Что такое коллекторный и бесколлекторный двигатель разница

Коллекторные и бесколлекторные электродвигатели постоянного тока. Устройство и принцип работы

Подписка на рассылку

• ВКонтакте
• Facebook
• ok
• Twitter
• YouTube
• Instagram
• Яндекс.Дзен
• TikTok

Трудно себе представить современное производство без различного оборудования и без электродвигателей, которые приводят его в действие. Исправная работа электродвигателя – гарантия качественного производственного процесса в любой промышленной отрасли.

Устройство электродвигателя постоянного тока таково, что он может работать только от постоянного тока. Данный вид электродвигателей разделяются на двигатели с коллектором и без него.

Коллекторный двигатель

Этот двигатель имеет коллектор, ротор, индуктор, статор, якорь, щетки. Ротор вращается, в отличие от статора, который неподвижен. Частью коллекторного устройства является индуктор, который создает магнитный поток и организует время, когда происходит возбуждение двигателя. Индуктор обладает обмоткой или магнитами. Якорь также является частью коллекторного двигателя. Частью устройства является пара щеток. Электрический ток, поступающий от источника питания, подходит к якорю через щетки. Изготавливают их из графита, хотя могут использоваться и другие материалы. Обычно коллекторные электродвигатели постоянного тока имеют две щетки, но, могут быть и исключения, когда используется несколько пар. Одну щетку соединяют с плюсом источника питания, а другая соединяется с минусом.Коллектор является частью двигателя, который непосредственно контактирует с парой щеток – вместе они распределяют электрический ток по якорным обмоточным катушкам.

Электродвигатель на постоянных магнитах имеет относительно невысокую стоимость и используется во многих промышленных сферах, поскольку имеют широчайший диапазон мощностей, начиная с сотых долей Ватта, заканчивая десятками МегаВатт. Большим размахом обладает и частота вращения.

Используют электродвигатель на постоянных магнитах в устройстве бытовой техники, часто его устанавливают и в детские игрушки.

Коллекторные электродвигатели используют там, где необходима высокая скорость рабочих элементов: пылесосы, миксеры и т.п.

Бесколлекторный двигатель

Этот вид двигателей появился на рынке сравнительно недавно. Они не имеют коллекторно-щеточного узла — это является большим преимуществом, поскольку такой двигатель не создает радиопомех.

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока обладает высоким КПД – намного выше, чем у коллекторного собрата. При этом намного проще устроена сама конструкция двигателя, так как в ней отсутствует узел со щетками. Более того, бесколлекторные моторы имеют очень низкую степень изнашивания.

Бесколлекторные двигатели имеют подшипники, что влияет на их стоимость – она несколько выше стоимости коллекторных собратьев.

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока обладает самосинхронизацией. В основе его работы лежит принцип частотного регулирования – оно происходит вследствие управления вектором (направлением) магнитного поля, создаваемое статором, на которое оказывает влияние место положения ротора.

Такое влияние возможно из-за того, что ротор не что иное, как постоянные магниты, которые создают постоянное магнитное поле, а индуктор находится на роторе, т.е. в зоне влияния поля. Обмотка якоря находится на статоре. В зависимости от положения ротора формируется напряжение, питающее обмотки двигателя. Контроллер осуществляет управление током при помощи широтно-импульсной модуляции, которая протекает через обмотки двигателя.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока

В чем отличия бесколлекторных двигателей от синхронных двигателей с постоянными магнитами?

Конструктивно двигатели этих типов очень схожи друг с другом. Основные отличия в способах управления двигателями. Так, синхронные двигатели – это довольно большой класс двигателей, включающий в себя широкий спектр различных видов двигателей, в том числе и такие, которые работают напрямую от стандартной промышленной сети переменного тока, или, как например, синхронные сервоприводы, работают при подаче напряжения различной частоты, что требует применения специализированных блоков, преобразующих частоту.
Бесколлекторные двигатели работают только при подаче на свои обмотки синхронизированных напряжений специальной формы, что требует применения электронных модулей генерации и коммутации таких сигналов.

Еще одним различием является форма питающего напряжения. В отличии от синхронных двигателей, запитываемых синусоидальным напряжением, бесколлекторные двигатели способны работать от переменного напряжения сложной ступенчатой формы.

Особенности конструкции

В настоящее время доступны различные конструкции бесколлекторных двигателей, в зависимости от технологии изготовления обмоток существуют традиционные обмотки на сердечниках и полые обмотки цилиндрической формы.

Обмотки на сердечниках имеют большие, относительно полых цилиндрических обмоток, индуктивность, постоянную времени, момент инерции и момент магнитной фиксации, а также более низкий КПД.
Лишенные крупных металлических сердечников двигатели с полыми обмотками имеют лучшие динамические характеристики изменения тока, что позволяет более гибко управлять моментом. При этом следует учитывать, что такие двигатели требуют дополнительных мер по фильтрации пульсаций тока (применение крупногабаритных дросселей) в случае, если управление ими реализовано от контроллеров с широтно-импульсной модуляцией на низкой частоте.

Двигатель постоянного тока — это электрический двигатель, питание которого обеспечивает постоянный ток. Бесколлекторный вид ДПТ — это замкнутая система, состоящая из ротора с постоянными магнитами, выполненного медным проводом, и статора с трехфазной обмоткой, выполненного из нескольких сложенных вместе листов магнитопроводящей стали. Двигатель представляет собой синхронное устройство, принцип работы которого основан на вращении магнитного поля. Для создания такого поля на обмотку статора подается трехфазная система напряжения, которая может быть сформирована в различных формах и различными способами. Контроллер двигателя формирует питающие напряжения (коммутация обмоток).

Точное управление бесколлекторным двигателем предполагает правильную последовательность и частоту переключения отдельных секций обмоток. Обмотки поочередно подключаются к источнику постоянного напряжения и, после того, как ротор поворачивается по направлению вектора магнитного поля обмотки статора, происходит подключение напряжения к другой паре обмоток. После, вектор магнитного поля статора занимает другое положение, а вращение ротора продолжается. Для необходимой возможности непрерывного определения текущего положения ротора используется специальный датчик, наиболее распространенным вариантом является датчик Холла, а также используют энкодеры и резольверы. При правильном расположении датчиков на статоре, они реагируют на магнитное поле. На датчики должны воздействовать магниты ротора, а угол между датчиками должен быть равен 120° эл.

Виды бесколлекторных двигателей

На данный момент существует огромное множество вариантов бесколлекторных двигателей в виду возможности сборки разнообразных конструкций.

По исполнению статорной обмотки выделяют два типа конструкции:

• Зубцовая (Slotted)
• Сплошная (Slotless)

Изначально, бесколлекторные двигатели имели только зубцовую обмотку. Статор в таком двигателе изготовлен из сложенных вместе стальных пластин с прорезями, куда установлены медные обмотки. Такая конструкция характеризуется определенным моментом «фиксации» при старте, что делает движение резким, особенно на малых скоростях. Момент появляется из-за усилия постоянных магнитов в роторе совпасть с пазами статора. Достоинством такой обмотки является низкая стоимость двигателей в виду простоты технологии, что делает их основным выбором для применений, где плавная работа не является решающим фактором. В сплошной обмотке зубья отсутствуют, слои статора изготовлены из стальных колец, а обмотка сжата в эпоксидной смоле. Таким образом, мы получаем жесткую обмотку в зазоре между статором и ротором. Сплошная обмотка обеспечивает двигателю точное позиционирование и плавность движения. Кроме того, низкая индуктивность делает двигатели идеальными для применения с необходимостью высокого ускорения и быстрым динамическим откликом.

По взаимному расположению ротора и статора различают внутрироторные и внешнероторные двигатели. У конструкции с внешним ротором магниты расположены снаружи неподвижного статора с обмотками, вокруг которого они вращаются. Такое исполнение используется при необходимости получения двигателя с относительно большим моментом и невысокими оборотами. Вариант внутреннего исполнения обеспечивает большим КПД и высокими оборотами, но меньшим моментом инерции при аналогичном наружном диаметре двигателя. По конструкции магниты ротора находятся внутри статора с обмотками.

Отличия бесколлекторного ДПТ от других типов двигателей:

1. От коллекторных ДПТ

В бесколлекторном двигателе роль механического коммутатора выполняет электронный преобразователь, что исключает необходимость использования коллектора и щеток. Отказ от движущегося электрического контакта позволяет увеличить надежность и скорость работы двигателя. Данное нововведение также улучшает удельную мощность бесколлекторного двигателя, однако высокие скорости крайне редко находят применение.

2. От синхронных двигателей с постоянными магнитами

По своей структуре бесколлекторные двигатели схожи с синхронными. Тем не менее, в двигателях синхронного типа предполагается напряжение синусоидальной формы, бесколлектроные же не допускают питание переменным напряжением ступенчатой формы (блочная коммутация) и даже используют в номинальных режимах работы.

Когда нужен бесколлекторный двигатель?

В случаях, когда его характеристики имеют преимущество перед остальными. Сферы применения, требующие большие скорости вращения (свыше 1000 об/мин) или высокий срок службы двигателя не обходятся без бесколлекторного двигателя. Применение низкоскоростных двигателей с большим числом полюсов целесообразно при необходимости использования сборки из двигателя с редуктором. Скорость высокоскоростных бесколлекторных двигателей будет превышать предельную редуктора, не позволяя использовать мощность в полном объеме. Для максимально простого управления естественным выбором будет коллекторный ДПТ.

С другой стороны, датчик Холла у бесколлекторных ДПТ в виду своих ограничений не может работать при условиях повышенной радиации и высокой температуры. Радиационная стойкость и диапазон рабочих температур ограничен у стандартных моделей таких датчиков. При необходимости использования бесколлекторных двигателей в экстремальных условиях, датчик Холла заменяют более стойким аналогом, что увеличивает стоимость двигателя и сроки поставки.

Как работает бесколлекторный двигатель постоянного тока

Узнайте обо всех достоинствах бесколлекторных двигателей, а также о преимуществах и недостатках выбора этого типа двигателей для вашего проекта.

Если вы работаете над проектом, в котором есть движущаяся часть, вы, вероятно, будете искать двигатель, чтобы сделать это движение возможным. В этой серии статей мы рассмотрим наиболее популярные типы двигателей, которые используют разработчики. Сначала мы рассмотрели коллекторные двигатели постоянного тока. Теперь давайте посмотрим на их ближайший аналог: бесколлекторный двигатель постоянного тока.

Чтобы узнать, для каких проектов лучше всего подходят бесколлекторные двигатели постоянного тока, ознакомьтесь с обзором:

Обзор бесколлекторных двигателей постоянного тока

Бесколлекторные двигатели – это новая технология двигателей, быстро внедряемая в высокотехнологичных приборах и электромобилях (например, Tesla Model S) в качестве замены коллекторных двигателей постоянного тока. Они также чрезвычайно распространены в любительских летательных аппаратах, включая многомоторные. Поскольку бесколлекторные двигатели постоянного тока не имеют коллектора и щеток (что очевидно), они работают без многих ограничений коллекторных двигателей постоянного тока.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока обычно используются в многомоторных летательных аппаратах из-за их высокой скорости и эффективности

Как они работают?

Бесколлекторные двигатели постоянного тока обычно используются в многомоторных летательных аппаратах из-за их высокой скорости и эффективности.

Оценка характеристик бесколлекторных двигателей

Как и коллекторные двигатели постоянного тока, бесколлекторные двигатели работают путем изменения полярности обмоток внутри двигателя. Магнитные поля, создаваемые при возбуждении обмоток, оказывают толкающее воздействие на постоянные магниты, расположенные вокруг внешнего корпуса.

На бесколлекторном двигателе постоянного тока вращается не вал двигателя, а внешний корпус. Поскольку центральный вал, к которому прикреплены обмотки, является неподвижным, питание может подаваться непосредственно на обмотки, что устраняет необходимость в щетках и коллекторе.

Без щеток бесколлекторные двигатели изнашиваются намного менее быстро, чем коллекторные двигатели постоянного тока. Они работают с гораздо меньшим звуковым и электрическим шумом и способны работать на гораздо более высоких скоростях.

Из чего состоит бесколлекторный двигатель постоянного тока

Бесколлекторные двигатели постоянного тока только недавно начали использоваться в потребительских товарах и любительских проектах, потому что их сложно контролировать.

В то время как коллекторные двигатели постоянного тока для изменения полярности обмоток используют просто вращение самого двигателя, бесколлекторные двигатели постоянного тока управляются активно и требуют сложной схемы управления обмоткой, которая также должна масштабироваться при увеличении скорости.

Только благодаря тому, что микроконтроллеры стали дешевле и доступнее, стало возможным, чтобы недорогие системы могли удерживать правильную частоту вращения, необходимую для работы двигателя.

Достоинства бесколлекторных двигателей постоянного тока

Низкий износ

Единственным физическим интерфейсом между вращающейся внешней стороной корпуса двигателя и стационарными обмотками внутри являются шарикоподшипники, что означает, что бесколлекторные двигатели постоянного тока изнашиваются очень медленно.

Высокая скорость

Бесколлекторные двигатели имеют намного меньшее трение, чем коллекторные двигатели постоянного тока, поэтому они могут работать на более высоких скоростях.

Высокая эффективность

По сравнению с другими типами двигателей бесколлекторные двигатели обладают очень высокой эффективностью работы, что означает более низкое энергопотребление при той же выходной мощности по сравнению с коллекторными двигателями постоянного тока.

Недостатки бесколлекторных двигателей постоянного тока

Очень высокая сложность управления

Бесколлекторные двигатели постоянного тока для правильной работы требуют специализированных контроллеров и сложных алгоритмов управления.

Высокая цена

Стоимость самих двигателей не слишком высока, но когда добавляется стоимость контроллера, общая стоимость использования бесколлекторного двигателя постоянного тока в проекте становится относительно высокой.

Необходимость специализированных передач

В таких приложениях, как вакуумные пылесосы Dyson, бесколлекторные двигатели постоянного тока должны быть снабжены передачей для преобразования высоких скоростей до нужной скорости.

Двигатель постоянного тока — коллектроный и бесколлекторный вариант

Электрические машины можно поделить на два вида по их назначению: это генератор и двигатель постоянного тока. Что примечательно, они устроены почти одинаково. Отличие лишь в том, что генератор преобразовывает механическую энергию вращения ротора в магнитном поле, создаваемом обмоткой статора, в электрическую, а двигатель – наоборот (преобразовывает электрическую энергию в энергию вращения, то есть механическую).

Двигатель постоянного тока имеет в своей конструкции якорь с уложенными в его пазы проводниками. Второй основной частью этой машины является статор и его обмотки возбуждения с несколькими полюсами. Принцип работы такого устройства достаточно прост. Пропуская по проводу верхней части якоря постоянный ток в различных направлениях (с одной стороны «от нас», а с другой «на нас»). Согласно знаменитому правилу левой руки, те проводники, что находятся вверху, начнут выталкиваться из создаваемого статором магнитного поля влево, а проводники, расположеные внизу якоря, будут отталкиваться вправо.

Так как медные проводники уложены в специальные пазы, то силы воздействия будут передаваться якорю и поворачивать его.

Когда одна часть проводника провернется и встанет напротив южного полюса статора, начнется процесс торможения (проводник начнет вдавливаться в левую сторону). Для предупреждения этого процесса необходимо изменить направление тока в проводе. Для этого используют так называемый коллектор, а двигатель с таким принципом действия получил название коллекторного двигателя постоянного тока.

В нем обмотка якоря будет передавать вращающий момент на вал мотора, а тот – приводить в движение нужные механизмы оборудования. Нужно отметить, что весь принцип действия такого оборудования основан на инвертировании постоянного тока в якорной цепи.

Однако существует и бесколлекторный двигатель постоянного тока. В отличие от коллекторного, он не имеет в своем устройстве щеток, которые создают дополнительную опасность в процессе эксплуатации двигателя (щетки трутся о вращающийся ротор и могут создавать искры, что может привести к возгоранию плохо изолированных частей электрической машины).

Двигатель постоянного тока без коллектора имеет в своей конструкции подшипники и специальные контроллеры, запрограммированные на обеспечение всех процессов коммутации внутри двигателя. Кроме того, в нем есть микроприводы с высокоточным позиционированием.

Именно поэтому такое устройство будет стоить значительно дороже, чем обычный коллекторный двигатель постоянного тока. Однако использование такого двигателя вполне себя оправдывает: увеличена его износостойкость, надежность, безопасность. Значительно выше и коэффициент полезного действия (КПД), и устойчивость к перегрузкам.

В отличии от коллекторного двигателя постоянного тока, модернизация которого фактически прекращена, бесколлекторная модель постоянно обновляется. Например, совсем недавно был разработан безконтактный трехфазный двигатель постоянного тока без коллектора.