В чем разница между коллекторного и бесколлекторного двигателя

Электродвигатель для радиоуправляемой модели: какие бывают и что лучше купить – коллекторный или бесколлекторный

Если вы уже решили, какую именно радиоуправляемую модель хотите купить и точно знаете, что ваш будущий внедорожник, самолет, дрон или быстроходный катер будет оснащен электродвигателем, самое время задуматься, какого типа мотор лучше и надежнее.

Современная RC-модель на электрической тяге может иметь коллекторный или бесколлекторный двигатель. Каждый вариант имеет свои достоинства и недостатки. И разница тут не только в цене, как могут сказать в ближайшем магазине.

Итак, рассмотрим все детально, а выводы относительно того, с каким же моторчиком выбрать машинку (или другую модель) на радиоуправлении, пусть каждый делает самостоятельно.

Коллекторный электродвигатель: плюсы и минусы конструкции

«Brushed», «щеточный», «коллекторный» – все это названия первого типа электромоторов, которые пользуются популярностью как среди начинающих пилотов, так и среди профессиональных спортсменов, к примеру, участвующих в гонках или соревнованиях DRIFT.

Важная особенность конструкции – это наличие щеточно-коллекторного узла, являющегося его «сердцем» и непосредственно приводящим RC-технику в движение.

Внешнее отличие коллекторного от бесколлекторного электромотора – наличие всего двух проводов («плюс» и «минус») у коллекторных двигателей и трех проводов («фаз») у бесколлекторных двигателей для дальнейшего подключения мотора к регулятору оборотов (регулятору скорости, аббревиатура «ESC» англ.).

Ротор (подвижная часть) и статор (неподвижная часть) – это два основных элемента мотора коллекторного типа.

Внутри корпуса (статора) вращается подвижный ротор с медной обмоткой. С одной стороны вала ротора установлена передающая шестерня, или шкив, а с другой – коллектор, который, по сути, является набором контактов.

На статоре установлены графитовые щетки – тоже, своего рода, скользящие контакты, которые контактируют с коллектором. Щетки предназначены для передачи электроэнергии на обмотку вращающегося ротора.

С коллекторных двигателей все начиналось, это – «заря» RC-техники, поэтому они более дешевые и просты в обслуживании, но существенно уступают по мощности и времени эксплуатации новому поколению электромоторов.

Коллекторные двигатели

Преимущества

Низкий КПД (около 60%)

Сравнительно низкая скорость движения RC-модели

Простота эксплуатации и технического обслуживания

Быстрый износ составляющих конструкции, очень ограниченный ресурс эксплуатации

Исключительно подходит под определенные виды спортивных соревнований

Достоинства, приведенные в таблице, делают модели, оснащенные коллекторными двигателями, желанными для начинающих пилотов и пилотов-профессионалов для использования на специальных соревнованиях.

Если покупаете радиоуправляемую модель с коллекторным двигателем, учтите, что графитовые щетки и коллектор – это система подвижных контактов, в которой механическая составляющая мотора имеет свои особенности. Возможны искрения и перегрев, а потому – желательно избегать контакта с агрессивной внешней средой (влага, грязь, пыль).

Перед началом эксплуатации модели с коллекторным двигателем, ее желательно проверить, «обкатать» на низких скоростях, чтобы щетки «притерлись» к коллектору.

Бесколлекторный электродвигатель: в чем преимущества

«Brushless», «бесщёточный», «бесколлекторный» – это электромотор для радиоуправляемой модели (автомобиля, катера, самолета, вертолета или квадрокоптера), который был разработан уже в 21 веке. Он воплотил в себя все вожделенные качества любого профессионального RC-моделиста: надежность, мощность, долговечность.

Основная проблема, которой «грешит» любой электромотор – это перегрев. Когда ротор вращается внутри статора в коллекторном двигателе, высокая температура внутри механизма (а, следовательно, и быстрый износ, и частые поломки) – неизбежна.

Гениальное инженерное решение перевернуло мир радиоуправляемых моделей и не только: «А что, если вращать не ротор, а статор? Тогда охлаждение мотора будет происходить автоматически, за счет потоков воздуха создаваемого самим двигателем!»

Бесколлекторный двигатель стал широко использоваться в авиации и автомобиле- и судостроении, а радиоуправляемые модели с такой «начинкой» стали ездить и летать значительно быстрее и намного дольше.

Двигатель бесколлекторного типа приводится в движение за счет переменного тока. В этом случае нужен специальный регулятор скорости (или регулятор оборотов или контроллер), который преобразует постоянный ток аккумулятора в переменный с тремя фазами. Техническая сложность конструкции определяет главный (и, наверное, единственный) недостаток двигателей этого типа – они значительно дороже коллекторных.

Бесколлекторные двигатели

Преимущества

Высокий КПД двигателя (до 92%)

Более высокая мощность в сравнении с аналогичными по размеру коллекторными двигателями

Больший вес, по сравнению с аналогичным коллекторным двигателем

Высокая износостойкость за счет бесконтактной конструкции, соответственно значительно больший ресурс эксплуатации

Крайне нежелательно давать такие модели детям

Высокая степень влагозащиты, защиты от пыли и вязкой грязи

Невероятно высокая скорость движения модели, например, наземные модели могут развивать скорость до 260 км/ч, а воздушные до 350 км/ч.

Бесколлекторные электродвигатели надежные и долговечные, они практически не изнашиваются. Что может выйти из строя – это подшипники, которые легко заменить.

Одна особенность, которую может не заметить в бесколлекторном двигателе новичок, но чему обрадуется профи – это наличие сенсоров. Сенсорные электромоторы практичнее, поскольку установленные датчики (сенсоры) гарантирует очень плавную работу и быстрый старт, а также более рациональный расход энергии.

Есть сенсор или нет, начинающий моделист может не заметить, а вот, по стоимости ощутит сразу – наличие сенсоров делает ценник мотора более «тяжелым».

Как отличить внешне? У моторов с сенсорами кроме трех соединительных проводов есть шлейф из тонких проводков, которые подключаются к регулятору скорости.

Радиоуправляемая модель с бесколлекторным мотором – это выбор профессионалов, особую ценность для которых приобретает скорость и выносливость аппарата на соревнованиях.

Также следует отметить, что в большинстве случаев, для питания регуляторов с бесколлекторными двигателями применяются специальные аккумуляторные батареи литий-полимерного типа, которые могут вырабатывать огромные токи разряда (и это будет отдельная тема для следующей статьи).

Перед покупкой, взвесьте все «за» и «против», обратитесь за консультацией к специалистам и выбирайте модель «под себя» и свои возможности. Главное, что ассортимент рынка RC-моделей обширен и позволяет сделать оптимальный выбор.

Три основные топологии двигателя

Три часто используемые конфигурации маломощных DC-двигателей – коллекторные, бесколлекторные (BLDC) и шаговые. Каждый из них работает благодаря взаимодействию между токами в катушках (или обмотках) и постоянными магнитами (в большинстве конструкций), что приводит к притяжению/отталкиванию магнитного поля, вызывающему вращение. Все три вида двигателей имеют некоторые сходства, но отличаются методом управления переключением тока, протекающего через обмотки ротора и статора.

Они также отличаются возможностью выполнения определенных задач, качеством этого выполнения и гибкостью управления.

• Исторически первым был двигатель коллекторного типа. По мере вращения ротора контактные щетки, представляющие собой сплошные контакты, состоящие, как правило, из графита, касаются соответствующих областей на роторе (рисунок 1). По мере вращения ротора изменение точек контакта щетки вызывает изменение направления потока тока и, следовательно, магнитного поля. Затем взаимодействие магнитного поля между ротором и статором меняется на противоположное, что вынуждает ротор продолжать движение.

Рис. 1. Коллекторный двигатель постоянного тока

Данная механическая схема концептуально проста. Однако ее недостаток в том, что щетки изнашиваются и нуждаются в замене, реализация интеллектуального управления сложна, потому что переключить данный двигатель довольно трудно, к тому же, щетки создают электромагнитные помехи (EMI), также известные как радиочастотные помехи (RFI).

В простейшем варианте коллекторный двигатель не нуждается в электронном управлении – он просто работает в зависимости от токовой и механической нагрузок. В других вариантах силовая шина двигателя включается и выключается при помощи транзисторной схемы, что является простейшим вариантом управления. Также возможно использование микросхемы-драйвера для повышения производительности и обеспечения контроля над скоростью и вращательным моментом.

• В двигателе BLDC механическая коммутация заменена электрической с использованием транзисторов. Чаще всего используются МОП-транзисторы (MOSFET), которые управляются драйвером затвора (в некоторых конструкциях используются биполярные транзисторы с изолированным затвором – IGBT). Отдельный контроллер управляет точным переключением катушки в момент, необходимый для поддержания вращения двигателя на желаемой скорости (рисунок 2).

Рис. 2. Бесколлекторный двигатель постоянного тока

Примечание: двигатели BLDC иногда называют электронно-коммутируемыми (EC) двигателями, что является более точным определением.

В BLDC магнитное поле ротора присутствует всегда, оно генерируется постоянными магнитами. Когда ток направляется от одной фазы двигателя к другой, магнитные поля объединяются, генерируя изменяющееся поле статора.

Управление двигателем производится не только при помощи электроники. Вместо этого переключение может быть сформировано в драйвере затвора с контролируемым временем нарастания и спада для уменьшения EMI/RFI. Основная проблема заключается в том, что более мягкое переключение приводит к потере мощности и снижению КПД двигателя, и в этой ситуации разработчику необходимо найти максимально компромиссное решение. Некоторые новые драйверы затвора используют множество сложных и тонких трюков, чтобы облегчить эту задачу.

• Шаговый двигатель использует концепцию двигателя BLDC, включая в себя большое количество катушек (или полюсов), расположенных по периферии двигателя (рисунок 3). Путем поочередного включения и выключения этих полюсов индуцируется шаг и вращение ротора в прямом или обратном направлении.

Рис. 3. Шаговый двигатель

Полюсов может быть и 16, и 128 (или более), в зависимости от требуемой точности вращения, прямо пропорциональной их количеству. Шаговые двигатели доступны в однополярных двухфазных и биполярных двух-, трех- и пятифазных конфигурациях. Самый распространенный из них – биполярный двухфазный двигатель.

В шаговом двигателе магнитное поле ротора генерируется постоянным магнитом, а магнитное поле статора – током, протекающим в определенной фазе. В результате ротор будет выравниваться в соответствии с магнитным полем статора, чтобы достичь заданного положения.

Шаговый двигатель хорошо подходит для задач, где необходимы быстрые остановка/запуск, позиционирование или движение назад/вперед, однако он не подойдет для долговременной непрерывной работы. Он часто используется в принтерах и приборах с поэтапным позиционированием (это только два из его многочисленных применений). Несмотря на то, что точность позиционирования зависит от числа полюсов, использование усовершенствованного метода, в котором смежные полюсы включаются частично (так называемый «микрошаг»), позволяет более точно управлять переключением и позиционированием.

Бесколлекторный двигатель

Бесколлекторный двигатель, в отличие от коллекторного типа, не имеет щеточно-коллекторного узла. Вместо него в нем располагается ротор с магнитами и статор. Такой конструктив двигателя также обладает своими преимуществами и недостатками. Преимущества бесколлекторого двигателя заключаются в следующих качествах:

• довольно высокий коэффициент полезного действия (порядка 90%),
• конструктив данного типа двигателя защищает его от внешних воздействий окружающей среды (пыли, грязи и влаги),
• бесколлекторный двигатель имеет повышенную скорость работы, но наряду с этим гораздо более устойчив к износу, чем коллекторный тип двигателя.

В свою очередь недостатки бесколлекторого двигателя прямо противоположны преимуществам коллекторного двигателя, а именно такой тип двигателя требует существенных финансовых затрат, а также он довольно сложен в ремонте.

Сравнение электродвигателей и нюансы использования

Между обсуждаемыми двигателями наблюдается несколько явных схожестей. В обоих агрегатах присутствуют специальные провода, подвижная (ротор) и неподвижная часть (статор). В коллекторных и бесколлекторных приборах работа системы начинается с образования магнитного поля. У каждого из этих устройств есть свои сильные и слабые стороны и определенная сфера использования.

И все-таки электродвигатели отличаются друг от друга. Разница касается внешних и внутренних характеристик устройств, а также затрагивает их возможности. Главное отличие кроется в наличии и отсутствии коллектора. Приборы с медным барабаном весят меньше, нежели бесколлекторные двигатели. У электромашины первой категории в арсенале два провода, у второй конструкции в запасе имеется третий. Первый вариант двигателя стоит дешевле, нежели бесколлекторный агрегат. Мощная и высокоскоростная бесколлекторная электромашина участвует в развитии авиационной и даже медицинской области, тогда как коллекторные изделия в основном используют для бытовых приборов.

Установка и применение двигателей зависит от цели его использования. Недорогие коллекторные агрегаты востребованы при создании некоторых детских игрушек, стиральных машин, пылесосов и прочих электрических устройств. Бесколлекторыне чаще встречаются в медицинском оборудовании, в системах охлаждения, самолетах, кораблях и автомобилях. Сфера применения также определяется устойчивостью двигателя к перегрузкам и способом его работы.

Варианты обмоток возбуждения

Подключить коллекторный двигатель постоянного тока можно несколькими способами. Возбуждение мотора зависит от способа подключения обмоток.

• Независимое подключение. Обмотки мотора постоянного тока подключаются отдельно. Для подключения используется два источника постоянного тока. Обмотка статора оснащается реостатом. Он необходим для установки необходимой частоты вращения ротора. Обмотка ротора оборудуется пусковым реостатом. Он нужен для контроля над силой тока в обмотке ротора при запуске силовой установки;
• Параллельное подключение. Питание обмоток якоря и статора осуществляется от одного и того же источника питания. Обмотки оснащены регуляторами;
• Последовательно-соединенное. Электродвигатель такой конструкции имеет обмотку статора, последовательно подключенную с обмоткой якоря. Ротор может быть оснащен регулятором, необходимым для ограничения силы тока при запуске. Статор оснащается реостатом, регулирующим в частоту вращения вала.

ВАЖНО: Использование коллекторного мотора с последовательным подключением без нагрузки, может привести к выходу его из строя.

• Смешанное возбуждение. Данная конструкция использует две катушки подключенные параллельно, и последовательно одновременно.

Плюсы и минусы сравниваемых двигателей

Рассмотрим двигатели с наличием коллектора в конструкции. Область их применения довольно широкая — от детских игрушек до запчастей автомобилей. Такая популярность обусловлена:

• Относительно низкой ценой;
• Легкостью управления: наличие реостата позволяет контролировать скорость, а смена полярности якоря обеспечивает реверс.
• Возможностью подключать прибор в питающую сеть;
• Большой диапазон скорости оборотов ротора;
• Токи относительно небольших значений.

Несмотря на все перечисленные достоинства, пользователи отмечают такие недостатки, как:

• Относительно малый коэффициент полезного действия;
• Недолговечность;
• Необходимость в регулярном техническом обслуживании;
• Сомнительная надежность.

Также следует учитывать тот факт, что использование в помещениях со взрывоопасными материалами запрещено. Нагнетание скорости во время работы двигателя приводит к нарушениям в коллекторе и щетках.

В итоге мощность устройства начинает снижаться и появляется искра.

Как результат, наблюдаются помехи в радиочувствительных приборах. Частые случаи повышения скорости приводят к преждевременной поломке коллектора.

Недостатки подобного рода не встречаются в бесколлекторных двигателях. Это является главным преимуществом. К иным плюсам относятся:

• Отсутствие частей механизма, которые могут тереться. В результате существенно уменьшаются потери мощности.
• Период между проведением ремонта увеличивается за счет отсутствия щеток.
• Длительный срок службы за счет уменьшения вероятности перегрева частей.
• Большая скорость набора оборотов в начале работы.
• Отсутствует вероятность появления искры, что позволяет использовать их в помещениях повышенной пожароопасности.

Что касается недостатков, то для бесколлекторных двигателей это необходимость приобретения дополнительного коммутатора.

Без него невозможно контролировать работу устройства, его скорость движения и направление. В результате цена всего прибора возрастает в несколько раз по сравнению с моделями коллекторного типа.

За счет небольшого веса и значительной мощности, бесколлекторные двигатели часто используют в радиоуправляемых приборах. К таковым относят квадрокоптер, в котором важно сочетание габаритов и коэффициента полезного действия.

Плюсы и минусы бесщеточного двигателя

Если с устройством бесщеточного двигателя мы разобрались, то теперь давайте рассмотрим положительные и отрицательные стороны инструментов с бесщеточными моторами.

Плюсы:

Минусы:

Но не бывает все настолько радужно. Даже у инструментов с бесщеточными двигателями есть и свои недостатки. Так сказать, ложка дегтя в бочке меда.

1. К минусам, в первую очередь стоит отнести стоимость инструментов. Техника с бесщеточным мотором в цене дороже, чем упрощенные модели со щеточным двигателем.
2. Вторым недостатком бесколлекторных инструментов может быть сложное и дорогое техническое обслуживание. Бесщеточный двигатель — технологичное устройство, для работы с которым нужны знания в микроэлектронике. К счастью, в сотрудники наших сервисных центров знают и умеют обслуживать бесколлекторные двигатели.

Разновидности коллекторных двигателей

Для удобства восприятия в любой сфере существует классификация изделий по критериям, признакам, функциональности. Что касается коллекторных установок, классификация проходит по разным параметрам.

Схема универсального коллекторного двигателя.

При классификации по питанию:

1. Универсальный коллекторный двигатель;
2. Коллекторный агрегат (направление движения заряженных частиц в электрическом поле = const);

• С индуктором на постоянных магнитах;
• С индуктором на катушках возбуждения:
• Катушка возбуждения (тип обмотки независимый);
• Катушка возбуждения (тип обмотки параллельный);
• Катушка возбуждения (тип обмотки последовательный);
• Катушка возбуждения (тип обмотки смешанный).

Универсальный коллекторный агрегат.

Установки применяются в быту, коллекторный двигатель переменного тока 220в используется в бытовой технике. Мотор потребляет постоянный и переменный ток. Популярность в применении обусловлена реверсом, регулировкой скорости вращения, необходимостью частоты выше 3000 об./мин.

Применяя однофазный коллекторный двигатель переменного тока, обмотки статора и ротора соединяют последовательно или параллельно. Последний вариант соединения уже никто не делает. Универсальный однофазный коллекторный агрегат работает с переменным и постоянным током.

Недостатки универсального механизма:

• Стоимость агрегата;
• Сложность обслуживания;
• Шумность работы, сложное управление, возникновение радиопомех;
• Полезное действие ниже необходимого, если применяется источник переменного тока;
• Износ щеток по причине образования искр.

Коллекторный агрегат (ток = const).

Индуктор на постоянных магнитах.

Конструктивное отличие от универсальной установки заключается в использовании магнитов, а не катушек возбуждения. Агрегат популярен и распространен в большей степени, чем остальные виды коллекторных установок. Положительный момент, это стоимость и простота конструкции. Кроме того, устройство легко в управлении. Камень преткновения, применяемые магниты, которые напрямую связаны с характеристиками мощности установки. На установку влияет образуемое магнитами поле.

Коллекторный двигатель с индуктором на постоянных магнитах.

Катушки возбуждения (независимая и параллельная)

Название типа получено как следствие независимого питания. Особенность, для возникновения момента питание индуктора и якоря должны отличаться, иначе ротор установки не будет крутиться.

Если нет возможности организовать подачу разного тока, то подключение делается параллельно. Оба типа одинаковы с точки зрения характеристик. Момент у силовых установок высокий (даже на низком вращении), рост частоты — момент уменьшается. Особенность: независимость катушки и якоря. Что бы агрегат вышел из строя, достаточно току, возбуждающему катушку, упасть до значения «0».

Схема независимого возбуждения:

Схема параллельного возбуждения:

Обмотка возбуждения (тип последовательный)

Последовательность, предполагает равное значение тока. При токе статора, значением ниже расчётного, падает мощность потока магнитного. Рост нагрузки сопоставим росту мощности потока, до тех пор, пока не произойдёт выход на предельный уровень, когда рост тока не увеличивает поток магнитный.

Такая особенность не позволяет запускать двигатель, если расчётная нагрузка, ниже 25%. Сделав это, произойдёт резкое неконтролируемое увеличение частоты вращения. Особенность наложила отпечаток на использование агрегатов, однако, если мощность установки ниже 200Вт, возможно падение нагрузки, даже до холостого хода.

Схема последовательного возбуждения.

Обмотка возбуждения (тип смешанный)

В таких агрегатах, установлено две катушки, подключены последовательно и параллельно. Первая носит статус основной за счет возможности применять большую силу магнетизма, вторая обладает статусом вспомогательной. Возможно подключение катушек встречным или согласованным методом. От выбранного подключения зависит, чему будет соответствовать интенсивность поля.

Подключить коллекторный двигатель можно, в случае надобности получения неизменной частоты, или увеличения оборотов при увеличении нагрузки.

Схема смешанного возбуждения.

Следующим шагом развития электрических двигателей стали бесколлекторные моторы. Отличие коллекторного двигателя от бесколлекторного, отсутствие у последнего, как коллектора, так и щеток. Функцию ротора в двигателе выполняют магниты, которые расположены вокруг вала, тут же расположены и обмотки. Положение ротора контролируется датчиком. Информация от датчика обрабатывается вычислителем. Агрегат обладает положительными аспектами, присущими установкам с коллектором, не обслуживается, единственный отрицательный аспект, это высокая стоимость.