Большое количество людей увлекаются созданием электромоделей, где одним из основных элементов выступает электродвигатель. При этом сборка и эксплуатация таких устройств часто вызывает споры относительно того, какие именно моторы лучше использовать.
Ведь на выбор предлагаются коллекторные и бесколлекторные двигатели, у каждого из которых есть свои поклонники и противники. Чтобы попытаться определить лучший вариант, нужно изучить особенности, принцип работы, их сильные и слабые стороны. Это во многом поможет принять окончательное решение.
Электромоторчики входят в состав разного автомобильного оборудования, включая стеклоомыватели, стеклоподъёмники, вентиляторы охлаждения и отопления, дворники и пр. Но также широко применяются в других сферах и отраслях.
Двигатель коллекторного типа
Под понятие коллекторных двигателей попадают различные электромашины, где переключатель тока и роторный датчик по сути являются одним устройством. С его помощью обеспечивается качественное соединение цепей в неподвижном отсеке двигателя с рабочим ротором.
Внешний вид коллекторного двигателя
Конструкция включает в себя мощные щётки и непосредственно сам коллектор. Интересно и то, что коллекторный тип мотора обладает преимуществом в виде простоты ухода и эксплуатации, легко ремонтируется и долго служит.
Но есть и недостаток, проявляющийся в малом весе при большом КПД. Изначально это может показаться преимуществом.
Быстроходность вместе с малым весом вынуждают использовать дополнительно хороший редуктор, иначе нормально эксплуатировать моторчик не получится.
Если же машины подстроить под меньшие значения скорости, то моментально упадёт коэффициент полезного действия. Это, в свою очередь, негативно отразится на эффективности охлаждения.
Многих интересует, что же значит коллекторный двигатель. Фактически это электромашина переменного тока, способная с лёгкостью преобразовывать постоянный ток в механическую полезную энергию. При этом минимум одна обмотка соединяется с основным коллектором.
В зависимости от комплектации и входящих в состав моторчика компонентов, коллекторные двигатели (КД) могут применяться в игрушках, радиоуправляемых моделях и в автомобильных, выступая в качестве составляющего элемента системы охлаждения, вентиляции, стеклоочистителей, насосов омывателя ветрового стекла и пр.
Ведущим производителям удалось создать универсальные моторы коллекторного типа, которые способны функционировать на всех видах тока, то есть на переменном и постоянном. Они нашли широкое применение при создании электрических инструментов, бытовой техники, на ЖД транспорте. Их преимущество в небольшом весе и компактных размерах при достаточно адекватной цене.
Независимо от того, какая полярность у двигателя, этот электромотор будет всегда осуществлять вращения только в одном направлении, то есть в одну неизменную сторону. Это объясняется последовательным соединением роторным и статорных обмоток, что провоцирует одновременную смену полюсов. Потому момент всегда направлен в одну и ту же сторону.
Базовыми составляющими компонентами КД являются:
- Двухполюсный статор, имеющий в своей основе постоянные магниты. В конструкции используются изогнутые магниты соответствующей формы;
- Ротор трёхполюсного типа. Здесь также применяются специфические подшипники, обладающие эффектом скольжения;
- Пластины из меди. Они применяются в роли щёток для двигателя коллекторного типа.
Набор действительно минимальный, потому встречается в основном в наиболее бюджетных и простых версиях коллекторных электромоторов. В их числе моторчики детских игрушек, которые не нуждаются в повышенной мощности.
Если вы хотите получить более качественный КД, тогда в его состав добавляют:
- многополюсные роторы с подшипниками качения;
- графитовые щётки;
- четырёхполюсный статор на основе постоянных магнитов.
Чтобы добиться высокой эффективности, в состав КД включили несколько основных компонентов. А именно:
- Коллектор. Фактически основообразующий элемент двигателя, вступающий в контакт с рабочими щётками. В итоге эти два компонента начинают распределять электроток по катушкам якорной обмотки;
- Статор. Выступает в качестве неподвижной составляющей двигателя;
- Якорь. Обязательный элемент коллекторных электромоторов. Внутри него индуцирует электродвижущая сила и проходит ток. Важно добавить, что якорем может выступать ротор и статор;
- Индуктор. Особая система возбуждения, входящая в состав электромотора коллекторного типа. Служит для создания магнитного потока для того, чтобы вовремя создавать крутящий момент. На индукторе обязательно присутствует возбуждающая обмотка или постоянные машины;
- Щёточки. Щётки входят в состав цепи, по которой следует электрическая энергия от поставщика к якорю. Щётки изготавливаются из высокопрочного графита. В зависимости от конкретного КД, моторчик оснащается 1 парой щёточек и более.
Common Rail: что это такое, принцип функционирования
Вне зависимости от компоновки и входящих в состав элементов на основе тех или иных материалов, принцип работы у всех коллекторных типов двигателей остаётся одинаковым.
Принцип работы
Вам будет не сложно представить 2 магнита, у которых есть разные плюса. Попробуйте приставить их друг к другу одноимённым полюсом и посмотрите, что из этого получится. Вам не удастся соединить их, как бы ни старались. Но стоит соединить магниты разными полюсами, как создастся высокопрочное соединение. Именно этот эффект входит в основу работы и устройства коллекторных двигателей.
Схема электродвигателя коллекторного типа
Вы узнали про устройство КД. Теперь в процессе эксплуатации наверняка захочется узнать, как можно самостоятельно проверить коллекторный двигатель. Для этого следует разобраться в принципе его работы. Функционирует электромотор такого типа следующим образом:
- электрический ток поступает на якорные обмотки;
- в зависимости от того, сколько обмоток используется на моторе, ток поочерёдно поступает на каждую из них;
- тем самым создаётся электромагнитное поле;
- с одной стороны южный полюс, а с другой — северный;
- магнитное поле, появляющееся в обмотках, вступает во взаимодействие с полюсами магнитов статора моторчика;
- это позволяет привести в движение, то есть заставить вращаться якорь;
- ток, проходя через коллектор и щёточки, приходит на следующую обмотку;
- так происходит последовательно, в зависимости от числа якорных обмоток;
- переходя с обмотки на обмотку, вал мотора вместе с якорем начинают вращаться;
- вращение происходит до тех пор, пока есть источник напряжения.
В стандартных моторах коллекторного типа предусматривается использование трёхполюсного якоря. То есть он имеет 3 обмотки. Это позволяет двигателю не залипать в одном из положений.
Преимущества и недостатки
Нельзя отрицать тот факт, что коллекторные движки или же коллекторные электрические двигатели активно применяются в различных сферах и отраслях. В том числе они часто используются в автомобильном производстве.
Но для объективности нужно добавить, что КД используется не всегда и не везде, поскольку в конкретных ситуациях более эффективным и рациональным решением станет бесколлекторный электромотор.
Большой опыт в использовании КД позволяет выделить ряд сильных и слабых качеств эксплуатации такого типа электродвигателя.
Внутреннее строение коллекторного асинхронного двигателя
К основным достоинствам можно отнести следующие моменты:
- Сравнительно небольшой показатель параметров пускового тока. Это заметно проявляется в ситуациях, когда коллекторные моторы устанавливаются в различную бытовую технику;
- Такие электромоторы можно подключать напрямую к энергоносителю, то есть к сети. При этом исключается необходимость в использовании разного рода дополнительных и вспомогательных приспособлений;
- Высокие показатели быстроходности;
- Независимости от параметров сетевой частоты;
- При наличии схемы управления устройство становится проще.
Но не стоит делать поспешные выводы. Сначала нужно взглянуть на имеющиеся минусы коллекторного двигателя. А именно:
- Общие показатели коэффициента полезного действия снижены. Это обусловлено наличием индуктивности, а также потерь, необходимых для перемагничивания статора;
- Максимальные показатели крутящего момента далеки от совершенства;
- Сравнительно низкий уровень надёжности;
- Относительно небольшой срок службы.
Специалисты выделяют один ключевой недостаток, характеризующий коллекторные типы электромоторов. Никто не спорит, что в коллекторниках очень удобно регулировать обороты. Но если они высокие, сразу же проявляют себя щётки.
Причём не с самой лучшей стороны. Щётки всё время находятся в состоянии плотного прилегания к самому коллектору электромотора. При высокой скорости работы начинает их быстрый износ.
С течением времени происходит засорение, результатом чего становится появление искр.
Постепенный износ щёток двигателя и всего узла коллектора с щётками способствует снижению общих показателей эффективности работы КД. То есть коллекторно-щёточный узел смело можно считать главным недостатком конструкции. Потому производители всё чаще отказываются от коллекторников, выбирая вместо них бесщёточные аналоги.
Главным конкурентом коллекторного типа электродвигателя выступает бесколлекторный аналог. Он имеет отличный от КД принцип работы, а также характеризуется своими сильными и слабыми сторонами.
Бесколлекторный мотор
Теперь можно поговорить о том, чем же коллекторный двигатель в действительности отличается от рассматриваемого бесколлекторного аналога.
Внешний вид двигателя бесколлекторного типа
Очевидная разница просматривается при изучении принципа работы бесколлекторного двигателя (БКД). Хотя часто бесколлекторный и коллекторный двигатель сопоставляют друг с другом, воспринимая их как конкурентов, по сути это два разных мотора. Потому и отличия между ними обязательно присутствуют.
Фактически БКД работает наоборот.
- В конструкции не предусмотрено наличие щёток и самого коллектора, что становится очевидным уже исходя из самого названия;
- Если говорить о магнитах, то в случае с бесколлекторником они размещаются обязательно вокруг вала. При этом магниты выполняют роль или функции ротора;
- Обмотки с несколькими магнитными полюсами располагаются вокруг установленного ротора;
- На роторе присутствует датчик. Он же сенсор. Его задача заключается в контроле положения ротора и передаче полученной информации на процессор;
- Этот процессор работает параллельно с регулятором скорости, который отвечает за скорости вращения. Суммарно за 1 секунду обмен информацией происходит около 100 раз минимум.
Подобное устройство и принцип работы позволяет получить более плавный режим работы двигателя при его максимальной отдаче.
В случае с бесколлекторными электродвигателями они могут оснащаться датчиками или сенсорами, а также эксплуатироваться без них. Если датчика нет, это в определённой, но незначительной степени снизит эффективность работы всего электродвигателя.
Распознать БКД с сенсором и без него достаточно просто. Если у обычного двигателя присутствует 3 провода питания, то в моделях с датчиком дополнительно имеется шлейф, состоящий из тонких проводов. Он идёт от самого моторчика к регулятору скорости.
Преимущества и недостатки
Главный и неоспоримый плюс бесщёточных электромоторов заключается в практически полном отсутствии деталей, способных изнашиваться.
Говорить о полном их отсутствии нельзя, поскольку роторный вал устанавливается на подшипники. Именно они всё же могут с течением времени износиться. Хотя даже у подшипников ресурс огромный.
Плюс всегда можно быстро и без особого труда заменить подшипник в случае его износа.
Бесколлекторный бесщеточный электродвигатель в разборке
Такие особенности конструкции породили преимущества в виде надёжности, высокой эффективности и длительного срока службы. За счёт наличия датчика положения ротора улучшается его производительность и точность в процессе работы.
Вспомните недостаток коллекторных аналогов, где щётки искрятся и быстро изнашиваются, параллельно провоцируя помехи в процессе работы узла, механизма или машины, в которой установлен КД. В случае с бесколлекторными или бесщёточными моторами от такой проблемы удалось избавиться. Никаких искрений здесь не наблюдается.
Бесколлекторники не трутся, не перегреваются, что также справедливо относится к весомым достоинствам механизма. Дополнительное обслуживание в процессе даже очень активной эксплуатации тут не требуется.
Если же говорить про недостатки, то из существенного и всё равно условного можно выделить только один минус. Это более высокая стоимость. Минус условный по причине того, что при своей цене исключается необходимость в замене пружин, якоря, коллектора или щёток. Потому стоимость целиком и полностью себя оправдывает.
Далее уже можно сделать собственные субъективные выводы, отталкиваясь от приведённой выше информации.
В чем разница между коллекторными и бесколлекторными моторами?
Вступление
Наверняка у каждого новичка, который впервые связал свою жизнь с электромоделями на радиоуправлении, после тщательного изучения начинки, появляется вопрос. Что такое коллекторный (Brushed) и бесколлекторный (Brushless) двигатель? Какой из них лучше поставить на свою радиоуправляемую электромодель?
Коллекторные моторы, которые так часто используются для приведения в движение электромоделей на радиоуправлении, имеют всего два исходящих питающих провода. Один из них «+» другой « — ». В свою очередь они подключаются к регулятору скорости вращения.
Разобрав коллекторный мотор, вы всегда там найдете 2 магнита изогнутой формы, вал совместно с якорем, на который намотана медная нить (проволока), где по одну сторону вала стоит шестерня, а по другую сторону располагается коллектор, собранный из пластин, в составе которых чистая медь.
Принцип работы коллекторного мотора
- Электрический ток (DC или direct current), поступая на обмотки якоря (в зависимости от их количества на каждую по очереди) создает в них электромагнитное поле, которое с одной стороны имеет южный полюс, а с другой стороны северный.
- Многие знают, что, если взять два любых магнита и приставить их одноименными полюсами друг другу, то они не за что не сойдутся, а если приставить разноименными, то они прилипнут так, что не всегда возможно их разъединить.
Так вот, это электромагнитное поле, которое возникает в любой из обмоток якоря, взаимодействуя с каждым из полюсов магнитов статора, приводит в действие (вращение) сам якорь. Далее ток, через коллектор и щетки переходит к следующей обмотке и так последовательно, переходя от одной обмотки якоря к другой, вал электродвигателя совместно с якорем вращается, но лишь до тех пор, пока к нему подается напряжение.
В стандартном коллекторном моторе якорь имеет три полюса (три обмотки) – это сделано для того чтобы движок не «залипал» в одном положении.
Минусы коллекторных моторов
Сами по себе коллекторные моторы неплохо справляются со своей работой, но это лишь до того момента пока не возникает необходимость получить от них на выходе максимально высокие обороты. Все дело в тех самых щетках, о которых упоминалось выше.
Так как они всегда находятся в плотном контакте с коллектором, то в результате высоких оборотов в месте их соприкосновения возникает трение, которое в дальнейшем вызовет скорый износ обоих и в последствии приведёт к потере эффективной мощности эл. двигателя.
Это самый весомый минус таких моторов, который сводит на нет все его положительные качества.
Принцип работы бесколлекторного мотора
Здесь все наоборот, у моторов бесколлекторного типа отсутствуют как щетки так и коллектор. Магниты в них располагаются строго вокруг вала и выполняют функцию ротора. Обмотки, которые имеют уже несколько магнитных полюсов, размещаются вокруг него.
На роторе бесколлектоных моторов устанавливается так называемый сенсор (датчик) который будет контролировать его положение и передавать эту информацию процессору который работает в купе с регулятором скорости вращения (обмен данными о положении ротора происходит более 100 раз в секунду).
На выходе мы получаем более плавную работу самого мотора с максимальной отдачей.
Бесколлекторные моторы могут быть с датчиком (сенсором) и без него. Отсутствие датчика незначительно снижает эффективность работы мотора, поэтому их отсутствие вряд ли расстроит новичка, но зато, приятно удивит ценник. Отличить друг от друга их просто.
У моторов с датчиком, помимо 3-х толстых проводов питания есть еще дополнительный шлейф из тонких, которые идут к регулятору скорости. Не стоит гнаться за моторами с датчиком как новичку так и любителю, т.
к их потенциал оценит только профи, а остальные просто переплатят, причем значительно.
Плюсы бесколлекторных моторов
Почти нет изнашиваемых деталей. Почему «почти», потому что вал ротора устанавливается на подшипники, которые в свою очередь имеют свойство изнашиваться, но ресурс у них крайне велик, да и взаимозаменяемость их очень проста. Такие моторы очень надежны и эффективны. Устанавливается датчик контроля положения ротора.
На коллекторных моторах работа щеток всегда сопровождается искрением, что впоследствии вызывает помехи в работе радиоаппаратуры. Так вот у бесколлектоных, как вы уже поняли, эти проблемы исключены. Нет трения, нет перегрева, что так же является существенным преимуществом.
По сравнению с коллекторными моторами не требуют дополнительного обслуживания в процессе эксплуатации.
Минусы бесколлекторных моторов
У таких моторов минус только один, это цена. Но если посмотреть на это с другой стороны, и учесть тот факт что эксплуатация бесколлекторных моторов освобождает владельца сразу от таких заморочек как замена пружин, якоря, щеток, коллекторов, то вы с легкостью отдадите предпочтение в пользу последних.
Коллекторный и бесколлекторный двигатель: отличия, преимущества и недостатки использования
Электродвигателем называется узел, преобразующий электрическую энергию в механическую. Тип конструкции каждого мотора спроектирован с учетом потребностей того или иного оборудования.
Различные механизмы и автоматические системы прочно вошли в жизнь человека. Питаемые электроэнергией, приборы и агрегаты используют для работы один из типов главного узла, которым может быть коллекторный и бесколлекторный двигатель. Отличия этих устройств по большей части заключаются в конструкции и особенностях эксплуатации, проистекающие из этих особенностей сборки.
Определить, какой двигатель в конкретном случае будет лучше, можно путем изучения свойств прибора-потребителя. Также поможет прямое сравнение технических характеристик разных моделей двигателей.
Например, если нужно установить мотор в систему с низкой нагрузкой и высокой скоростью вращения, подойдет коллекторный двигатель в конфигурации для переменного тока. Это может быть питание радиоуправляемой модели или маломощный бытовой прибор.
Большинство современных систем используют преимущества бесколлекторного двигателя.
Устройство коллекторного мотора
В данных устройствах роторный датчик и переключатель тока представлены одним узлом. Выбирая, коллекторный или бесколлекторный двигатель ставить в прибор, стоит помнить, что через коллекторный узел обеспечивается более качественное соединение электрических цепей внутри мотора. Это основное, чем отличается коллекторный двигатель от бесколлекторного.
Эти электроприводы являются простыми в использовании и техническом обслуживании.
Однако у них есть особенность: при сравнительно низком весе они выдают большой КПД, что накладывает необходимость в использовании редуктора, так как уровень быстроходности мешает нормальной работе. Попытка снизить скорость вращения ротора приведет к потере производительности.
Кроме того, на малых оборотах этот мотор начнет перегреваться. Если это недопустимо, рекомендуется замена коллекторного двигателя на бесколлекторный для повышения эффективности работы агрегата.
Чтобы понять, чем отличаются коллекторные двигатели от бесколлекторных, зачастую достаточно обратить внимание на сферу использования.
Коллекторный мотор можно встретить повсюду, где применяются электроинструменты, бытовые приборы с большой скоростью вращения и бытовая техника.
Стабильно функционируя как на переменном, так и постоянном токе, коллекторный двигатель обеспечивает небольшой прирост массы агрегата и не занимает много места в корпусе.
Простейший двигатель коллекторного типа состоит из нескольких базовых компонентов:
- трехполюсный ротор, установленный в корпусе посредством подшипников скольжения особой конструкции;
- двухполюсный статор, относящийся к категории оснащенных постоянными магнитами. Эти элементы имеют изогнутую форму и соответствуют конфигурации статора;
- медные пластины играют роль щеток в компактных моделях коллекторных двигателей. Как правило, в большинстве разновидностей щетки выполняются из графита.
Эти три составные части являются основой концепции двигателя с минимальными мощностными характеристиками (обычно используются в детских игрушках). Более производительные вариации, такие как в электроинструменте, включают в себя:
- коллектор;
- якорь;
- индуктор;
- статор и ротор с увеличенным числом полюсов и пр.
Коллекторные и бесколлекторные двигатели могут иметь измененную конструкцию в зависимости от поставленных перед ними задач. При этом принцип их действия остается прежним; меняются только выходные характеристики. Определить, в чем разница между ними, можно путем изучения условий эксплуатации, а также свойств источника энергии и характера нагрузки.
Преимущества и недостатки
Несмотря на свою распространенность и универсальность, применение коллекторного двигателя обосновано не всегда. Иногда более рациональным выбором станет именно бесколлекторный узел запуска.
Выгодные стороны коллекторных моторов:
- пусковой ток может иметь малую силу и напряжение, что незаменимо в бытовой технике, которая не может создавать мощные импульсы;
- есть возможность подключения двигателя непосредственно к источнику энергии, в роли которого выступает общая сеть. При этом нет потребности в использовании частотного преобразователя и другой периферии;
- быстроходность;
- работа на постоянном или переменном токе;
- совместимость с различными схемами управления вращением.
Чаще всего коллекторный мотор кажется полностью универсальным, однако у него есть и недостатки:
- эти двигатели не отличаются надежностью из-за наличия компонентов, подверженных быстрому расходу своей прочности: например, постоянно прилегающие к коллектору щетки на высоких скоростях могут начать искрить и оставлять продукты износа;
- малая продолжительность работы между сеансами технического обслуживания;
- производительность всегда является сниженной в отличие от бесколлекторного двигателя. Это происходит из-за индукционных явлений в моторе и расхода энергии для перемагничивания обмоток статора;
- крутящий момент остается сравнительно низким даже в современных моделях, что бывает критично для работы электроинструментов.
Коллекторным двигателем удобно управлять, задавая обороты до 10 тысяч в минуту. Однако бесколлекторные разновидности также могут предложить ряд выгодных преимуществ.
Особенности конструкции бесколлекторных двигателей
Сравнение двух конкурирующих концепций позволяет заметить, что по своей сути коллекторная и бесколлекторная конструкции полностью друг от друга отличаются. Разница прослеживается уже при изучении внутреннего устройства:
- отсутствуют щетки и коллектор – главные детали в коллекторном двигателе;
- магниты расположены вокруг вала, взяв на себя функции и задачи ротора;
- оснащенная магнитными полюсами обмотка находится вокруг роторной системы;
- ротор оборудован датчиком положения вала, который связан с управляющим процессором.
Бесколлекторный двигатель имеет несколько периферийных электронных систем, облегчающих управление работой и контролем состояния. Центральным узлом является процессор, который работает параллельно с системой изменения скорости и обменивается с ним информацией примерно 100 раз за минуту. Эта связка позволяет обеспечить более плавную работу мотора с одновременным извлечением максимального КПД.
При этом наличие второстепенных электросетей не является обязательным. Бесколлекторный двигатель не потеряет работоспособности при отключении массива датчиков и управляющих систем. Однако выведение из строя периферии негативно отразится на общем уровне производительности.
Чтобы определить наличие датчика положения ротора, нужно обратить внимание на количество питающих проводов. В стандартной конструкции их должно быть три; если присутствует сенсор, к трем основным линиям добавится шлейф, собранный из тонкой проводки и идущий от двигателя к регулятору вращения.
Преимущества и недостатки
Отсутствие щеток позиционирует эти двигатели как практически неспособные изнашиваться. Подверженными износу точками остаются подшипники, однако их замена проводится достаточно редко, а при установке усиленной модели срок эксплуатации дополнительно увеличится. Наличие датчика положения вала повышает точность управления работой двигателя и его производительность.
Щеточный массив, используемый в коллекторных двигателях, генерирует большие объемы продуктов износа, что влияет на уровень создаваемых при работе помех, а также увеличивает степень искрения. Конструкция бесколлекторного мотора эффективно устраняет эти проблемы.
В процессе работы под нагрузкой бесколлекторный электродвигатель не создает повышенное трение деталей, отсутствует риск перегрузки узлов, что является весомым преимуществом. В конструкции нет легко изнашивающихся компонентов, что позволяет проводить техническое обслуживание не чаще, чем предписано производителем двигателя.
Единственный наблюдаемый недостаток – ощутимая стоимость бесколлекторного мотора. Однако стоит принимать во внимание отсутствие потребности в частой замене отдельных деталей, таких как коллектор, щетки, пружины либо якорь целиком. Поэтому данный недостаток является условным.
Сравнение типов двигателей
Оборудованные коллектором движущие агрегаты повсеместно применяются в изготовлении игрушек, а также автомобилестроении, производстве бытовой техники и электрического инструментария. Это обусловлено следующим:
- низкая стоимость;
- легкость управления вращением;
- адаптация к непосредственному подключению в сеть;
- широкий диапазон скоростей;
- запуск на малом импульсе.
Кажущаяся несложной эксплуатация характерна также рядом недочетов:
- общая ненадежность двигателя;
- потребность в частом техническом вмешательстве, в частности замене быстро изнашивающихся деталей;
- малый срок эксплуатации до полной замены двигателя;
- низкая производительность.
Выгодные стороны установки в агрегат бесколлекторного двигателя превосходят таковые у конкурента, оснащенного щетками:
- крайне быстрый разгон;
- применение в агрессивной среде ввиду отсутствия источника искр;
- значительно больший срок службы;
- корпус двигателя может быть рабочим органом;
- минимальные потери мощности.
Что касается недостатков бесколлекторного двигателя, здесь их всего два – высокая цена и необходимость применения второстепенных систем для подключения и управления, таких как драйверы-коммутаторы. Эти устройства меняют скорость, направление вращения и общий режим работы.
Чем отличается коллекторный двигатель от бесколлекторного?
Основное отличие коллекторного двигателя (то есть двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов) от бесколлекторного заключается в его конструкции.
У коллекторного — обмотка расположена на роторе, а на статоре установлены постоянные магниты.
У бесколлекторного — отсутствует коллектор, а трёхфазная обмотка расположена на статоре.
В практическом применении, однако большее значение имеют различия в параметрах и свойствах между этими типами двигателей, которые влечёт за собой такая разница конструкций.
Особенности конструкции
Наличие трёхфазной обмотки у бесколлекторного двигателя означает что для управления им обязательно требуется электроника — контроллер, независимо от сложности решаемых задач.
С его помощью можно формировать трёхфазную систему напряжений, необходимую для работы и делать это так чтобы двигатель вращался необходимым образом.
Без контроллера реализовать управление современными бесколлекторным микродвигателем практически невозможно.
Для коллекторного ситуация иная – он может работать от обычного источника постоянного напряжения, без использования управляющей электроники. Хотя такой подход позволяет решать лишь самые простые задачи управления движением, он тоже возможен.
Обязательное использование контроллера для управления бесколлекторным мотором не всегда является однозначным их недостатком по сравнению с коллекторными, ведь контроллеры предоставляют ряд сервисных функций, как например измерение и ограничение тока или возможность устанавливать заданное значение скорости или положения в удобном виде. Если же речь идёт о задачах, связанных с точным регулированием скорости, или о задачах, связанных с позиционированием, то контроллер нужно будет использовать и для коллекторного, и для бесколлекторного мотора.
Принцип работы бесколлекторного двигателя. Преимущества и недостатки
Для нормальной работы в большинстве случаев требуется датчик положения ротора. Управление бесколлекторным мотором без использования датчика положения ротора существует и применяется, но имеет ряд особенностей, которые не позволяют использовать его для решения многих задач. Самым распространённым типом датчиков положения ротора являются датчики Холла.
Чаще всего они устанавливаются при изготовлении двигателя и входят в его стоимость. Они позволяют производить коммутацию обмоток бесколлекторного мотора и могут быть использованы как датчик скорости для управления с обратной связью по скорости.
Датчики Холла дают возможность управлять бесколлекторным двигателем только при помощи блочной коммутации, которая приводит к заметным пульсациям момента, приводящим к увеличению акустического шума и неравномерному вращению на низкой скорости.
Синусоидальная коммутация, лишённая таких недостатков, требует более точной информации о положении чем могут обеспечить датчики Холла и соответственно установки дополнительного датчика положения.
Принцип работы коллекторного двигателя. Преимущества и недостатки
Как было сказано чуть выше, датчики Холла могут использоваться как источник информации о скорости. Коллекторные моторы по умолчанию не оснащаются подобными датчиками и для задач измерения и регулирования скорости обязательно нужно дополнительно устанавливать датчик скорости.
Но это не значит, что в любых задачах, связанных с поддержанием скорости, коллекторный двигатель имеет однозначное преимущество за счёт встроенного датчика. Дело в том, что датчики Холла имеют очень низкое разрешение – 12 импульсов на оборот на пару полюсов двигателя. Этого недостаточно чтобы давать стабильный сигнал обратной связи по скорости на низкой скорости вращения.
Даже для многополюсных бесколлекторных двигателей работа только с датчиками Холла в качестве датчика обратной связи в контуре скорости обычно не позволяет достигать скорости ниже нескольких сотен оборотов в минуту на валу двигателя.
Поэтому, когда речь идёт о задачах регулирования скорости с требованием работы в широком диапазоне скоростей, или о задачах позиционирования – оба типа двигателя требуют установки дополнительного датчика положения или скорости.
При работе коллекторного двигателя за счёт коммутации тока щётками и коллектором возникает достаточно сильные электромагнитные помехи.
Для двигателей с графитовыми щётками они сильнее, для двигателей со щётками из благородных металлов они слабее.
Для борьбы с ними необходимо устанавливать помехоподавляющие элементы на мотор, что требует дополнительного места и не всегда возможно по условиям эксплуатации. Бесколлекторный мотор не создаёт таких помех.
В чем еще отличие
Если попытаться сравнить параметры двигателей, то прежде всего нужно сказать о скорости вращения. Номинальная скорость коллекторного как правило не превышает 10-20 тысяч оборотов в минуту для двигателей самых маленьких из доступных размеров и не более 3- 5 тысяч оборотов в минуту для более крупных.
Скорости, на которые рассчитаны бесколлекторные двигатели лежат в более широком диапазоне – выпускаются как сверхскоростные модели на скорости выше 100 тысяч оборотов в минуту, так и тихоходные многополюсные двигатели с номинальными скоростями не более 1-2 тысячи оборотов в минуту.
Для коллекторных моторов ограничителем скорости выступает коллектор – линейная скорость перемещения щёток по коллектору ограничена.
Сравнивая номинальный момент, можно сказать, что он сильнее зависит от особенностей конструкции и компоновки двигателя, различающихся от серии к серии чем от того коллекторный это двигатель или бесколлекторный.
Так, например распространены бесколлекторные двигатели большого диаметра и с очень короткой осевой длиной, рассчитанные на низкие скорости вращения и большой момент.
И их различия по основным параметрам с бесколлекторными же двигателями цилиндрической компоновки (большая длина и маленький диаметр) не менее сильны чем между коллекторными и бесколлекторными двигателями одинаковой компоновки (например, цилиндрической).
Оба типа двигателей имеют свои характерные особенности, которые могут являться как преимуществами, так и недостатками в зависимости от требований того или иного приложения
Чем отличается коллекторный и бесколлекторный двигатель?
Задача электрического двигателя создать вращение, что приводит в движение радиоуправляемые модели.Часто одни и те же радиоуправляемые модели — автомодели, авиамодели, судомодели — сильно отличаются друг от друга по цене — почти в 2 раза.
Эти модели могут быть укомплектованы коллекторными и бесколлекторными двигателями и соответственными регуляторами. Нужно понять, какой двигатель выбрать.
Существует 2 основных типа электродвигателей, использующихся в радиоуправляемых моделях: коллекторные и бесколлекторные.
Коллекторные двигатели (brushed, щеточные) дешеле, но модели с такими двигателями развивают меньшую скорость и такие моторы менее надежны.
Определяющей особенностей коллекторных двигателей является наличие щеточно-коллекторного узла, который обеспечивает движение радиоуправляемой модели. Главным внешним отличием коллекторного двигателя от бесколлекторного является наличие у него двух проводов вместо трех. Коллекторный двигатель состоит из подвижной части — ротор и неподвижной — статор (корпус). Коллектор — набор контактов, расположены на роторе и щётки — скользящие контакты, расположены вне ротора и прижаты к коллектору. Ротор с обмотками вращается внутри статора. Щётки используются, чтобы передавать электрическую энергию на катушки вращающихся обмоток ротора. Обычные коллекторные электродвигатели, имеют всего два провода (положительный и отрицательный), которыми двигатель подключается к регулятору скорости.
Коллекторные двигатели, используемые в радиоуправляемых моделях, работают от постоянного тока. К примеру, подав на два провода двигателя соответствующее напряжение от источника постоянного тока, например, обычной батарейки или аккумулятора, приводим вал двигателя в движение.
Схема регулятора для коллекторного двигателя простая, что так же уменьшает стоимость такой комплектации. Ротор двигателя разгоняет магнитное поле, создаваемое на обмотках. Величина этого поля зависит от напряжения приложенного к обмоткам, чем большее магнитное поле будет создано, тем быстрее будет крутиться ротор.
На двигателе обычно указывается число оборотов обмотки двигателя, чем меньше число, тем выше скорость вращения вала двигателя. Среди преимуществ коллекторных двигателей радиоуправляемых моделей можно выделить: малые размеры, вес, а также относительно низкая стоимость.
Поэтому такой тип двигателя наиболее часто применяется в бюджетных комплектациях моделей или в моделях начального уровня. Если говорить о надежности коллекторного двигателя, то он сильно уступает бесколлекторному. При всей их простоте, у них один огромный недостаток — ограниченный ресурс.
Наличие щеточно-коллекторного узла подразумевает механическую систему подвижных контактов, то есть механическая работа щеточек и коллектора может привести к искрению при перегреве и быстрый износ при неблагоприятных условиях эксплуатации (влага, грязь, пыль).
В процессе работы коллекторных двигателей происходит постепенный износ графитовых щеток и металла коллектора, по которым щетки скользят и рано или поздно они выходят из строя. Перед началом эксплуатации модели, двигатель желательно обкатать при пониженной нагрузке для того, чтобы щетки правильно притерлись к коллектору.
При агрессивной (может быть 2 заезда) или длительной эксплуатации модели замена коллекторного моторчика – это частое и обыденное явление.
Бесколлекторные двигатели (brushless, бесщёточные) – дороже, но способны развить большую скорость, а также более износостойкие. Модель, оборудованная современной бесколлекторной системой, ездит и быстрее, и дольше.
Высокая эффективность (коэффициент полезного действия) и износостойкость достигается благодаря отсутствию щеточно-коллекторного узла. Бесколлекторные моторы являются более мощными, чем коллекторные моторы того же размера. Главным внешним отличием бесколлекторного мотора от коллекторного является наличие у него трёх проводов вместо двух. У бесколлекторного двигателя подвижной частью является как раз статор (корпус) с постоянными магнитами, а неподвижной частью — ротор с трехфазной обмоткой. Переключение обмоток происходит за счет относительно сложной электронной схемы — регулятора. Бесколлекторный двигатель приводится во вращение трёхфазным переменным током, поэтому для их работы необходим специальный контроллер скорости (регулятор), преобразующий постоянный ток от аккумулятора в переменный. Как бесколлекторный двигатель, так и регулятор для бесколлекторного двигателя имеет более сложную конструкцию, в силу чего, стоимость возрастает. Двигатели, используемые в моделях, имеют закрытый корпус, что делает их устойчивыми к влаге, пыли, грязи. Можно сказать, что бесколлекторные моторы практически не изнашиваются. Изнашиваться могут только подшипники. Единственная возможность разбить мотор — в столкновении. Еще можно сжечь контроллер — как и любой регулятор, но при наличии в контроллере защиты по току он тоже прослужит долго.
Значения характеристик двигателя для радиоуправляемых моделей
.
Помимо деления на коллекторные и бесколлекторные, двигатели делятся по следующим значимым характеристикам: мощности, КV, напряжению, максимальному току.
По размерам. Для коллекторного двигателя — эта характеристика называется класс, где цифрой, к примеру, 280, 300,400, 480, 500, 600, 650, 700, 720, 820, 900, обозначается длина корпуса двигателя. Существует набор классов.
Пример: класс двигателя определяется его длиной — если мы говорим о двигателе 400-го класса, то речь идет о моторе с длиной корпуса 400мм.
У Бесколлектоных двигателей важной характеристикой яляется его размер — длина и ширина. Различия в размерах дает представление о мощности бесколлекторного электромотора. Чем больше размер — тем выше мощность.
Пример: Двигатель 4274 означает: диаметр — 42 мм,
длина — 74 мм.
Например, двигатель с такими размерами один из самых мощных, он подойдет на автомодель масштаба 1:8.
Мощность двигателя (power, watt) — определяет работу, которую двигатель может выполнить в единицу времени. Самая важная характеристика мотора. Зная мощность, можно определить максимальную нагрузку которую может выдержать двигатель по формуле.
Мощность (Ватт) = Напряжение питания (Вольт) * Сила тока (Ампер). Зная мощность можно подобрать аккумулятор и регулятор по максимальной силе тока, получаемой из формулы.
Обороты, об/В (KV, RPM) — обороты на вольт.
Важный параметр указывает скорость вращения вала двигателя. Обороты в минуту определяются количеством вращений в минуту, проще говоря как быстро вращается мотор. Скорость вращения ротора, измеряется в KV.
Так принято обозначать коэффициент отношения частоты вращения оборотов мотора (об/мин) к напряжению питания мотора (В). Грубо говоря kV показывает насколько быстро будут вращаться разные моторы при одинаковом напряжении. Максимальные обороты = KV * Напряжение питания двигателя.
Например: мотор мощностью 980 KV, на который подаются 11.1V от батарейки будет вращаться при 980 x 11.1 = 10878 оборотах в минуту без нагрузки.
Показания тока могут представлять максимальный непрерывный ток и предельные значения тока, который может подаваться на двигатель. Выбирая аккумулятор и регулятор, выбирайте те, на которых указаны значения максимального непрерывного тока равного и больше, чем значения тока на моторе.
Для разных моделей, разных используемых шестеренок и пропеллеров требуемый kV мотора подбирается и вычисляется индивидуально. По этому параметру можно подобрать применение мотора, аккумулятор и пропеллер. Так моторы с KV больше 2000, как правило, применяют на вертолетах либо на скоростных моделях.
Мотор с высоким KV можно использовать с батарей из меньшего количества банок и он более эффективен с пропеллером с меньшим шагом. Моторы этого класса чаще используют на летающих крыльях.
Моторы с меньшим KV позволяют ставить аккумуляторы с большим количеством банок, таким образом несколько набирая вес, но увеличивая продолжительность полета — не за счет емкости, а за счет снижения максимальных токов при той же работе выполняемой мотором. Чем выше KV моторов, тем компактнее должны быть винты.
Винты небольшого размера обеспечивают более высокую скорость, но снижают эффективность. Конфигурацию с винтами большого размера и, соответственно, моторы с более низким значением KV проще заставить стабильно летать, она расходует меньше энергии, позволяет поднять большую массу. KV — значимая характеристика для бесколлекторных моторов.
У коллекторных моторов обычно на KV не смотрят. Если моделист принял решение заменить коллекторный мотор, то обычно меняет на точно такой же.
- Напряжение питания, В (cell count, volts)
- Максимальная нагрузка, А (max load, peak current, max amps, surge current)
- Рабочая нагрузка, А (current load, continuous current)
- Максимальная эффективность, % (max efficiency)
Напряжение, к которому приспособлен двигатель.
Определяет количество банок аккумулятора, которое можно использовать с мотоустановкой. При превышении резко уменьшается время жизни мотора. Например, имеются моторы с рабочим напряжением 4,8 вольта, 6 вольт, и 7,2 вольта. Эти цифры указывают, с каким количеством банок в батарее предназначен работать этот двигатель.
Напряжение на одной банке NiMH (никель-металгидридном) аккумулятора составляет 1,2 вольта — мотор с рабочим напряжением 4,8 вольт предназначен для работы от 4-х баночного аккумулятора. Эти цифры ориентировочные, моторы способны работать и при повышенных напряжениях. Напряжение и KV связаны. Сила тока, которую способен без повреждения выдержать двигатель и регулятор.
Максимальный ток тем больше,чем больше физические размеры бесколлекторного двигателя. Количество ампер длительно и без перегрузки пропускаемое мотором при номинальном напряжении. Позволяет посчитать, сколько времени прослужит аккумулятор с этим мотором. КПД — то количество энергии, которое мотор переводит непосредственно в полезную работу. Чем выше — тем лучше. По конструкции бесколлекторные моторы делятся на две группы: inrunner и outrunner. Эта характеристика говорит о конструктивной особенности мотора.
Двигатели Inrunner имеют расположенные по внутренней поверхности корпуса обмотки, и вращающийся внутри магнитный ротор. Большенству радиоуправляемых моделей — машин и лодок требуются бесколлекторный мотор Inrunner.
Двигатели Outrunner имеют неподвижные обмотки, внутри двигателя, вокруг которых вращается корпус с помещенными на его внутреннюю стенку постоянными магнитами, т. е. в аутраннерах вращается внешняя часть мотора. Аутранеры выбирают для авиамоделей, т. к. они в силу своей конструкции лучше охлаждаются и у них больше вариаций, как их можно прикрепить. Моторы Outrunner имеют меньшие значения в Киловольтах, что означает, что они движутся с меньшей скоростью, но с большим крутящим (вращающим) моментом. Обычно мощность Аутранеров не определяют по внешним габаритам. Аутраннеры благодаря своей конструкции позволяют использовать большее число магнитных полюсов.
- Количество полюсов магнитов, используемых в бесколлекторных двигателях, может быть разным.
- Сенсорные лучше, так как сенсор обеспечивает более плавную работу двигателя, быстрый и плавный старт, более рациональное использование энергии.
- Перейти к моторам для радиоуправляемых моделей машинок, катеров, квадрокоптеров оптовой компании «Прямые дистрибьюции»: Моторы для радиоуправляемых моделей
- ПОЛУЧИТЬ ПРЕДЛОЖЕНИЕ ОТ ОПТОВОЙ КОМПАНИИ «ПРЯМЫЕ ДИСТРИБЬЮЦИИ»
По количеству полюсов можно судить о крутящем моменте и оборотах и двигателя. Моторы с двухполюсными роторами имеют наибольшую скорость вращения при наименьшем крутящем моменте. Моторы с большим количеством полюсов имеют меньшую скорость вращения, но зато больший крутящий момент. Также бесколлекторные двигатели бывают сенсорные и бессенсорные.
Загрузка...
