по которому разделяются различные модели двигателей – это взаимное расположение ротора и статора – существуют двигатели с внутренним ротором и двигатели с внешним ротором. Двигатели с внутренним ротором, как правило, имеют более высокие скорости и меньший момент инерции ротора, чем модели с внешним ротором. Благодаря этому двигатели с внутренним ротором имеют более высокую динамику. Двигатели с внешним ротором часто имеют несколько больший номинальный момент при том же наружном диаметре двигателя.

Из истории

Первые мощные электрические двигатели, способные тянуть составы поездов, основывались на поступательном движении якоря, притягиваемого и толкаемого электромагнитом. Это моторы Кларка и Пейджа, появившиеся в 40-х годах XIX века. Роторные приводы с коллекторами, изобретённые раньше, не обретали должной популярности из-за малой мощности. К последнему типу относились двигатели:

• Якоби.
• Дэвенпорта.
• Ритчи.
• Дэвидсона.
• Фромента.

Начало конструкции коллекторных двигателей заложили Волластон, Фарадей, Ампер, Барлоу и Ритчи. Все последующее – повторение их идей в определённой степени. На момент 1850 года многими инженерами (Джоуль, Скорсби и пр.) вычислено, что электрическая энергия обходится до 25 раз дороже пара. Следовательно, конструкторы упёрлись в необходимость создать генератор, чего и достигли в скором времени (обратимость генераторов и двигателей предсказал Ленц в 1833 году).

Первые шаги

Коллекторные двигатели появились первыми. Все пошло от Майкла Фарадея, показавшего: если непрерывно подавать на провод электрический ток, удаётся заставить жилу вращаться вокруг магнита. Опыт проделан в 1821 году, о чем доложено Королевской академии. С оговоркой – Фарадей заявил, что идея не удалась. Учёный продолжал опыты и к ноябрю добился успеха. Параллельно опытом занимались прочие физики, слушавшие доклад, и тоже добились успеха.

Майкл Фарадей сегодня считается отцом коллекторных двигателей. Следом подобную машину собрал Барлоу.

Больше всего колесо Барлоу напоминает зубчатый диск пилорамы, подвешенный низко над столом. Нижний край его опущен в ёмкость с ртутью, в конец которого свешен провод с током. Это жидкий контакт, использованный и Майклом Фарадеем в 1821 году. С торцов нижнего края диска находится два полюса подковообразного постоянного магнита: южный и северный. Линии напряжённости диска направлены под углом, начинается вращение. Провод закорачивается через диск и станину на источник напряжения (вольтов столб).

Из сказанного видно, что принцип действия колеса Барлоу аналогичен использованному Майклом Фарадеем. Последний остановил свои исследования. Наставник Фарадея, много радевший о принятии Майкла в состав Королевского общества Англии, считал идеи подопечного плагиатом от установки Волластона, не работавшей по непонятной причине. Вместо ртути возможно налить подкрашенную воду (см. рис.), а ограничивает скорость вращения колеса – лампочка-индикатор. На целых 10 лет история создания коллекторного двигателя приостановилась.

Новая оригинальная идея принадлежит профессору Вильяму Ритчи. Он первым изобрёл двигатель с вращающимся валом, хотя российская литература отдаёт прерогативу Якоби. В журнале Philosophical Transactions от 20 марта 1833 года за номером 123 опубликована заметка, где указывалось несколько конструкций. Автор уверяет, что первый аппарат оказался собран ещё 9 месяцев назад (июнь 1832 года). Согласно рекомендации следует изготовить круглую подставку из древесины с жёлобом по внешнему периметру с налитой туда ртутью. Жёлоб по диаметру разделён на две равные части пологой перегородкой из древесины.

По центру подставки смонтирована тонкая ось, на которой вращается длинный брусок электромагнита. Полюса его питаются от двух проволок, окунаемых в ртуть. В момент прохождения импровизированными контактами перегородок происходит смена полюсов. Теперь, если над отключённой установкой подвесить подковообразный постоянный магнит, а источник питания замкнуть, ротор начинает вращаться!

Установка Ритчи считается первым в мире коллекторным двигателем. Правда, ртутный распределитель стоит на статоре, ныне он стал частью ротора. Смысл: особая конструкция позволяет сменить полярность электромагнита, что считается основной идеей конструкции любого коллекторного двигателя. Используя идеи Ампера, Ритчи сориентировал станину так, чтобы граница раздела канавки, заполненной ртутью, совпадала с географическим меридианом, и ротор стал вращаться в поле Земли!

Изобрёл профессор и прочие любопытные вещи, часть из которых связана с рассматриваемой темой. В то время (1834 год) доктор Эдмундсон из Балтиморы сконструировал подобие мельницы с коммутируемыми контактами. Здесь уже сдвоенный коллектор из крестовин стоял на окончаниях оси ротора, а единственный коммутируемый подковообразный электромагнит образовывал статор. Отключая и включая питание, крутящийся вал заставлял двигатель работать – притягивать одно окончание центрального креста. Последние два устройства составляют базис для конструирования рассматриваемого класса изделий.

Первый практичный коллекторный электродвигатель

Итак, теперь ясно, что Якоби не изобретал коллекторного двигателя. Но сумел приспособить и улучшить заимствованные идеи и через год собрать отличный двигатель, коллектор которого состоял уже из 4-х секций на каждом из 4-х токосъёмников. Заимствование идеи опознаётся по факту, что перегородки между контактными площадками сформированы по образцу.

Главная заслуга инженера – сумел выбить из царя 8000 рублей на развитие изобретения, обещая удивить Неву электрическими лодками на зависть Темзе и Тибру. Двигатели Якоби отличались большим количеством полюсов. Первый вариант состоял из четырёх электромагнитов на статоре и аналогичного количества на роторе. Для коммутации оси стояли четыре кольца, на каждом – по 4 проводящих сектора, разделённых участками древесины. Налицо повтор описанных конструкций.

Задумка не отличалась оригинальностью. Четыре магнита ротора и статора поочерёдно включались и выключались путём коммутации питающих контактов. Два кольца предназначались для управления подвижной частью и два – неподвижной. Полюсы делились на две пары, включаемые попеременно. Конструкция ротора и статора в этом плане идентична. Для обеспечения правильной временной коммутации кольца-съёмники пары смещены друг относительно друга на 45 градусов: пока работает первая, вторая бездействует.

Видео работающего двигателя выложено на Ютуб youtube.com/watch?v=kIPyyGyBZ60, а скрины красочны, благодаря Электротехническому институту ETI, подразделению Института технологий Карлсруэ KIT (eti.kit.edu) в целом и Мартину Доппельбауэру в частности. Конструкцию считают самым мощным коллекторным двигателем до прихода 40-х годов XIX века

Задокументировано, что 13 сентября 1838 года первая электрическая лодка длиной 28 футов прошла за 7 часов расстояние в 7,5 км и обратно по Неве со средней скоростью 2,5 км/ч. Двигатель мощностью 300 Вт питался от 320 пар медно-цинковых пластин суммарным весом 200 кг, размещённых по обоим бортам судна. Неизвестно доподлинно, остались ли довольны 14 пассажиров, и находился ли среди них Ленц, но массового распространения данный вид транспорта не получил по очевидным соображениям: слишком большой расход цинка.

Ситуация начала меняться после 1859 года, в котором Гастон Планте изобрёл свинцово-кислотные аккумуляторные батареи с восполняемым зарядом. Якоби несколько лет работал над собственным изобретением, но единственным ответом на усилия стало увеличение скорости судна в полтора раза (1839 год). Следующим годом Сибрандус Стратинг из Гронингена спустил на воду электрическую лодку, занимался и электромобилями.

В итоге, первый электрический флот появился на Темзе. Произошло это полвека спустя (1882 год). Флотилия началась с первого судна длиной 7,6 метров, названного громким словом Электричество. Неся на борту новые аккумуляторы и совершенные коллекторные двигатели, оно сумело развить скорость 13 км/ч и удерживать показатель в течение 6 часов. К 1888 году по Темзе ходил небольшой флот судов (6 штук), заряжаемых от электростанций, раскиданных по берегам реки. Ни одно из творений не сохранилось, но современный музей может похвастаться 16-метровой Мэри Гордон выпуска августа 1900 года.

Особенности универсального двигателя

Коэффициент полезного действия универсального двигателя при его работе от сети переменного тока более низкий, чем при его работе от сети постоянного тока. Другой недостаток универсального двигателя — тяжелые условия коммутации, вызывающие интенсивное искрение на коллекторе при включении двигателя в сеть переменного тока. Этот недостаток объясняется наличием трансформаторной связи между обмотками возбуждения и якоря, что ведет к наведению в коммутируемых секциях трансформаторной ЭДС, ухудшающей процесс коммутации в двигателе.

Наличие щеточно-коллекторного узла является причиной ряда недостатков универсальных коллекторных двигателей, особенно при их работе на переменном токе (искрение на коллекторе, радиопомехи, повышенный шум, невысокая надежность). Однако эти двигатели по сравнению с асинхронными и синхронными при частоте питающего напряжения f = 50 Гц позволяют получать частоту вращения до 10 000 об/мин и более (наибольшая синхронная частота вращения при f = 50 Гц равна 3000 об/мин) [3].

Виды БДПТ

Теперь давайте разберемся, какими бывают бесколлекторные двигатели на постоянных магнитах. Их классифицируют по форме противо-ЭДС, конструкции, а также по наличию датчиков положения ротора. Итак, два основных типа отличающихся формой противо-ЭДС, которая наводится в обмотках при вращении ротора:

• BLDC — в них трапецеидальная противо-ЭДС;
• PMSM — противо-ЭДС синусоидальная.

В идеальном случае для них нужны разные источники питания (контроллеры), но на практике они взаимозаменяемы. Но если использовать контроллер с прямоугольными или трапецеидальным выходным напряжением с PMSM-двигателем, то будут слышны характерные звуки, похожие на стук во время вращения.

А по конструкции бесколлекторные двигатели постоянного тока бывают:

• С внутренним ротором. Это более привычное представление электродвигателя, когда статор — это корпус, а вращается вал, расположенный в нём. Часто их называют английским словом «Inrunner». Такой вариант обычно применяют для высокооборотистых электродвигателей
• С внешним ротором. Здесь вращается внешняя часть двигателя с закреплённым на ней валом, в англоязычных источниках его называют «outrunner». Эту схему устройства используют, когда нужен высокий момент.

Выбирают конструкцию в зависимости от того для чего нужен бесколлекторный двигатель в конкретном применении.

Современная промышленность выпускает бесколлекторные двигатели как с датчиками положения ротора, так и без них. Дело в том, что существует множество способов управления БДПТ, для некоторых из них нужны датчики положения, другие определяют положения по ЭДС в обмотках, третьи и вовсе просто подают питание на нужные фазы и электродвигатель самостоятельно синхронизируется с таким питанием и входит в рабочий режим.

Основные характеристики бесколлекторных двигателей постоянного тока:

1. Режим работы — длительный или кратковременный.
2. Максимальное рабочее напряжение.
3. Максимальный рабочий ток.
4. Максимальная мощность.
5. Максимальные обороты, часто указывают не обороты, а KV — об/в, то есть количество оборотов на 1 вольт приложенного напряжения (без нагрузки на валу). Чтобы получить максимальные обороты — умножьте это число на максимальное напряжение.
6. Сопротивление обмотки (чем оно меньше, тем выше КПД), обычно составляет сотые и тысячные доли Ома.
7. Угол опережения фазы (timing) — время, через которое ток в обмотке достигнет своего максимума, это связано с её индуктивностью и законами коммутации (ток в индуктивности не может измениться мгновенно.

Управление бесколлекторным двигателем

Как уже указывалось выше, управление коммутацией обмоток привода осуществляется электроникой. Чтобы определить, когда производить переключения, драйвер отслеживает положение якоря при помощи датчиков Холла. Если привод не снабжен такими детекторами, то в расчет берется обратная ЭДС, которая возникает в неподключенных катушках статора. Контроллер, который, по сути, является аппаратно-программным комплексом, отслеживает эти изменения и задает порядок коммутации.

Отличия от других типов двигателей

Отличия от коллекторных ДПТ. Размещение обмотки на роторе позволило отказаться от щёток и коллектора и избавиться тем самым от подвижного электрического контакта, который значительно снижает надёжность ДПТ с постоянными магнитами. По этой же причине скорость у бесколлекторных двигателей, как правило, значительно выше, чем у ДПТ с постоянными магнитами. С одной стороны это позволяет увеличить удельную мощность бесколлекторного двигателя, с другой стороны не для всех применений такая высокая скорость является действительно необходимой

Отличия от синхронных двигателей с постоянными магнитами. Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе очень похожи на бесколлекторные ДПТ по конструкции, однако есть и ряд различий. Во-первых термин синхронный двигатель объединяет в себе много различных видов двигателей, часть из которых предназначены для непосредственной работы от стандартной сети переменного тока, другая часть (например синхронные серводвигатели) может работать только от преобразователей частоты (контроллеров двигателей). Бесколлекторные двигатели, хотя и имеют на статоре трёхфазную обмотку, не допускают непосредственную работу от сетевого напряжения, и обязательно требуют наличия соответствующего контроллера. Кроме того синхронные двигатели предполагают питание напряжением синусоидальной формы в то время как бесколлекторные двигатели допускают питание переменным напряжением ступенчатой формы (блочная коммутация) и даже предполагают его использование в номинальных режимах работы.

Области использования

Благодаря тому, что универсальный двигатель может иметь высокую скорость вращения при работе от однофазной сети переменного тока без использования дополнительных преобразовательных устройств, он получил широкое применение в таких домашних приборах как пылесосы, блендеры, фены и др. Так же универсальный электродвигатель широко используется в таких инструментах, как дрели и шуруповерты.

Благодаря тому, что скорость вращения универсального двигателя легко регулируется изменением величины питающего напряжения ранее он широко использовался в стиральных машинах. Сейчас благодаря развитию преобразовательной техники более широкое использование получают бесщеточные электродвигатели (СДПМ, АДКР) скорость вращения которых регулируется изменением частоты напряжения питания.

Основные параметры электродвигателя

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).

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

1. 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.
2. Катушки «А» отключается, и положительный импульс идет на «С» («В» остается без изменения), далее подается сигнал на следующий набор импульсов.
3. На «С» — положительный, «А» — отрицательный.
4. Работает пара «В» и «А», на которые поступают положительный и отрицательный импульсы.
5. Положительный импульс повторно подается на «В», и отрицательный на «С».
6. 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.

Схема подключения

Как было сказано выше, для работы бесколлекторного двигателя нужен специальный контроллер. На алиэкспресс можно найти как комплекты из двигателя и контроллера, так и по отдельности. Контроллер также называют ESC Motor или Electric Speed Controller. Выбирают их по силе тока, отдаваемого в нагрузку.

Обычно подключение электродвигателя к контроллеру не вызывает затруднений и понятно даже для чайников. Главное, что нужно знать — для смены направления вращения нужно изменить подключение любых двух фаз, собственно также, как и в трёхфазных асинхронных или синхронных электродвигателях.

В сети есть и ряд технических решений и схем как сложных, так и для чайников, которые вы можете увидеть ниже.

Какой тип двигателя выбрать?

Каждый тип двигателя имеет право на существование. Ведь для работы одного типа станка или прибора подойдет только коллекторный двигатель, а для работы другого – бесколлекторный. Вдобавок, не последнее место в выборе типа двигателя играет и мнение самого покупателя. Ведь механизм должен отвечать требованиям не только прибора, для которого он приобретается, но и требованиям его будущего владельца.

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.