Какой тип электродвигателя лучше всего подходит для моего проекта?

Добавлено 4 июля 2019 в 15:20

Узнайте, какие проекты лучше всего работают с коллекторными двигателями постоянного тока, бесколлекторными двигателями, серводвигателями и шаговыми двигателями.

Если вы разрабатываете проекты с движущимися частями, скорее всего, вам понадобится электродвигатель. Но существует несколько различных типов электродвигателей, обычно доступных разработчикам.

Коллекторные двигатели постоянного тока, бесколлекторные двигатели, серводвигатели и шаговые двигатели – это четыре наиболее распространенных типа электродвигателей, которые можно найти практически в любом проекте, в котором есть движение. Использование каждого из этих типов двигателей в вашем проекте имеет свой набор преимуществ и потенциальных проблем.

В данной статье рассматриваются типы проектов, для которых хорошо подходит тот или иной тип двигателя, и приводятся базовые рейтинги стоимости, крутящего момента, максимальной скорости и точности позиционирования по шкале от 0 до 5.

Коллекторный двигатель постоянного тока

Коллекторные двигатели постоянного тока являются самыми дешевыми, простыми и легкими в управлении из всех технологий двигателей, обсуждаемых в данной статье. Они идеально подходят для проектов с ограниченным бюджетом, которые не требую какого-либо точного управления позиционированием, и для которых отношение мощность/масса не очень важно.

Оценка характеристик коллекторных двигателей постоянного тока

Коллекторные двигатели постоянного тока также полезны для проектов, требующих чрезвычайно простого управления. Эти типы двигателей могут управляться не более чем замыканием/размыканием ключа. Управление их скоростью – это просто регулировка напряжения, подаваемого на двигатель или изменение коэффициента заполнения (или скважности) ШИМ сигнала, если задействован микроконтроллер.

Пример коллекторного двигателя постоянного тока, используемого в проекте

Лучшие типы проектов для коллекторных двигателей постоянного тока

Наборы для создания роботов для начинающих

Наборы для создания роботов для начинающих почти повсеместно используют коллекторные двигатели постоянного тока из-за их низкой стоимости и потому, что для их работы не требуются современные микроконтроллеры или сложное программирование.

Используя два двигателя с двумя колесами на каждой стороне шасси робота, мы можете создать достаточно сложного робота. Многие из базовых наборов робототехники такого типа доступны в магазинах.

Конструкции, использующие вибромоторы

Вибромоторы состоят из коллекторного двигателя постоянного тока с грузом, прикрепленным асимметрично к валу двигателя. Вы можете использовать вибромоторы в самодельных контроллерах и в любых других проектах, требующих доставки пользователю неслышимых уведомлений (например, как ваш телефон в режиме вибрации).

Из-за простоты управления коллекторными двигателями постоянного тока интенсивность вибрации можно модулировать, просто регулируя напряжение, подаваемое на двигатель.

Бесколлекторные двигатели

Несмотря на то, что бесколлекторные двигатели начинают заменять коллекторные двигатели постоянного тока в профессиональных устройствах и электромобилях, они также приобретают популярность в самодельных проектах благодаря наличию мощных, но доступных по цене микроконтроллеров.

Оценка характеристик бесколлекторных двигателейПара примеров бесколлекторных двигателей

Бесколлекторные двигатели обеспечивают большую надежность, более высокие максимальные скорости и более высокую эффективность по сравнению с коллекторными двигателями постоянного тока. Однако они дороже, чем коллекторные двигатели постоянного тока, особенно с учетом того, что им требуются специализированные контроллеры скорости для взаимодействия с микроконтроллерами, что иногда может быть дороже, чем сам двигатель.

Зачастую стоимость управления бесколлекторным двигателем превышает стоимость самого двигателя

Лучшие типы проектов для бесколлекторных двигателей

Любительские проекты летательных аппаратов

Бесколлекторные двигатели чрезвычайно полезны в любительских проектах летательных аппаратов, включая квадрокоптеры, вертолеты и самолеты.

Более высокая эффективность бесколлекторных двигателей, по сравнению с коллекторными двигателями постоянного тока, имеет два основных последствия для проектов радиоуправляемых летательных аппаратов:

1. Бесколлекторные двигатели потребляют меньше энергии для выработки той же мощности, что и коллекторный двигатель постоянного тока примерно такого же размера, что означает, что разработчики получают больше энергии от того же аккумулятора.
2. Бесколлекторные двигатели имеют боле высокую выходную мощность при том же размере двигателя. В частности, для летательных аппаратов отношение мощности к весу является критически важной характеристикой, и бесколлекторные двигатели полезны для увеличения этого отношения.

Бесколлекторные двигатели являются хорошим выбором для любительских проектов летательных аппаратов

Радиоуправляемые машины

Радиоуправляемые машины, особенно те, которые используются для гонок, также выигрывают от технологий бесколлекторных двигателей. Более высокое отношение мощности к весу полезно в радиоуправляемых машинах по той же причине, что и для летательных аппаратов, для повышения производительности.

Для радиоуправляемых машин бесколлекторные двигатели обеспечивают большие крутящий момент и максимальные скорости, чем бензиновые двигатели. Кроме того, бесколлекторные двигатели в радиоуправляемых машинах обеспечивают пиковый крутящий момент почти мгновенно при подаче питания. Бензиновые двигатели, напротив, должны развивать более высокие скорости, чтобы максимизировать крутящий момент.

Стабилизатор камеры

Если вы записываете видео своего проекта, очень полезным инструментом для повышения профессионализма ваших видео за счет уменьшения тряски может стать стабилизатор камеры.

Стабилизатор камеры – это устройство, которое поддерживает камеру неподвижно, обеспечивая более плавные кадры. Стабилизаторы выполняют это, компенсируя движение, используя три бесколлекторных двигателя, по одному на каждую ось движения.

Стабилизируйте камеру с помощью стабилизатора, состоящего из трех бесколлекторных двигателей

Серводвигатели

В то время как коллекторные двигатели постоянного тока и бесколлекторные двигатели разработаны для регулируемой скорости, серводвигатели разработаны для точного позиционирования.

Оценка характеристик серводвигателей

Серводвигатели оснащены встроенным аппаратным обеспечением для определения положения, что позволяет контроллеру серводвигателя измерять точное угловое положение вала двигателя, также называемое углом поворота. Сочетание точного позиционирования и высокого крутящего момента, предлагаемое серводвигателями, делает их отличным выбором для ряда проектов, связанных с робототехникой.

Примеры использования серводвигателей в проектах

Лучшие типы проектов для серводвигателей

Шагающий робот

Если вы создаете шагающего робота, имеет ли он две, четыре, шесть или даже большее количество ног, серводвигатели почти наверняка будут выполнять основную работу в вашем проекте.

В шагающих роботах серводвигатели действуют как суставы

В шагающих роботах серводвигатели выступают в качестве суставов (и немного похожи на мышцы, но анатомическая аналогия здесь немного нарушается). Компьютер, на котором работает ваш робот, будет использовать обратную кинематику для вычисления угла, который должен принимать каждый сустав, чтобы выставить робота в определенном положении. Серводвигатели позволяют контроллеру точно управлять углом каждого сустава робота.

Если вы строите шагающего робота, то, скорее всего, вы будете использовать много серводвигателей!

Роботизированные руки

Серводвигатели также полезны для создания роботизированных рук (роботов-манипуляторов). Высокая точность позиционирования, предлагаемая серводвигателями, позволяет микроконтроллеру устанавливать конечный исполнительный механизм манипулятора с высокой степенью точности.

Это робот-манипулятор uArm Metal, работающий на сервоприводах

Серводвигатели также обеспечивают высокий крутящий момент на низких скоростях, благодаря редуктору между двигателем и выходным валом, что позволяет роботам-манипуляторам поднимать тяжелые предметы.

Наконец, сервопривод будет сопротивляться внешним силам, пытающимся изменить положение манипулятора. Например, если вы соберете роботизированную руку и заставите ее пройти дальше точки, которую ищет микроконтроллер, то, как только вы перестанете прикладывать усилие к манипулятору, серводвигатели вернутся в исходное положение.

Шаговые двигатели (описанные в следующем разделе), напротив, не имеют механизма для определения того, изменяют ли их положение внешние силы.

Рулевое управление для радиоуправляемых машин

В радиоуправляемых машинах серводвигатели обычно используются для рулевых механизмов. Поскольку сервоприводы могут быть точно установлены в нужное положение, а затем возвращены в центральное положение, они идеально подходят для рулевого управления. Серводвигатели позволяют управлять всеми видами радиоуправляемых проектов: от рулевых реек на радиоуправляемых машинках, до рулей направления на лодках, до управляющих поверхностей на самолетах.

Шаговые двигатели

Шаговые двигатели, как и серводвигатели, предназначены для построения машин, требующих точных управления и отслеживания позиционирования.

Оценка характеристик шаговых двигателей

То, как шаговые двигатели позволяют управлять позиционированием, сильно отличается от способа, используемого сервоприводами. Серводвигатели имеют возможности абсолютного позиционирования. В любой момент микроконтроллер может сделать запрос контроллеру сервопривода и получить назад значение угла.

Шаговый двигатель, напротив, использует относительное позиционирование. Шаговые двигатели вращаются не непрерывно (как коллекторные двигатели постоянного тока или бесколлекторные двигатели), а дискретными «шагами»,

Типовой шаговый двигатель имеет 200 шагов на полный оборот. Таким образом, каждый раз, когда шаговый двигатель «делает шаг», он поворачивается на 1,8°. Тщательно отслеживая количество шагов, на которое шаговый двигатель повернулся из известного начального положения, микроконтроллер может с высокой степенью точности определять положение двигателя или всего, что к нему прикреплено.

Примеры использования шаговых двигателей в проектах

Лучшие типы проектов для шаговых двигателей

3D принтеры

Шаговые двигатели используются практически во всех настольных 3D принтерах. Эта технология двигателей позволяет контроллерам 3D принтеров отслеживать положение печатающей головки с точностью до минуты (обычно в масштабе микрометров). Кроме того, шаговые двигатели обеспечивают высокий крутящий момент на низких скоростях, что полезно для перемещения тяжелого экструдера вокруг рабочей области.

3D принтеры используют шаговые двигатели для отслеживания положения печатающей головки

Станки ЧПУ

По причинам, аналогичным 3D принтерам, шаговые двигатели широко используются в станках ЧПУ. Станок с ЧПУ запускает задание с известной нулевой позиции. Контроллер подсчитывает количество шагов, на которое перемещаются двигатели, переводя их в расстояния в соответствие с конструкцией ремней, которыми управляют шаговые двигатели. Этот тип отслеживания положения обеспечивает высокий уровень точности размеров обрабатываемых станком ЧПУ деталей.

Большие роботы-манипуляторы

В предыдущем разделе объяснялось, как в более мелких роботах манипуляторах используются серводвигатели. В более крупных роботах манипуляторах часто используются шаговые двигатели. Таким образом, если вы разрабатываете робота-манипулятора, который должен будет перемещать тяжелые грузы, дополнительный крутящий момент больших шаговых двигателей по сравнению с крутящим моментом, обеспечиваемым серводвигателями, позволит вашему роботу-манипулятору поднимать и перемещать гораздо более тяжелые объекты.

Шаговые двигатели хорошо работают в больших роботах-манипуляторах, которые требуют возможности подъема более тяжелых объектов

Оригинал статьи:

• Scott Hatfield. What Type of Motor is Best for My Project?

Теги

Бесколлекторный двигательДвигательДвигатель постоянного токаКоллекторный двигатель постоянного токаШаговый двигательЭлектродвигатель

Новый компактный бесколлекторный электродвигатель | Наука и жизнь

В России запатентован новый электродвигатель необычной шарообразной конструкции. Его первые натурные испытания прошли успешно, двигатель использовался как лодочный мотор.  Изобретатели уверены, что в будущем новый высокопроизводительный электродвигатель найдёт широкое применение.

Популярность электромобилей, электроскутеров, промышленных квадрокоптеров и других полезных устройств с электрическим двигателем стремительно растёт. Вместе с ними на рынок приходят всё более совершенные и компактные конструкции электродвигателей, которые способствуют тому, что электротранспорт становится более доступным для населения.

В 2020 году изобретатель Рубен Даниэльевич Меджлумян запатентовал (RU 2 726 153 C1) в России высокопроизводительный бесколлекторный электродвигатель. Он более лёгкий и компактный по сравнению с коллекторными двигателями такой же мощности при том же крутящем моменте на валу. Необычная шарообразная форма обеспечивает эффективное взаимодействие магнитных полей статора и ротора. Автор изобретения – россиянин, а в США эти электродвигатели продаются под торговой маркой «HELV Motors».

Бесколлекторный двигатель с редуктором

В последнее время активно возрос интерес к бесколлекторным или, как их ещё называют, «бесщёточным» двигателям постоянного тока, обеспечивающим более надежную, эффективную и менее шумную работу. В коллекторных двигателях постоянного тока ток передаётся на вращающуюся часть мотора (ротор) с помощью скользящих по коллектору контактов – щёток. Щётки со временем изнашиваются и могут вызвать искрение. Поэтому коллекторный двигатель не следует использовать для работ, где требуется длительный срок эксплуатации и надежность. Конструкция коллектора также увеличивает размеры и массу мотора.

Заявленный компанией двигатель мощностью 60 кВт будет весить не больше 9.7 кг, а диаметр не превысит 22 сантиметров. Скорость вращения топовой модификации двигателя составляет 30 000 оборотов в минуту при напряжении в 400 вольт, а пиковая мощность электродвигателя в линейке продукции – 95 кВт.

В частности, мотор диаметром 119 мм и массой 2.5 кг при мощности электродвигателя 1.5 кВт создаёт крутящий момент на валу 32 кгс при частоте вращения 3 700 оборотов в минуту.

Такие характеристики дают возможность устанавливать его на электромотоциклы, квадрокоптеры и даже на электромобили. Натурные испытания были проведены в 2020 году на реке Волга, где электродвигатель использовался в качестве лодочного мотора.

Лодочный мотор в корпусе

Конструкция электродвигателя выглядит следующим образом. Неподвижная наружная часть двигателя (статор) выполнена в виде сферы, на которую слоями намотаны катушки электромагнитов. Их полюса равномерно смещены относительно друг друга. Для компактности обмотка может быть выполнена из плоского провода в виде ленты, покрытой изоляцией. Ротор выполнен в виде вала с жёстко закреплённым на нём постоянным магнитом, вектор магнитного поля которого ориентирован перпендикулярно валу. Ось симметрии статора совпадает с осью вращения вала. Такая конструкция помимо уменьшения размеров обеспечивает эффективное взаимодействие магнитных полей электромагнитов статора и постоянного магнита ротора, что увеличивает силу взаимодействия и надежность за счет более плавного вращения ротора, особенно при больших оборотах.

Как работает такой бесколлекторный электродвигатель? При подаче напряжения на одну из катушек статора она превращается в электромагнит, который, взаимодействуя с постоянным магнитом ротора, приводит его в движение. По мере поворота ротора питание контроллером переключается поочерёдно на следующую катушку, магнитные полюса которой смещены относительно предыдущей. Это приводит к непрерывному вращению ротора. В случае одной катушки в нужный момент времени производится переключение полярности полюсов электромагнита.

Использование нескольких обмоток обеспечивает бОльшую равномерность вращения. При этом увеличение количества катушек свыше 12 нецелесообразно, поскольку увеличивает массу и размеры мотора без существенного повышения крутящего момента. Конкретное количество катушек выбирается исходя из требований на габариты мотора.

Процесс намотки катушки мотора.

Из-за явления электромагнитной индукции переменное магнитное поле порождает в металлических деталях токи Фуко (вихревые индукционные токи), приводящие к их нагреву и потере энергии. Чтобы уменьшить этот нежелательный эффект, статоры синхронных и асинхронных электрических моторов изготовлены из набора изолированных между собой пластин из тонкого железа.

Компания «Buddha Energy Inc.» пошла иным путём и разработала корпус статора электродвигателя «HELV Motors» из композитных материалов, что позволило не только убрать эффект токов Фуко, но и уменьшить вес двигателя. Кроме этого, композитный материал статора позволяет легко придавать ему нужную форму без использования дорогостоящего оборудования для обработки металла. Это тоже снижает стоимость электродвигателя.

Любопытно, что идея создания сферического электродвигателя родилась не на базе теоретических изысканий, а на основе экспериментальной проверки взаимодействий магнитных полей ротора и статора. Расчет точного взаимодействия магнитных полей внутри композитов – задача непростая. Но команда проекта нашла свой оригинальный, нестандартный подход. На 3D-принтере был напечатан лабораторный стенд, на котором и проводились испытания нескольких десятков вариантов обмоток статора. В результате был найден вариант, который удерживал ротор наилучшим образом. Всё остальное было делом техники.

3D-модель первого лабораторного стенда

При механическом раскручивании вала извне, например, ветряком, водяной турбиной, двигателем автомобиля или любым другим устройством данный электродвигатель переходит в режим генератора и выдает электроэнергию, которая может быть накоплена или потреблена внешними устройствами.

Компания «Buddha Energy Inc.» пока не предоставила информацию о точной дате старта продаж двигателей «HELV Motors» в России, но есть надежда, что электродвигатели станут доступны на рынке в третьем квартале 2021 года.

E-mail: [email protected]

На правах рекламы 

Бесщеточный или щеточный двигатель

: что лучше для ваших электроинструментов?

istockphoto.com

Часто два электроинструмента одного производителя имеют очень похожие характеристики. Единственная явная разница может заключаться в том, что у одного есть щеточный двигатель, а у другого — бесщеточная версия. Последний всегда дороже, поэтому большой вопрос заключается в том, оправдывают ли бесщеточные электроинструменты такие дополнительные затраты.

Мы составили краткое объяснение, в котором основное внимание уделяется обоим типам, а также их плюсам и минусам. Нижеследующее поясняет споры о бесщеточных и щеточных двигателях, чтобы помочь вам сделать лучший выбор с точки зрения производительности и стоимости.

Бесщеточные двигатели больше подходят для аккумуляторных инструментов, чем для проводных.

На первый взгляд, тема щеточных и бесщеточных двигателей охватывает два типа. На самом деле существует четыре типа двигателей. Существуют бесщеточные двигатели переменного тока, щеточные двигатели переменного тока, бесщеточные двигатели постоянного тока и щеточные двигатели постоянного тока.

Переменный ток (AC) — это то, что выходит из розетки, поэтому все электроинструменты с питанием от сети должны быть оснащены двигателями переменного тока. Подавляющее большинство — это коллекторные двигатели, проверенная конструкция, используемая на протяжении нескольких поколений. Бесщеточные двигатели переменного тока существуют, но основные преимущества этого типа двигателя больше подходят для аккумуляторных инструментов. Когда они используются, бесщеточные двигатели переменного тока, как правило, встречаются на тяжелых профессиональных инструментах.

Постоянный ток (DC) — это то, что питают аккумуляторы, и оно используется в каждом беспроводном инструменте. Как и в случае с двигателями переменного тока, в инструментах с батарейным питанием могут использоваться как щеточные, так и бесщеточные двигатели постоянного тока (последний также известен как BLDC). Оба типа широко доступны, поэтому чаще всего возникают вопросы о бесщеточных двигателях по сравнению с щеточными.

Rel ated: Лучшие наборы электроинструментов

Как работает коллекторный двигатель?

Основные компоненты коллекторного двигателя размещены во внешней оболочке, содержащей постоянные (или статорные) магниты. Внутри этой оболочки находится ряд проволочных катушек, называемых якорем. Через середину якоря проходит приводной вал (или ротор), обеспечивающий механический привод. Коллекторный двигатель также имеет коллектор на конце якоря.

Реклама

Когда электричество проходит через якорь, якорь становится магнитным. Если полярность этого магнетизма такая же, как у постоянного магнита, то он отталкивается, заставляя якорь вращаться. Вместе с ним вращается центральный ротор, который приводит в действие патрон, пильный диск и т. д. Однако, когда якорь поворачивается наполовину, полярности будут противоположными. Поскольку противоположные полярности притягиваются, двигатель должен остановиться.

Чтобы предотвратить это и обеспечить работу двигателя, установлены щетки, которые трутся о коллектор. Одна щетка несет положительный заряд, другая отрицательный. Они обеспечивают постоянно меняющуюся полярность якоря, поэтому он продолжает отталкиваться. В результате двигатель продолжает вращаться.

istockphoto.com

Как работает бесщеточный двигатель?

Итак, что такое бесщеточный двигатель и что означает бесщеточный двигатель? Бесщеточный двигатель по-прежнему содержит статор, якорь и ротор, но не имеет физического коммутатора. Как следует из названия, он также не содержит кистей.

Эти детали заменены электронной схемой, называемой инвертором. Это создает одно постоянно вращающееся магнитное поле вокруг якоря для создания постоянного движения. Таким образом, двигатель этого типа не нуждается ни в физическом контакте щеток, ни в соответствующем коммутаторе.

Rel ated: Действуйте с осторожностью: 10 электроинструментов, которые могут вас убить

Бесщеточные двигатели более энергоэффективны.

Щетки щеточных двигателей вызывают трение, а это означает, что часть выделяемой ими энергии используется для преодоления этого трения. Трение также приводит к потере напряжения, что снижает количество энергии, приводимой в движение инструментом.

В бесщеточных двигателях отсутствует трение щеток; следовательно, они превращают гораздо больше произведенной электроэнергии в полезную энергию. Это особенно важно для инструментов с батарейным питанием, которые имеют ограниченное количество энергии, доступной на одну зарядку. Например, бесщеточная дрель может работать на 30-50% дольше, чем такая же аккумуляторная дрель, оснащенная щеточным двигателем.

Объявление

У бесколлекторных двигателей есть и другие преимущества. Отсутствие сопротивления или связанного с этим тепловыделения означает, что бесщеточные двигатели могут достигать желаемой скорости быстрее, чем их щеточные аналоги, работать быстрее и дольше и (обычно) обеспечивают больший крутящий момент при эквивалентном потреблении энергии.

Коллекторные двигатели требуют большего обслуживания, чем бесщеточные.

Трение щеток о щеточные коллекторы двигателя приводит к их износу. Очевидными признаками этого являются заикание двигателя или прерывистый пуск и остановка электроинструмента. Замена щеток технически несложна, и детали обычно доступны, но производители электроинструментов не всегда упрощают доступ к двигателю данного инструмента. Как минимум неудобно.

В конце концов, коллекторы также могут изнашиваться, а конструкция двигателя может сделать замену невозможной. Даже если это практично, цена запасных частей может удешевить просто покупку нового инструмента. Особенно это касается бюджетных моделей, в которых чаще используются коллекторные двигатели.

Бесщеточные электроинструменты, напротив, не имеют сменных частей и поэтому не требуют технического обслуживания. Они также, как правило, имеют значительно более длительный срок службы.

Rel ated: Лучшие осциллирующие инструменты

Фото: makitauk.com

Бесщеточные двигатели более компактны и работают тише, чем щеточные двигатели.

Отсутствие коммутаторов в бесколлекторных двигателях может сэкономить много места. В частности, бесщеточные дрели можно сделать очень компактными. Это также означает, что, когда физический размер электроинструмента не имеет большого значения, можно использовать более крупный и мощный двигатель. Например, обычно энергоемкие инструменты, такие как перфораторы, могут иметь повышенную производительность при сохранении размеров, аналогичных щеточным двигателям.

Благодаря отсутствию трения и связанной с ним вибрации бесщеточные инструменты работают тише. Хотя это не особенно заметно для дрелей/шуруповертов, лобзиков и шлифовальных машин, это может иметь существенное значение для таких инструментов, как циркулярные пилы и рубанки. Снижение вибрации также помогает сделать такие инструменты, как перфораторы, более удобными в использовании в течение более длительного времени.

Реклама

Безопасность также является важным фактором. Щеточные двигатели могут вызывать искрение, особенно если щетки изнашиваются и контакт становится нестабильным. В некоторых условиях это трение может представлять опасность возгорания или взрыва. Хотя могут потребоваться другие меры предосторожности, бесщеточные двигатели не создают искр, что делает их гораздо более безопасным вариантом.

Коллекторные двигатели стоят меньше, чем бесщеточные.

На данный момент все указывает на то, что бесщеточные двигатели являются явным победителем. Однако бесщеточный двигатель не всегда может быть лучшим выбором.

Коллекторные двигатели существуют уже несколько поколений, поэтому они надежны и намного дешевле, чем бесщеточные двигатели. Когда дело доходит до выбора между бесщеточной или щеточной дрелью, последняя может предложить очень похожие характеристики и сопоставимую производительность всего за полцены. То же самое можно сказать и о других типах электроинструментов.

Для профессиональных бесщеточных инструментов способность работать дольше и минимальные требования к обслуживанию могут дать большое преимущество. Однако эти элементы обычно оказывают меньшее влияние на пользователя DIY. Может не иметь значения, если работа должна быть остановлена, чтобы зарядить аккумулятор. Если инструмент не используется очень часто, набор щеток может никогда не изнашиваться. В результате фактор обслуживания становится менее значимым. Если щеточный инструмент не используется весь день, каждый день, тот факт, что он немного шумнее, может быть не так важен.

Для тех, кому нужна высокая производительность и долговечность на стройплощадке, бесщеточный двигатель имеет явные преимущества. В долгосрочной перспективе это, вероятно, окажется лучшим вложением. Однако, если вы ищете выгодную покупку, стоит подумать о беспроводном электроинструменте с щеточным двигателем.

Реклама

Бесщеточный и щеточный двигатели: почему вы должны знать разницу

Дрель-двигатель предназначен для преобразования электроэнергии в механическое движение. Рынок заполнен большим разнообразием двигателей, которые могут работать с различными приложениями и различными требованиями к мощности. Два наиболее распространенных типа двигателей включают бесщеточные и щеточные двигатели. Хотя они основаны на одних и тех же физических принципах, их структура, производительность и управление существенно различаются.

… Торопитесь?

См. наш Наша бесщеточная дрель № 1, которая имеет рейтинг 4,7 из 5 звезд и почти 300 отзывов клиентов.

Бесщеточный двигатель, который становится все более популярным среди домашних мастеров и профессионалов, не является новинкой на рынке. Чтобы понять его происхождение, важно оглянуться назад на изобретения г-на Эрнста Вернера фон Сименса в 1856 году. Несмотря на то, что эти изобретения находятся в зачаточном состоянии, за десятилетия они претерпели ряд усовершенствований, одним из которых был реостат для точного управления скоростью вращения. вала.

Путь бесщеточного двигателя к известности начался в начале 1960-х годов с появления мощного диммера, способного преобразовывать переменный ток (AC) в постоянный ток (DC). В 1962 г. Т. Г. Уилсон и П. Х. Трики опубликовали статью с описанием бесщеточного двигателя, работающего на постоянном токе. Блоки были оснащены технологией, которая использовала магнетизм и последовательно противостояла электрическому устройству. Главным открытием концепции бесщеточного двигателя стало отсутствие физического переключателя для передачи тока.

Тем не менее, только в 1980-х годах бесколлекторный двигатель по-настоящему хорошо стартовал. Большая доступность постоянных магнитов в сочетании с высоковольтными транзисторами позволила этому типу двигателя генерировать такую ​​же мощность, как и коллекторные двигатели. Усовершенствования бесщеточного двигателя не прекращались в течение последних трех десятилетий. Это изменило то, как производители сверл производят эффективные буровые инструменты. В свою очередь, клиенты пользуются ключевыми преимуществами, связанными с разнообразием и снижением требований к техническому обслуживанию.

Как работает буровой двигатель?

Основное различие между бесщеточными и щеточными сверлильными двигателями заключается в том, что щеточные варианты сделаны из углерода, а в бесщеточных устройствах для выработки энергии используются магниты. По этой причине бесщеточные двигатели лучше адаптированы, не создают трения, меньше нагреваются и обеспечивают лучшую производительность. Кроме того, бесщеточные агрегаты значительно сокращают техническое обслуживание, которое сводится к обеспыливанию и отпадает необходимость замены изношенных щеток.

В бесщеточном двигателе коммутация обмоток не механическая, а управляется электронным устройством, известным как контроллер. Это преобразует постоянный ток в трехфазный ток переменной частоты и последовательно питает катушки двигателя для создания вращающегося поля. Понятно, что при таком принципе питания катушки закреплены в двигателе, а не вращаются, как в щеточных двигателях.

Все бесколлекторные двигатели имеют относительно схожую конструкцию. Они поставляются с неподвижным статором, на котором закреплены катушки, и подвижным ротором, на который наклеены постоянные магниты. Обмотки могут быть построены по-разному либо в виде звезды, либо треугольника. Большинство бесщеточных двигателей имеют внутренний ротор, который быстро вращается до 100 000 об/мин.

Что такое кисти?

Щетки необходимы для правильного функционирования инструментов с щеточным двигателем, таких как дрели, отбойные молотки, рубанки, кусторезы и шлифовальные машины. Угольные щетки выбирают по марке и типу инструмента. Они устанавливаются на неподвижную часть двигателя для обеспечения оптимальной передачи мощности на ротор (вращающуюся часть). Они обеспечивают переключение без искры.

Работая парами, эти компоненты являются изнашиваемыми деталями и подвержены трению. Угольные щетки находятся в постоянном контакте с контактными кольцами. Изготовленные из графита, эти компоненты бывают разных типов. Они могут быть оснащены пружиной, коннектором (провод с вилкой) или без щеткодержателя. Щетки бывают разных размеров и форм (в основном квадратные, прямоугольные) и могут иметь канавки для улучшения направления.

Скорость сверла указывается как часть крутящего момента, который зависит от силы магнитного поля. Подпружиненные угольные щетки крепятся к пружине, снабженной пластиной для обеспечения плавного прохождения мощности. В некоторых случаях щетки устанавливаются на щеткодержателе с пружиной, предназначенной для увеличения тяги.

С другой стороны, щетки-разрушители используются для остановки работы двигателя и, в конечном счете, дрели до полного износа графитового материала. Это направлено на поддержание оптимальной производительности.

Производители переносных электроинструментов, включая дрели, обычно продают щетки, совместимые с их машинами. Размеры выражаются в миллиметрах или дюймах, которые представляют собой толщину, глубину и ширину. Однако эти характеристики могут варьироваться от одного производителя к другому.

Недостатки щеточных двигателей

Хотя щеточные двигатели недороги, надежны и имеют высокий крутящий момент или инерцию, они также имеют ряд недостатков. Эти компоненты со временем изнашиваются, образуя пыль. Этот тип двигателя требует регулярного обслуживания для очистки или замены щеток. Они также имеют низкую способность рассеивания тепла из-за ограничений ротора, высокой инерции ротора, низкой максимальной скорости и электромагнитных помех (ЭМП) из-за искрения на щетках.

Принцип работы бесщеточных двигателей такой же, как у двигателей со щетками (управление переключением с использованием внутренней обратной связи по положению вала), но их общая конструкция отличается. Конструкция бесщеточных блоков снижает внутреннее сопротивление и способствует рассеиванию тепла, выделяемого в катушках статора. Таким образом, эффективность выше, так как тепло катушек может рассеиваться более эффективно благодаря гораздо большему стационарному корпусу двигателя.

В отличие от щеточного двигателя, постоянный магнит бесщеточного двигателя установлен на роторе. Статор выполнен из стального проката с канавками и содержит обмотки катушки. С другой стороны, щеточные агрегаты требуют небольшого количества внешних компонентов или вообще не требуют их, поэтому они хорошо работают в ограниченных условиях.

Что такое бесщеточный сверлильный двигатель?

Прочитать полный обзор дрели Dewalt 20v max

Чтобы понять, что означает бесщеточный двигатель, важно рассмотреть базовую конструкцию этих двигателей. Обмотки статора могут быть расположены звездой (или звездой) или треугольником. Прокатка стали может быть выполнена с разделкой или без разделки. Дрель без канавок имеет меньшую индуктивность. Следовательно, он может работать быстрее и вызывать меньше пульсаций на более низких скоростях. Его основным недостатком являются более высокие факторы стоимости, поскольку необходимо увеличить количество обмоток, чтобы компенсировать большее воздушное пространство.

Количество полюсов ротора может варьироваться в зависимости от применения. Больше полюсов увеличивает крутящий момент, но снижает максимальную скорость. Материал, используемый для изготовления постоянных магнитов, также влияет на максимальный крутящий момент, который увеличивается с увеличением плотности потока.

Поскольку переключение должно осуществляться электронным способом, управление бесколлекторным двигателем намного сложнее, чем на простых схемах, связанных с щеточными агрегатами. Используются как аналоговые, так и цифровые методы управления. Базовый блок управления подобен блоку коллекторных двигателей, но обязательным является управление с обратной связью.

На бесколлекторных двигателях используются три основных типа алгоритмов управления: трапециевидная коммутация, синусоидальная коммутация и векторное (или полеориентированное) управление. Каждый алгоритм управления может быть реализован по-разному в зависимости от программного кода и конструкции аппаратного обеспечения. Каждый из них предлагает определенные преимущества и недостатки.

Трапециевидное переключение требует простейшей схемы и управляющего программного обеспечения, что делает его идеальным решением для приложений начального уровня. Он использует шестиэтапный процесс с обратной связью по положению ротора. Трапециевидное переключение эффективно регулирует скорость и мощность двигателя, но страдает от пульсаций крутящего момента во время переключения, особенно на низких скоростях.

Бессенсорное переключение (оценка положения ротора путем измерения противо-ЭДС двигателя) обеспечивает впечатляющую производительность за счет большей сложности алгоритма. Благодаря удалению датчиков Холла и их интерфейсных цепей это бездатчиковое переключение снижает затраты на компоненты и установку, а также упрощает конструкцию системы. Это помогает ответить на вопрос, что такое бесщеточный двигатель?

Преимущества бесщеточного двигателя

Прочитать полный обзор дрели Makita 18v

Технология бесщеточного двигателя не только повышает мощность ваших аккумуляторных электроинструментов, но и продлевает срок их службы. С этими двигателями у вас практически не будет проблем с техническим обслуживанием.

Преимущества бесщеточной технологии многочисленны. Отсутствие щеток исключает проблемы, связанные с перегревом и поломками. Таким образом, срок службы бесщеточного двигателя зависит только от подшипников. Бесщеточный двигатель компактнее и в два-три раза легче, чем щеточный. Это улучшает портативность в дополнение к снижению вибрации и шума.

Электронная коммутация обеспечивает точное позиционирование. Двигатель развивает скорость до 50 000 об/мин благодаря оптимально сбалансированным роторам. Электронный модуль обеспечивает большую гибкость благодаря более широкому диапазону вариаций и особенно поддержанию крутящего момента с самого начала.

Без трения между ротором и статором КПД значительно повышается. Нагрев и трение уменьшаются, а энергия батареи оптимизируется. Это увеличивает мощность и автономность до 25 процентов по сравнению с обычными батареями. По словам производителей, последние поколения литий-ионных аккумуляторов обеспечивают до 50, а то и 60 процентов повышенной автономности.

Отсутствие трения позволяет двигателю работать без искрения даже при интенсивном использовании. Бесщеточная технология не имеет контактной зоны, что значительно снижает износ и техническое обслуживание. Это дает несколько преимуществ: двигатель более энергоэффективен, предотвращает перегрев, устраняет необходимость замены щеток, а пользователи получают более длительный срок службы батареи — вы обнаружите, что лучшая аккумуляторная дрель работает на бесщеточном двигателе.

Коллекторные и бесщеточные двигатели: зачем платить больше?

В обычном электродвигателе ротор (вращающаяся часть машины) приводится в движение внутри статора (неподвижной части). Оба соединены электрическим соединением: коллектор или коммутатор, который контактирует с маленькими угольными щетками.

В бесщеточной технологии ротор состоит из магнитов, а статор из катушек, которые попеременно заряжаются положительно или отрицательно. Таким образом, полюса притягиваются и отталкиваются, позволяя двигателю вращаться. Преимущество заключается в отсутствии физического контакта между ротором и статором. Энергия переходит от одного к другому через магнетизм между электромагнитами.

Приведенный в действие постоянным током, двигатель работает с переменным током, вырабатываемым электронной картой, которая преобразует постоянный ток в трехфазный переменный ток. Таким образом, катушки питаются попеременно, чтобы создать вращающееся поле и, следовательно, вращение. Электронный модуль, встроенный в двигатель или в корпус, постоянно регулирует ток, чтобы двигатель работал с максимальной эффективностью. Это улучшает общую производительность и, таким образом, обеспечивает реальное соотношение цены и качества.

Что лучше: бесщеточный или щеточный двигатель?

Таким образом, бесщеточные двигатели лучше, чем щеточные. Пользователи могут воспользоваться преимуществом снижения затрат на техническое обслуживание, повышения эффективности, снижения нагрева и шума. Бесщеточные двигатели представляют собой синхронные устройства с одним или несколькими постоянными магнитами.