В чем отличие коллекторного двигателя от бесколлекторного

Какая разница между коллекторным и бесколлекторным двигателем, их преимущества и недостатки

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.

Коллекторный двигатель

Коллекторный двигатель – это двигатель, оснащенный щетками, или же щеточно-коллекторным узлом, который и отвечает за приведение в движение данного механизма. Иными словами, коллектор – это совокупность нескольких контактов. Коллекторный двигатель достаточно прост в управлении, а источником питания для него может быть как батарея, так и аккумулятор.

Преимущества коллекторного двигателя заключаются в следующих качествах:

• он имеет сравнительно небольшой вес и компактный размер;
• его стоимость значительно ниже стоимости бесколлекторного двигателя;
• коллекторный двигатель пригоден к ремонту.

Но наряду с преимуществами, данный вид двигателя имеет и недостатки:

• коэффициент полезного действия коллекторного двигателя не превышает 50-60%;
• слишком быстрый износ двигателя за счет высокой скорости трения его щеток.

Скорость работы коллекторного двигателя одновременно является и преимуществом данного типа механизма, и его недостатком. С одной стороны, она позволяет проводить работу на высоких оборотах, но с другой – становится причиной перегрева мотора и дальнейшего выхода его из строя.

Бесколлекторные двигатели

Название электродвигателя говорит об отсутствии токосъемного устройства. Что является основной конструктивной разницей. Это позволяет снизить потери на трение и повысить мощность. При этом постоянные магниты смонтированы на роторе, а обмотки размещены на статоре.

Выпускаются бесколлекторные двигатели, у которых магниты смонтированы на корпусе. В этом случае корпус выполняет функцию ротора.

Для пуска двигателя требуется специальное устройство (контроллер или коммутатор), что увеличивает стоимость бесколлекторных электродвигателей.

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.

Коллекторный и бесколлекторный двигатель

Чем отличаются коллекторные двигатели от бесколлекторных, главные преимущества и недостатки обоих типов.

В инженерном деле не существует идеальных решений, возможно, найти только оптимальное решение для конкретной прикладной задачи. Возможные технические решения для управления движением широко варьируются в зависимости от задач — от устройств для исследования космоса, где стоимость является несущественной и требуется абсолютная надежность работы, до скоростных упаковочных линий, которые работают в круглосуточном режиме без выходных. К счастью, команды разработчиков имеют множество вариантов для выбора. Одно из ключевых решений, которое нужно принять — использовать коллекторный или бесщеточный электродвигатель постоянного тока. Для этого нужно понять чем отличаются коллекторные двигатели от бесколлекторного аналога.

Щеточные электродвигатели постоянного тока

Прежде чем перейти к рассмотрению за и против, давайте рассмотрим конструкцию электродвигателя. Электродвигатель состоит из ротора (также называемого якорем) и статора. Хотя также существуют некоторые вариации, когда двигатели со стационарным ротором и вращающимся статором, для целей этой статьи давайте ограничимся обсуждением двигателя со стационарным статором, окружающим центральный вращающийся ротор. Статор состоит из пары постоянных магнитов с противоположным расположением полюсов, а ротор — из перекладины, обмотанной проволокой в противоположных направлениях с каждой стороны (см. Рис. 1). Когда обе катушки подключены к источнику питания, они действуют как электромагниты с противоположными полярностями.

Электродвигатели работают за счет сил Лоренца, которые возникают при прохождении электрического тока через обмотки, расположенные в магнитном поле. Воздействие этих сил заставляет ротор поворачиваться вокруг своей оси. Крутящий момент, создаваемый силой Лоренца, является векторным произведением, что означает, что когда полюса электромагнитов, образованных обмотками ротора, выровнены с противоположными полюсами магнитов статора, сила падает до нуля, а ротор прекращает вращение.

Однако изменение направления тока в обмотках приведет к изменению полярности электромагнитов. Сила будет восстановлена и ротор возобновит движение. Если это изменение будет происходить каждый раз, при прохождении вертикали статора, ротор будет продолжать вращаться и выполнять полезную работу.
Для изменения направления тока с контролируемой частотой, щеточным двигателям постоянного тока требуют коллектор. Коллектор — это разделенное на сегменты кольцо соответствующим образом подключенное к каждой из обмоток ротора. Когда ротор вращается — тоже происходит и с коллектором. Для того чтобы подвести ток к коллектору к нему с противоположных сторон прижимается пара неподвижных щеток (см. Рис. 2). Когда коллектор/ротор поворачивается, каждый сегмент коллектора последовательно контактирует сначала с одной щеткой/источником тока, а затем с другой. В результате ток в роторных катушках меняется каждый раз при повороте ротора на 180°, поддерживая вращение двигателя.

Это очень простая модель, представленная для примера. Как поясняется в учебном пособии, из практических соображений — щеточные двигатели постоянного тока обычно имеют три или более фаз.
Щетки могут быть изготовлены из различных материалов: сплавы на основе углерода, такие как графит-медь или графит-серебро, драгоценные металлы — золото, серебро или платина. Выбор подходящего материала щеток – зависит от конкретной прикладной задачи.

Графитовые щетки изготавливают из цельных кусков графита. Щетки из графита являются самосмазывающимися и достаточно прочными. Они подходят для больших двигателей, работающих на высокой скорости (выше 1000 об/мин). Недостатком графитовых щеток является то, что они со временем образовывают мусор, который может загрязнить коллектор и привести к сбоям в работе двигателя. Очень важно, чтобы такие щетки использовались при достаточно высоких скоростях для очистки от загрязнений.
Щетки из драгоценных металлов состоят из отдельных нитей, что делает их более хрупкими, чем щетки на основе графита. В тоже время щетки из драгоценных металлов обеспечивают лучшую производительность при более низком электрическом шуме и звуковом загрязнении. Они более компактны и эффективны в приложениях с низким рабочим циклом. Они также хорошо подходят для низковольтных систем, потому что падение напряжения между коллектором и щеткой имеет тенденцию быть низким. С другой стороны, они не обладают эффектом самосмазывания, что приводит к большему износу и необходимости использования внешних смазочных материалов.

Бесщеточные или коллекторные двигатели — За и против

Чтобы в полной мере понять чем отличается коллекторный двигатель от бесколлекторного, стоит взвесить все преимущества и недостатки обоих типов. Щеточные электродвигатели постоянного тока являются лучшим решением в области управления движением. Они экономичны и просты в использовании. Поскольку им не требуется встроенная электроника, они могут выдерживать экстремальные условия. При условии, что щетки выбраны правильно и своевременно обслуживаются, щеточные двигатели постоянного тока могут служить длительное время. Они хорошо подходят для применения в устройствах с умеренными и низкими скоростями.

Щеточные двигатели требуют квалифицированной эксплуатации. Прохождение определенной плотности тока, к примеру, приводит к выгоранию щеток. При избыточной скорости щетки могут слетать с коллектора. Для применения щеточных двигателей на высоте может потребоваться специальное обслуживание – как-то применение таких присадок, как дисульфид молибдена или карбонат лития.

Необходимость в коллекторе и щетках увеличивает размер двигателя. Щетки требуют регулярного обслуживания, поэтому двигатели должны находиться в доступном месте. Поскольку ротор с обмотками находится внутри (статора), щеточные двигатели могут рассеивать тепло только через воздушный зазор, что усложняет задачу теплообмена. Падение напряжения на щетках снижает эффективность щеточных двигателей.

Наконец, трение щеток о контакты коллектора дополнительно снижает эффективность и создает слышимый шум. Трение приводит к уменьшению крутящего момента на высоких скоростях. Кроме выше приведенных недостатков трение щеток о коллектор также может вызвать появление дуги и увеличение электромагнитных помех (EMI); а в худшем случае, могут генерироваться искры, что делает щеточные электродвигатели постоянного тока непригодными для использования во взрывоопасных средах.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока (Вентильные двигатели)

Альтернативой являются бесколлекторные двигатели постоянного тока (BLDC) (Вентильные двигатели (ВД)) или двигатели с электронным коммутатором (ECM). Двигатели BLDC представляют собой синхронные двигатели с постоянными магнитами. Они могут работать как серводвигатели, а также как шаговые двигатели. Это определение также включает двигатели с переключением сопротивлением. С целью сравнения рассмотрим конструкцию двигателя BLDC, которая представляет собой коллекторный двигатель постоянного тока, вывернутый наизнанку. Постоянные магниты установлены на роторе, а статор состоит из ламинированной рамы с катушками. В результате ротор не нуждается в какой-либо проводке, и двигатель не нуждается в коллекторе и щетках.

Хотя двигатели BLDC классифицируются как двигатели постоянного тока и запитываются от источника постоянного тока, они имеют много общего с двигателями переменного тока. Чтобы поддерживать поворот ротора, обмотки статора должны запитываться последовательно; принципиально, это выглядит как импульсный источник тока, как правило, с синусоидальной формой сигнала, когда используется для сервомоторного управления. Для согласования распределения магнитного поля, генерируемое обмотками статора, с распределением магнитного поля ротора, в BLDC двигателях контролируеться угловое положение ротора, как правило, при помощи датчиков Холла. Эта обратная связь используется для управления переключением тока на обмотках.

Поскольку в двигателях BLDC не применяются щетки и коллекторы, они более компактны, чем коллекторные двигатели. Они обеспечивают более высокую производительность в одном типоразмере. Отсутствие щеток снижает необходимость обслуживания и позволяет ротору вращаться на более высоких скоростях. Отсутствие трения выравнивает кривую скорость/крутящий момент, устраняет вероятность искрения и снижает электромагнитное помехи (EMI). Перемещение теплогенерирующих обмоток наружу упрощает теплоотвод. Этот подход также снижает инерционность ротора, позволяя сервомоторам BLDC обеспечивать лучший динамический отклик. Отсутствие падения напряжения на щетках также повышает эффективность BLDC двигателей.

С другой стороны, двигатели BLDC сложнее, чем их коллекторные аналоги. Использование встроенной электроники значительно увеличивает их стоимость.

Как обсуждалось в начале этой статьи, выбор типа двигателя обуславливается требованиями, которые к нему выставляются. Проект с ограниченным бюджетом и с умеренными требованиями к характеристикам двигателя может отлично быть реализован с использованием коллекторного двигателя постоянного тока. Если для проекта более важными являются производительность и рабочий цикл BLDC двигатель может быть лучшим решением. Оригинальный производитель оборудования и конечные пользователи должны учитывать не только возможности двигателя, но и возможности своего персонала по инсталляции и обслуживанию оборудование. Эффективное техническое решение может быть принято только при обоснованном выборе оборудования.

В чем разница между коллекторным и бесколлекторным мотором?

Радиоуправляемые модели оснащаются двумя типами моторов: электрическими или двигателями внутреннего сгорания. Вторые в последнее время получили меньшее распространение, так как требуют специального ухода и для их работы необходимо топливо.

С электрическими моторами все гораздо проще, им нужен только аккумулятор или одноразовые батарейки. В свою очередь электромоторы делятся на два типа:

Профи отлично знают разницу между этими двумя типами, а вот новички всегда задают вопрос: чем отличается коллекторный двигатель от бесколлекторного? И модель с каким мотором предпочтительнее купить?

Поэтому мы составили краткий ликбез по этим вопросам.

Основные отличия

Принцип работы обоих типов моторов одинаков: необходимость на выходе получить вращение вала. Внутри же они максимально различны, коллекторные оснащаются щеточно-коллекторным узлом, отсюда второе название — щеточные. Состоит двигатель из ротора (коллектор, подвижная часть) и статора (неподвижная часть). С коллектором соприкасаются щетки статора.

Коллектор подводит ток к обмотке ротора, последовательно соединенной с обмоткой статора. Простые двигатели этого типа имеют всего два провода с положительным и отрицательным зарядом, с их помощью мотор подключают к регулятору скорости.Такие двигатели можно запитать напрямую от источника питания (аккумулятора или батареек с допустимым для двигателя напряжением), но без регулятора скорости мотор будет работать на максимальных для такого напряжения оборотах.

Бесколлекторные в свою очередь не имеют щеток, поэтому их еще называют бесщеточными, для их работы необходим трехфазный переменный ток. Поэтому регулятор коллекторного мотора сюда не подойдет. Для подключения этого мотора имеются три провода. Его конструкция сложнее, поэтому и стоимость значительно выше.

Принцип работы существенно отличается — в этом случае статор подвижный, а ротор зафиксированный с трехфазной обмоткой. Именно за переключение обмоток отвечает регулятор.

Преимущества и недостатки коллекторных моторов

В первую очередь принято считать основным преимуществом стоимость таких механизмов, из-за простоты конструкции щеточные двигатели значительно дешевле. Но это не единственное достоинство, кроме дешевизны можно еще отметить: компактность, меньший вес и возможность использовать во влажной среде.

Основной недостаток заключается в низком уровне износоустойчивости. Щеточный механизм имеет ограниченный ресурс и быстро выходит из строя. Под словом “быстро” подразумеваем что по запасу времени работы коллекторные электродвигатели значительно уступают бесколлекторным. Но, при этом, при правильной эксплуатации могут прослужить долгое время.

Достоинства и недостатки бесколлекторных электродвигателей

Если радиоуправляемая модель оснащается бесщеточными моторами, ее стоимость значительно возрастет. Это связано не только с дороговизной самого мотора, но и регулятор для него стоит дороже. Пожалуй, именно стоимость является существенным недостатком.

Основные достоинства:

• высокий уровень надежности (износостойкости),
• большая мощность и тяга,
• большая скорость (частота вращения),
• долговечность.

К тому же бесщеточные моторы, как правило, имеют более надежный корпус закрытого типа, который защищает внутренности от пыли и влаги.

Ликбез по техническим характеристикам

Внешне электромоторы легко различимы, коллекторные более вытянуты и в основном имеют простую цилиндрическую форму с двумя проводами. Бесколлекторные более бочкообразные и имеют три провода для подключения.

Основной параметр для щеточных — это класс. Значение класса состоит из длины корпуса х 10. Например, моторы 300-го класса имеют длину корпуса 30 мм. Кроме этого может быть указано для модели какого масштаба подходит мотор, его направление вращения и другие параметры.

Бесщеточные электродвигатели тоже имеют свою маркировку, обычно это 4 цифры — диаметр и длина статора. Для примера возьмем электродвигатель iFlight XING2 1806 FPV Motor Unibell (1600KV) 6S для квадрокоптеров. Это бесколлекторный мотор постоянного тока, разработанный для радиоуправляемых FPV квадрокоптеров (можно применять для самолетов). Маркировка 1806 говорит нам о том, что диаметр статора составляет 18 мм, а его длина — 6 мм.

Следующим идет значение количества оборотов двигателя на 1 Вольт напряжения. В данном случае на 1V приходится 1600 об/мин. Это значение достигается без нагрузки. Используя пропеллер или другой элемент, скорость вращения изменится в меньшую сторону.

6S — указывает на максимальное количество элементов (ячеек ) в подключенном литиевом аккумуляторе. Таким образом можно узнать наибольшее рабочее напряжение мотора (номинал: 6 x 3,7v = 22,2v).

В других электродвигателях маркировка может отличаться, встречаются наименования содержащие информацию о количестве витков, например 12T — говорит о том, что на статоре мотора 12 оборотов проводника (проволоки).

Возможно вы встречали такой набор как 12N14P. Это сокращение обозначает количество магнитов. В данном случае имеется 12 электромагнитов , а цифра 14 указывает на количество постоянных магнитов.

Вращение

Оба типа моторов, как щеточные, так и бесщеточные могут иметь свое направление вращения. Определить в какую сторону вращается вал можно посмотрев в технические характеристики. Некоторые модели имеют маркировку с указанным направлением вращения. За это обычно отвечают литеры CW и CCW.

Прямое направление обозначается CW, от английского слова Clockwise, что значит — по часовой стрелке. В свою очередь CCW — Counter Clockwise, против часовой стрелки, то есть обратное вращение.

В случае с бесколлекторными моторами, если речь идет о вращении, то это значит что на валу мотора нарезана резьба в определенную сторону. Ведь изменить направления вращения вала можно изменив полярность двух из трех проводов. А резьба левая или правая отвечает за надежное крепление пропеллеров на валу — против движения лопастей, для надежной их фиксации.

Inrunner и Outrunner

Эти два слова скажут вам о схеме двигателя. Inrunner — обмотка расположена по внутренней поверхности корпуса, магнитный ротор вращается внутри. Соответственно, Outrunner — вращается внешняя часть, и внутренняя — стационарна.

Коллекторные (щеточные) моторы имеют схему Inrunner, безколлекторные (бесщеточные) — разные в зависимости от назначения: моторы для квадрокоптеров, самолетов, вертолетов — Outrunner, для автомоделей и катеров — Inrunner.

БК моторы для автомоделей бывают сенсорными и безсенсорными. В этом случае лучше отдать предпочтение первым, так как они более ровно работают, обеспечивают плавный запуск и разумно используют энергию, но нуждаются в таком же сенсорном регуляторе оборотов и имеют цену выше, чем у безсенсорных.

Вот и все что мы хотели сказать, если у вас остались вопросы всегда можете задать их нашим менеджерам по телефону или написать на нашу почту. Всю информацию для связи найдете в разделе Контакты.

Выбор типа электродвигателя для механизма

Нижний порог для выбора между компонентами любого типа — это тип приложения и ограничение затрат для конечного продукта. Например, игрушечный робот, ориентированный на детей от шести до восьми лет, может потребовать от четырех до девяти электродвигателей. Они могут быть коллекторными или бесколлекторными машинами постоянного тока или их компоновкой.

Если данный робот выполняет только основные движения или входит в игрушечный набор, нет необходимости применять бесколлекторные BLDC машины, которые стоят дороже, чем их коллекторные аналоги. Игрушка или набор, вероятно, попадут в мусорный ящик задолго до того, как щетки электрической машины выйдут из строя.

Типичные электроприводы с электродвигателем постоянного тока включают моторизованные игрушки, приборы и компьютерную периферию. Автопроизводители «привлекают» их к электроприводам окон, сидений и другим конструкциям в салоне из-за их низкой стоимости и простого исполнения.

Бесколлекторные электродвигатели более универсальны, главным образом из-за их «сообразительности» в отношении скорости и крутящего момента. Они также поставляются в компактных корпусах, что делает их «жизнеспособными» для различных небольших конструкций. Типичные приложения включают компьютерные жесткие диски, механические мультимедийные проигрыватели, вентиляторы с электронным управлением, беспроводные электроинструменты, HVAC и холодильные установки, промышленные и производственные системы и CD приводы.

Автомобильная промышленность применяет бесколлекторные BLDC машины для электрических и гибридных автомобилей. Эти электродвигатели представляют собой, по существу, синхронные машины с постоянными магнитами в роторе. Другие уникальные применения включают электрические велосипеды, где двигатели устанавливаются в колеса или колпаки, промышленное позиционирование и управление, монтажные роботы и линейные приводы для управления клапаном.