Бесщеточный двигатель постоянного тока 12 вольт как работает

Как устроен бесщеточный двигатель

Работа бесщеточного электродвигателя основывается на электрических приводах, создающих магнитное вращающееся поле. В настоящее время существует несколько типов устройств, имеющих различные характеристики. С развитием технологий и использованием новых материалов, отличающихся высокой коэрцитивной силой и достаточным уровнем магнитного насыщения, стало возможным получение сильного магнитного поля и, как следствие, вентильных конструкций нового вида, в которых отсутствует обмотка на роторных элементах или стартере. Обширное распространение переключателей полупроводникового типа с высокой мощностью и приемлемой стоимостью ускорило создание подобных конструкций, облегчило исполнение и избавило от множества сложностей с коммутацией.

Терминология бесколлекторного привода

Электрический двигатель постоянного тока бесколлекторного узла имеет название – бесколлекторный. Внутренний прибор, который изменяет ход тока в обмотке называется – драйвер или генератор периодического изменения напряжения, иными словами – инвертор.

Драйвера всегда неподвижно зафиксированы на статоре. В тоже время сетевой коммутатор или сетевой переключатель оснащен полупроводниковыми триодами, которых всего шесть.

Именно они направляют напряжение тока на те или другие витки провода электро-двигателя.

В узкопрофильных публикациях для электромехаников бесколлекторный тип двигателя имеет название вентильный, потому что транзисторы иначе называют именно вентилями.

Кроме того, устройства разделяют не несколько типов в зависимости от конструкции и электродвижущей силы.

В американских источниках один из типов электро-двигателя маркируется буквами BLDC, которые являются аббревиатурой термина, который в дословном значении переводится как «двигатель бесщеточный постоянного тока».

Именно в данном типе происходит ЭДС по схеме трапеции. В другой типе, который маркируется аббревиатурой PMSM, возникает ЭДС по схеме синусоиды.

Как выбрать двигатель для квадрокоптера

Итак, теперь вы знаете основы работы и из чего он состоит, теперь узнаем, как выбрать мотор для дрона.

Размер двигателя

Первое, что вы должны выбрать, это размер двигателя, который вы будете использовать. К счастью, большинство производителей в нашем хобби установили стандартную схему именования своих двигателей. Обычно это 4-значное число, которое выглядит примерно как «2205». Первые две цифры этого числа — это диаметр (в мм) статора, а второй — это высота (также в мм). В общем, чем больше из этих чисел, тем больше мощности двигатель может обрабатывать и чем больше крутящего момента он будет генерировать. Однако нюанс заключается в том, что большие цифры означают более тяжелый двигатель — в основном благодаря тому, что он просто «больше».

Вот общие размеры двигателей для квадрокоптеров:

• 1806 – используются в минидронах, на них ставятся 3-х или 4-х дюймовые пропеллеры.
• 2204 – Одни из самых популярных двигателей в течение долгого времени. На них ставят 5-и дюймовые пропеллеры. 2204 начали терять популярность в 2015 году и сейчас почти не используются.
• 2205 – самые популярные моторы, на них можно ставить 5-и дюймовые трехлопастные пропеллеры.
• 2206 – набирающая популярность модель двигателей, имеет немного большие габариты за счет увеличения мощности на 15% в сравнении с 2205.
• 2207 / 2407 – Еще более мощные двигатели, гонка мощностей я бы сказал. По характеристикам, они могут выдавать тягу на 50% больше, чем 2205. Используются редко и еще не популярны.

RPM константа (kV)

Все моторые имеют рейтинг Kv. Этот рейтинг показывает то, насколько быстро будут крутиться ваши пропеллеры. Максимальное количество оборотов в минуту, которое сможет выдать ваш мотор, можно узнать, если умножить kV на напряжение аккумулятора. Так, если у вас двигатель 2300kV и батарея lipo 4s, то будет такая формула, так как у 4s lipo напряжение 14.8 вольт:

Но не стоит брать эту цифру как фактическое значение, которое будет развивать мотор, лучше использовать эту цифру как справочное число для ориентира — на что будет способен квадрокоптер на этих двигателях. Общая информация, какие пропеллеры нужно ставить на двигатели 2204 и 2205:

• 4-х дюймовые пропеллеры для двигателя 2600kV или с большим kV.
• 5-х дюймовые пропеллеры для двигателя 2300-2600kV моторы.
• 6-х дюймовые пропеллеры для двигателя 2300kV или с более меньшим kV.

Обратите внимание, что это не жесткие правила, а лишь рекомендации, но если вы будете придерживаться их, то ваш дрон будет летать с наилучшими характеристиками.

Вес
Единственное, что нужно помнить про вес, это то, что каждый сэкономленный грамм нужно умножать на 4 (или больше, смотря какой дрон будете собирать). Тяжелые моторы обычно довольно мощные и компенсируют свой вес тягой.

Цена
Цена одно из важных значений, чем выше цена, тем качественнее компоненты и сборка, а значит и результаты по скоростям и маневренности. В среднем цены от 600 до 2 000 рублей.

Вал
Вал должен быть достаточно длинным, но не менее 13 мм в длину и 5мм в диаметре. 5мм это самый распростроненный диаметр у пропеллеров, в противном случае вам придется рассверливать или покупать новые проппы, так как они или не налезут или будут маленькие. А насчет длины — нужно не забывать, что пропеллеры закрепляются контргайками, а она должна полностью пройти вал по резьбе.

Что лучше

Преимуществ у бесщеточного мотора больше. Первое – КПД. Оно составляет 90%, а у аналога – лишь 60%. Если проще, то при одинаковой емкости батареи, инверторные шуруповерты прослужат дольше без подзарядки. Это важная характеристика, если приходится работать в отдалении от источника энергии.

Вес меньше у бесщеточной модели. Это снижает нагрузку на руку и облегчает эксплуатацию. Сравнивая характеристики, можно сказать, что инверторный шуруповерт полезнее, эффективнее и надежнее. Единственная проблема – стоимость.

Любой инструмент сломается рано или поздно. Если нет необходимости в точности, а модель понадобится для нечастого бытового пользования, то многие выбирают дешевые щеточные двигатели. Однако когда требуется взять аппарат, способный прослужить долго, то рекомендуется не жалеть средств и купить бесщеточный шуруповерт.

Шуруповерт выбирается исходя из предпочтений. Бесщеточная модель полезнее и будет более выгодной покупкой, если пользователь может себе позволить вложиться в инструмент.

Что такое бесщеточный мотор?

Сменные щетки для щеточных двигателей

Un бесщеточный двигатель или бесщеточный двигатель, Это обычный и современный электродвигатель, но в нем не используются щетки для изменения полярности двигателя. Это позволяет избежать некоторых технических проблем и их замены. Вот почему это используется в качестве заявления, хотя это правда, что это несколько сомнительное заявление, поскольку большинство современных двигателей обычно бесщеточные.

серия старые электродвигатели Да, раньше у них были щетки этого типа, некоторые элементы, которые трутся и, следовательно, снижают производительность двигателя из-за трения, создают более высокую температуру, износ, шум и требуют этого обслуживания для очистки углеродной пыли, образующейся внутри двигателя (которая может не только мешать работе, но также может быть токопроводящим и вызывать проблемы с электричеством) и заменять изношенные щетки.

Именно поэтому были разработаны первые бесщеточные двигатели. Первый в области асинхронные двигатели переменного тока, а позже мы перешли к другим двигателям, таким как DC, которые больше всего интересуют нас в этом блоге.

Хотя изначально они были новыми и более дорогими Развитие технологий и электроники сделало возможным экономичное производство. Однако его контроль может быть несколько сложнее. Хотя регуляторы скорости ESC устранили эти проблемы .

В настоящее время двигатели переменного тока присутствуют в множество команд бытовые и промышленные, а также транспортные средства и т. д. Что касается CC, вы также можете найти их в устройствах чтения оптических дисков, компьютерных фанатах, дронах, роботах и ​​т. Д.

Детали бесщеточного двигателя и работа

Правда в том, что части бесщеточного двигателя довольно просты. Со статором с магнитными экранами, описанными в статье об электродвигателях, и ротором, который будет вращаться за счет импульса магнитного поля.

Перо способ управлять ими да, он немного отличается от других щеточных двигателей постоянного и переменного тока. Однако многие принципы работы и функции останутся прежними.

Чтобы упростить задачу, ESC (Электронный регулятор скорости), то есть контроллеры, позволяющие изменять полярность обмоток бесщеточного двигателя для управления вращением. Они позволяют легко управлять ШИМ, с микроконтроллерами вроде того, что на плате Arduino.

Модули ESC имеют электронные элементы, способные воздействовать на двигатель, не доставляя особых проблем пользователю. В зависимости от типа двигателя и мощности вам понадобится тот или иной тип водитель, как мы уже анализировали в других статьях.

Помните, что вы даже можете использовать МОП-транзисторы позаботиться об этом, если у вас нет их модуля. В основном драйвер или ESC — это схема, которая позволяет менять полярность транзисторов для изменения полярности питания двигателя благодаря транзисторам, которые его составляют.

преимущество

Между преимущества из бесщеточного мотора выделяется:

• Лучшее соотношение скорости и момента. Следовательно, вы можете извлечь из них больше производительности.
• Лучшая динамическая реакция.
• Повышенная энергоэффективность для экономии энергии. Особенно важно для устройств с батарейным питанием.
• Меньше перегрева. Нет необходимости в дополнительных системах рассеивания или чрезмерном износе.
• Более прочный, так как не требует особого ухода, не имеет трения и износа.
• Меньше шума. Они намного тише, ничего не трогая.
• Более высокая скорость, идеально подходит для приложений, где это важно, например для гоночных дронов.
• Компактный Несмотря на имеющийся у них крутящий момент, они при прочих равных значительно компактнее щеточных двигателей.
• Без обслуживания. У вас не будет несвоевременных остановок из-за износа щеток, вам не придется покупать запасные части, убирать образующуюся пыль и т. Д.

недостатки

Конечно, бесщеточные двигатели хороши не во всем. У них есть свои малыши Недостатки:

• Стоимость, немного выше щеточных моторов. Однако современные технологии означают, что вы можете купить бесщеточный двигатель по хорошим ценам.
• Чтобы управлять им, вам понадобятся драйверы или контроллеры, чтобы вы могли управлять вращением. Сделать это вручную, как в других случаях, невозможно.

Несмотря на это, они единственныемы навязали отрасли и поэтому стоит выбрать один из них .

Бесщеточные шуруповерты: чем они лучше обычных

Бесщеточные моторы известны с 1960-х годов, но только в 2004 году они «перекочевали» с промышленных двигателей на ручной электроинструмент (пионером стала компания Makita, наладившая выпуск таких дрелей для аэрокосмической отрасли). Еще пару лет спустя первые шуруповерты Festool с бесщеточными двигателями поступили в свободную продажу. А сейчас уже практически невозможно найти приличного производителя электроинструмента, у которого в каталоге продукции не было бы пары десятков устройств, оснащенных моторами, не имеющими щеток. Чем же они так хороши? В этой статье мы попробуем разобраться, в чем заключаются преимущества и недостатки бесщеточных двигателей, и есть ли смысл за них доплачивать.

Конструкция и принцип работы двигателя электроинструмента

Начнем с небольшого экскурса в школьный курс физики и вспомним принцип работы простейшего электромотора традиционной конструкции. Основными деталями классического коллекторного двигателя постоянного тока являются:

• статор (индуктор) — это неподвижная деталь в виде кольца из постоянных магнитов либо стального цилиндра, на котором находятся обмотки главных и добавочных полюсов (они выполняют функции электромагнитов, которые создают магнитный поток);
• ротор (якорь) — это вращающаяся деталь в виде «барабана» с сердечником из ферромагнитного материала. В его пазах уложены секции медной обмотки;
• коллектор — это цилиндр, собранный из множества изолированных друг от друга медных пластинок, количество которых соответствует числу секций на роторе;
• щетки — это небольшие детали, сделанные из графита. Они подключены к электроцепи и подпружинены, чтобы обеспечить постоянный и плотный скользящий контакт с коллектором.

Устройство коллекторного двигателя.

При включении двигателя ток через щетки поступает на коллектор, а оттуда — на обмотку якоря. При протекании тока через обмотку возникает магнитное поле. Взаимодействуя с постоянным магнитным полем, которое создает статор, ротор вращается за счет того, что одноименные полюса отталкиваются, а разноименные — притягиваются друг к другу. При вращении коллектора, который закреплен на одном валу с якорем, щетки «перескакивают» с одной контактной площадки на другую. При этом меняется направление тока в обмотках ротора, разноименные полюса становятся одноименными, они снова отталкиваются друг от друга — и вращение продолжается. Таким образом, коллектор — это один из самых важных узлов коллекторного (щеточного) двигателя, потому что он выполняет сразу две важные функции: преобразует постоянный ток в переменный и одновременно является датчиком поворота вала.

Двигатели данной конструкции относительно простые и дешевые. Но коллекторно-щеточный узел — это источник потенциальных проблем. Трение между деталями и постоянное замыкание-размыкание пластинчатых контактов приводят к быстрому износу щеток, искрению на контактах и чрезмерному нагреву двигателя.

Разница между бесщеточными двигателями и обычными моторами

Вентильные (бесщеточные, бесколлекторные) двигатели работают по тем же физическим принципам, но устроены иначе. Они являются словно бы «вывернутой наизнанку» версией коллекторных моторов: магниты установлены на роторе, а обмотка — на неподвижном статоре. Таким образом, можно просто припаять провода питания к обмотке и избавиться от щеток вместе со всеми их недостатками.

Устройство бесщеточного двигателя.

Если у коллекторного двигателя переключение направления тока производится механически (при «перескакивании» щетки с одной контактной пластины на следующую), то в вентильном моторе этим занимается электроника. Получая сигналы от датчика (оптического, магнитного или основанного на эффекте Холла), который «считывает» угол поворота ротора, электроника своевременно переключает полюса, изменяя направление тока. То есть, комплекс из датчика и управляющей платы выполняет функции коллектора, но без механических и электрических потерь за счет отсутствия физического контакта между подвижной и неподвижной частями электромотора.

Преимущества бесщеточных двигателей в теории

Зная, как устроены оба вида электромоторов, и в чем заключается разница между коллекторными и бесщеточными двигателями, можно сделать выводы об их преимуществах и недостатках.

• меньше по размеру — отсутствие коллектора позволяет сократить длину двигателя (при примерно одинаковом диаметре) и уменьшить его вес;
• более надежные — механический износ отсутствует практически полностью, а абразивная пыль, попадающая внутрь корпуса, не так вредна из-за отсутствия коллекторно-щеточного узла;
• меньше греются — при работе выделяется значительно меньше тепла благодаря существенному уменьшению потерь на трение;
• более энергоэффективные — электрические потери на коммутацию снижены в разы за счет замены коллектора и щеток на электронные ключи. Коэффициент полезного действия у бесщеточного двигателя достигает 80% – 90% (по сравнению с 65% – 75% у коллекторного мотора);
• лучше переносят короткие перегрузки — при работе под большой нагрузкой остается некоторый «запас прочности», позволяющий на короткое время повысить напряжение в цепи и увеличить тепловыделение от обмоток без вреда для мотора.

Преимущества бесщеточного инструмента на практике

Описанные выше теоретические преимущества на практике дают потрясающий результат. Шуруповерты с бесщеточными двигателями:

• меньше и легче — разница в размерах и весе двигателей позволяет производителям выпускать легкие и компактные устройства, которые значительно удобнее в работе;
• более мощный и оборотистый — замена механических узлов на электронные системы управления позволяет более эффективно расходовать энергию и гибче управлять характеристиками мотора;
• дольше работает на одной зарядке — аккумуляторные шуруповерты с бесщеточными двигателями работают от батареи на 30% – 50% дольше, чем устройства с традиционными электромоторами;
• не перегревается — незначительное тепловыделение от вентильного двигателя позволяет делать меньше пауз во время работы для охлаждения инструмента;
• работает тише и плавнее — трение в коллекторно-щеточном узле неизбежно вызывает шум и повышенную вибрацию, а бесщеточные моторы лишены этого изъяна;
• не искрит — шуруповерты с вентильными двигателями можно использовать при работе рядом с топливными емкостями или кислородными баллонами;
• требует меньше обслуживания — о проблемах, связанных с подбором, покупкой и заменой графитовых щеток, можно полностью забыть;
• реже выходит из строя — отсутствие пары трения «щетка-коллектор», способность переносить высокие нагрузки и стойкость к воздействию пыли значительно повышают надежность электроинструмента и существенно увеличивают срок его службы.

Наглядно о разнице между бесщеточными двигателями и обычными:

Почему бесщеточный инструмент такой дорогой

Так почему же бесщеточный шуруповерт стоит значительно дороже, чем аналогичные устройства с двигателями традиционной конструкции? Тому есть несколько веских причин. Высокая цена обусловлена наличием нескольких дорогостоящих деталей и элементов.

• Мощные неодимовые магниты, необходимые для создания компактных роторов бесщеточных двигателей, весьма дороги. Они изготавливаются по сложному технологическому процессу путем спекания недешевых редкоземельных элементов.
• Требования к качеству датчиков очень высокие. Они должны быть сверхнадежными и максимально точными, чтобы включать и выключать подачу тока синхронно с движением магнитов, которые находятся на роторе, вращающемся с огромной скоростью.
• Электроника, способная управлять бесщеточным двигателем, на порядок дороже, чем аналогичные модули коллекторных моторов. Грубо говоря, работой бесщеточного шуруповерта управляет не примитивная плата, а почти что микропроцессор, который постоянно отслеживает множество параметров и на лету их изменяет, в зависимости от того, какая задача является наиболее приоритетной в данный момент (максимальные мощность и момент на валу, оптимальное потребление энергии АКБ или защита от перегрузки).

Совокупность перечисленных факторов и является той причиной, почему бесщеточный инструмент такой дорогой.

Но у столь сложной и высокотехнологичной конструкции есть и «побочный эффект». Бесщеточный инструмент дорогой не только в производстве, но и в ремонте. В случае повреждения или выхода из строя основные детали бесколлекторного двигателя (якорь и электронные платы) меняются только целыми узлами в сборе. Поэтому ремонт бесщеточного инструмента нередко «влетает в копеечку».

Стоит ли покупать инструмент с бесщеточным двигателем?

В заключение можно сделать вывод, что бесщеточный двигатель — это не маркетинговая уловка, а реальное преимущество. Но приобретение инструмента с таким мотором целесообразно не всегда.

Если вы планируете купить аккумуляторный инструмент профессионального класса, то стоит присмотреться к бесщеточным устройствам. Несмотря на разницу в цене, покупка будет оправданной, поскольку шуруповерты, болгарки, дрели, реноваторы и другая техника, оснащенная современными бесколлекторными моторами, служат дольше и не так быстро «убивают» дорогостоящие аккумуляторы .

А вот при выборе инструмента хобби-класса переплачивать за «новомодный» двигатель пока что нет смысла. При эпизодическом использовании и работе в неспешном темпе дома или на даче разница в характеристиках между бесщеточными шуруповертами и обычными будет далеко не столь заметна.

Какой шуруповерт лучше: щеточный или бесщеточный

Для многих приобретение инструментов сложный и длительный процесс. Необходимо изучать технологические характеристики, сравнивать модели и их стоимость. Поэтому выбирая из нескольких вариантов: шуруповерт безщеточный или обычный, какой лучше может сказать только профессионал или человек, который пользовался ими на практике.

Понятно, что технически преимуществ у бесщеточных моторов гораздо больше. У него самый высокий КПД, доходящий до 90 %. Данный показатель у остальных видов изделий намного ниже.

Возможность обходится без зарядки ценна, только когда рядом нет сети электричества.

Важно! Небольшой вес снижает утомляемость во время работы, и дает возможность выполнить ее более быстро и качественно.

Таким образом, инверторный шуруповерт выгоднее из-за своих характеристик и эффективности. Но цена слишком высока для широкого круга покупателей.

У классических вариантов технология надежная и проверенная. Их легко ремонтировать, кроме того, стоимость деталей не велика. Для многих это оптимальный вариант. Главное при выборе — проверить качество прибора.

Конечно, более дорогой бесщеточный вариант лучше. Но здесь каждый покупатель должен решать исходя из собственных финансовых, пользовательских приоритетов.