Бесколлекторный электродвигатель что это

Моторы для моделей. Немного теории. Часть 1

Бесколлекторные двигатели постоянного тока называют так же вентильными, в зарубежной литературе BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) или PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor).
Конструктивно бесколлекторный двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Обращаю Ваше внимание на то, что в коллекторном двигателе наоборот, обмотки находятся на роторе.

Давайте сначала узнаем, как работает коллекторный двигатель.

Чтобы узнать, почему бесколлекторные двигатели настолько эффективны и имеют высокую мощность, необходимо знать, как работает стандартный коллекторный мотор.

Обычные коллекторные электродвигатели, имеют всего два провода (положительный и отрицательный), которыми двигатель подключается к регулятору скорости. Внутри корпуса двигателя можно увидеть два изогнутых постоянных магнита, а по центру установлен вал с якорем, на котором намотаны обмотки из медной проволоки. С одной стороны вала якоря устанавливается моторная шестерня, с другой стороны вала расположен так называемый коллектор из медных пластин, через который с помощью угольных щеток ток подается к обмоткам якоря.

Две угольные щетки постоянно скользят по вращающемуся медному коллектору. Как вы можете видеть на рисунке выше, напряжение по проводам через щетки и коллектор поступает к обмоткам якоря, возникает электромагнитное поле, которое взаимодействует с постоянными магнитами статора и заставляет якорь вращаться.

Как начинает вращаться стандартный коллекторный двигатель.
Когда на обмотки якоря поочередно поступает постоянный электрический ток, в них возникает электромагнитное поле, которое с одной стороны имеет «северный» а с другой «южный» полюс. Поскольку «северный» полюс любого магнита автоматически отталкиваются от «северного» полюса другого магнита, электромагнитное поле одной из обмоток якоря, взаимодействуя с полюсами постоянных магнитов статора, заставляет якорь вращаться. Через коллектор и щетки ток поступает на следующую обмотку якоря, что заставляет якорь вместе с валом мотора продолжать вращение, и так до тех пор, пока к мотору подается напряжение. Как правило, якорь коллекторного мотора имеет три обмотки (три полюса) — это не позволяет двигателю застревать в одном положении.
Недостатки коллекторных двигателей выявляются, когда нужно получить огромное количество оборотов от них. Поскольку щетки должны постоянно находиться в контакте с коллектором, в месте их соприкосновения возникает трение, которое значительно увеличивается, особенно на высоких оборотах. Любой дефект коллектора приводит к значительному износу щеток и нарушению контакта, что в свою очередь снижает эффективность мотора. Именно поэтому серьезные гонщики протачивают и полируют коллектор двигателя и меняют щетки почти после каждого заезда. Коллекторный узел стандартного мотора так же является источником радиопомех и требует особого внимания и обслуживания.

Теперь посмотрим, как работает бесколлекторный двигатель.
Основной особенностью конструкции бесколлекторного двигателя является то, что он по принципу работы похож на коллекторный мотор, но все устроено как бы «наизнанку», и в нем отсутствуют коллектор и щетки. Постоянные магниты, которые в коллекторном моторе установлены на неподвижном статоре, у бесколлекторного мотора расположены вокруг вала, и этот узел называется ротор. Проволочные обмотки бесколлекторного мотора размещены вокруг ротора и имеют несколько различных магнитных полюсов. Датчиковые бесколлекторные моторы имеют на роторе сенсор, который посылает сигналы о положении ротора в процессор электронного регулятора скорости.

Из-за отсутствия коллектора и щеток в бесколлекторном моторе нет изнашивающихся деталей, кроме шарикоподшипников ротора, а это автоматически делает его более эффективным и надежным. Наличие сенсора контроля вращения ротора также значительно повышает эффективность. У коллекторных двигателей не возникает искрения щеток, что резко снижает возникновение помех, а отсутствие узлов с повышенным трением благоприятно сказывается на температуре работающего мотора, что так же повышает его эффективность.
Единственный возможный недостаток бесколлекторной системы – это несколько более высокая стоимость, однако каждый, кто испытал высокую мощность бесколлекторной системы, почувствовал прелесть отсутствия необходимости периодической замены щеток, пружин, коллекторов и якорей, тот быстро оценит общую экономию и не вернется к коллекторным моторам … никогда!

Помимо базовых размеров и различных параметров, бесколлекторные двигатели могут подразделяться по типу: с датчиком и без датчика. Двигатель с датчиком используют очень маленький сенсор на роторе и кроме трех толстых кабелей, по которому мотор получает питание, имеют дополнительный шлейф из тонких проводов, которые соединяют двигатель с регулятором скорости. Дополнительные провода передают информацию с датчика о положении ротора сотни раз в секунду. Эта информация обрабатывается электронным регулятором скорости, что позволяет мотору работать плавно и эффективно, насколько это возможно. Такие моторы используют профессиональные гонщики, однако такие двигатели намного дороже и сложнее в использовании.

Бездатчиковая бесколлекторная система, как можно догадаться, не имеет датчиков и дополнительных проводов, а ротор таких двигателей вращается без точной регистрации его положения и оборотов регулятором скорости. Это позволяет сделать двигатель и регулятор скорости проще в изготовлении, проще в установке и в целом дешевле. Бездатчиковые системы способны обеспечить такую же мощность, как датчиковые, просто с чуть-чуть меньшей точностью, а это идеальное решение для любителей и начинающих спортсменов.

О бесколлекторных низкооборотных двигателях и L6234D.

Ниже речь пойдёт про управление низкооборотными трёхфазными бесколлекторными моторами в статичном режиме с использованием трёхфазного моста L6234.

Но сначала немного теории.

Что такое бесколлекторные моторы?

Как следует из названия, эти моторы у которых отсутствует щёточно-коллекторный узел. На вращающейся части – роторе – расположены постоянные магниты. На неподвижной части – статоре – обмотки электромагнитов. В движение такой мотор приводится изменением тока на разных фазах. Одним из примеров таких моторов являются шаговые двигатели. Изменение электрических фаз приводит к смещению ротора на строго предопределённый угол – один шаг.
Также есть моторы, рассчитанные на постоянное вращение. Например, двухфазные бесколлекторные моторы используются в компьютерных вентиляторах. Трёхфазные моторы используются в моделировании, а также в приводе электрических велосипедов и скутеров.
Отсутствие скользящих контактов щёток позволяет достигать большой мощности и долговечности.

Трёхфазные моторы

Рассмотрим типичный трёхфазный мотор, используемый в авиамоделировании.
Если ротор с магнитами расположен внутри кольца, образованного электромагнитными катушками, то такой мотор называют inrunner, такие моторы чаще используются в автомоделизме. В авиамоделизме популярна обратная компоновка: корпус ротора с кольцом магнитов вращается вокруг статора с электромагнитами (см. рисунок).

Эти моторы также подразделяются по количеству электромагнитов и количеству полюсов. Наиболее распространённая компоновка 12N14P что означает наличие 12 обмоток статора и 14 магнитных полюсов на роторе. Число полюсов всегда кратно 2: ведь полюса бывают только двух типов – северный и южный. Число обмоток кратно трём, поскольку двигатель трёхфазный. На схеме показана намотка обмоток. A B C – намотка соответствующей обмотки в одну сторону, -a -b -c – в противоположную.

В большинстве случаев обмотки соединяются «звездой», как показано на схеме. Подавая попарно на выходы напряжение той или иной полярности, контроллер мотора пробегает полный электрический цикл, состоящий из 6 смен полярностей. За этот цикл ротор проворачивается на два магнитных полюса. То есть, в нашем случае, чтобы мотор совершил один оборот, электрические фазы должны пройти 7 полных циклов.

Трёхфазный мост

Для электрической коммутации используются трёхфазные мосты, представляющие из себя три блока (полумоста), в каждом из которых по два транзистора – на плюс и на минус. Для управления мотором на одном из трёх полумостов выбирается «плюс», на другом «минус», а третий остаётся отключенным. При помощи ШИМ, транзисторы импульсами коммутируют фазу двигателя к выбранной полярности, пока он не провернётся на нужный угол. Затем схема коммутации меняется. Микроконтроллер в плате управления двигателем определяет моменты, когда фазы должны быть переключены. Для этого используются либо установленные на моторе датчики Холла, либо же ЭДС, возникающая в проводе свободной фазы.
Для управления маломощными моторами годится трёхфазный мост L6234.

L6234 представляет собой сборку в одном корпусе трёх полумостов, на двух n-МОП транзисторах каждый, драйверов к ним и схемы подкачки напряжения для верхнего ключа. Каждый полумост управляется значениями на двух входах: один из них выбирает полярность (коммутировать плюс, или минус), а второй включает, или отключает полумост. Для управления высокоскоростными моторами вход включения можно использовать для контроля мощности при помощи ШИМ.

Максимальный ток, на который рассчитана микросхема — 4 Ампера.

Низкоскоростные моторы

Обмотки высокооборотистых моторов наматываются пучком толстой проволки, небольшим числом витков, порядка 10-20. Они обладают очень маленьким сопротивлением постоянному току, сила тока достигает десятков Ампер, и если мотор не вращается, обмотка может перегретсья и перегореть.
Но существует разновидность таких моторов, которые предназначены для работы в статичном положении. Их обмотки наматываются большим числом витков (порядка 100) тонкой проволкой. Подавая различные значения напряжений на входы, можно создать в его обмотках магнитное поле нужной полярности, и тем самым зафиксировать его в нужном положении.

Такие моторы представляют собой промежуточное звено между шаговыми двигателями и высокоскоростными моторами: они позволяют статично фиксировать произвольное положение, но не ограничены определёнными «шагами». Используются, в основном, в стабилизирующих подвесах для видеокамер в аэровидеосъёмке. По-английски такие подвесы называются gimbal (=универсальный шарнир), а моторы так и называют gimbal motor.

Управление gimbal-мотором

Для управления можно использовать тот же самый трёхфазный мост L6234. На входы включения (ENx) подаётся постоянный высокий уровень, то есть все три полумоста постоянно включены. А вот входы выбора полярности (INx) подключаются к ШИМ-выходам микроконтроллера. В микроконтроллерах типа ATmega48/88/168/328 и т.п. можно настроить 6 ШИМ-выходов, а значит, управлять сразу двумя такими моторами.
Очень важно, чтобы все ШИМ выходы работали синфазно. То есть, если каждый ШИМ настроен на одно и то же значение, то переключаться они должны строго одновременно. L6234 позволяет коммутировать на частоте до 50кГц, поэтому, для плавной бесшумной работы, можно смело настраивать ШИМ выходы МК на максимальную частоту. При частоте МК 8 МГц и phase-correct режиме выхода, частота ШИМ составит 15 686 Гц.
Для синхронизации таймеров в ATmega48/88/168/328 можно воспользоваться регистром GTCCR, который остановит счёт таймера. Ниже пример настраивающий все 6 ШИМ выходов синфазно. Timer1 при этом работает в 8-битном режиме:

GTCCR = (1 « TSM) | (1 « PSRASY) | (1 « PSRSYNC); // Блокировка счёта
OCR0A = 0;
OCR0B = 0;
OCR1A = 0;
OCR1B = 0;
OCR2A = 0;
OCR2B = 0;

TCCR0A = 0b10100001;
TCCR0B = 0b00000001;
TCNT0 = 0;

TCCR1A = 0b10100001;
TCCR1B = 0b00000001;
TCNT1 = 0;

TCCR2A = 0b10100001;
TCCR2B = 0b00000001;
TCNT2 = 0;

GTCCR &= ~(1 « TSM); // Разблокировка и одновременный запуск таймеров

Если на все 3 ШИМ выхода, управляющие одним мотором, подаётся одно и то же значение, то, хотя полярность каждого моста быстро меняется почти 16 тысяч раз в секунду, поскольку это происходит одновременно, ток через обмотки не идёт. Но если значение ШИМ хоть одного вывода отличается от остальных, то появляется небольшой промежуток времени, когда разные фазы коммутируются с разной полярностью, и через обмотки идёт ток. Чем больше разница значений ШИМ, тем большую часть времени ток будет идти.
Для того, чтобы зафиксировать мотор в нужном положении, значения ШИМ должны быть пропорциональны синусу, со смещением на треть периода (т.е. на 2/3*Pi).
Иначе говоря, значение ШИМ для i-й (от 0 до 2) фазы мотора можно вычислить по формуле:
PWM(i) = 128 + sin(A+ i * 2 / 3 * Pi) * P
Где P – выдаваемая мощность (до 127), A – электрический угол. Изменяя A можно добиться поворота мотора на определённый угол. Напомню, что изменение электрического угла на полный цикл, приводит к повороту мотора на два магнитных полюса. В схеме с 14 магнитами для целого оборота потребуется 7 циклов смены электрического угла
Если вещественную арифметику заменить на целочисленную, а значения синуса хранить в таблице, то скорости МК вполне хватит на управление такими моторами.

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока

На данный момент в разных технических средствах, машинах и механизмах чаще всего используются не обычные, а бесколлекторные двигатели постоянного тока. Такие электродвигатели – BLDC (Brushless Direct Current Motor) – отличаются высокой надежностью, поскольку не содержат щеточно-коллекторного узла, который является слабым местом у обычных моторов синхронного типа.

Устройство бесколлекторного электродвигателя

На практике бесколлекторный электродвигатель постоянного тока имеет высокий КПД и экономичность токопотребления, поскольку энергия не расходуется на лишний нагрев внутренних элементов. Для лучшего понимания функционирования бесколлекторого двигателя электрического тока, стоит подробней рассмотреть его конструкционные особенности. Основные компоненты такого электродвигателя постоянного тока включают в себя следующее:

• Статор. Состоит из неподвижных магнитов или катушек, расположенных вокруг вращающегося ротора. Эти магниты или катушки создают магнитное поле, которое взаимодействует с ротором.
• Ротор. Представляет собой вращающуюся часть двигателя, который содержит постоянные магниты или катушки, создающие второе магнитное поле. Ротор может быть дисковым или цилиндрическим, в зависимости от модификации.
• Датчики Холла. Для управления двигателем и определения его положения вращения на роторе устанавливаются датчики Холла. С их помощью обеспечивается мониторинг магнитного поля ротора и предоставляется обратная связь для электронного управления.
• Электронное управление. Данная система обрабатывает информацию от датчиков Холла и управляет подачей электрического тока в обмотки статора. Это управление позволяет предельно точно регулировать вращение ротора.

Примечательно, что в двигателях используются специальные электронные ключи, которые создают гораздо меньшие потери, нежели при механической коммутации. Наиболее дорогостоящие частью прибора является электронный блок, от управления которого зависят такие параметры, как скорость вращения и мощность двигателя.

Особенности бесколлекторного электродвигателя постоянного тока

Примечательно, что двигатели бесколлекторного типа являются разновидностью синхронных силовых установок, но оснащенных магнитами постоянного тока. Они питаются от цепи через встроенный инвертор, управление которым обеспечивается за счет контроллеров, оснащенных системой обратной связи. Работа происходит следующим образом.
Контроллер подает на фазу мотора ток определенного напряжения, который требуется для создания крутящего момента. После этого приводится в действие вращение ротора и прибор начинает функционировать. Примечательно, что с момента возникновения бесколлекторных двигателей, их конструкция постепенно усложнялась и совершенствовалась. Приборы такого типа являются очень надежными и долговечными, поэтому они стали активно использоваться в разных установках.

Принципы работы бесколлекторного электродвигателя постоянного тока

Принцип работы бесколлекторного двигателя постоянного тока заключается в том, что электроника управления переключает ток в обмотках статора таким образом, чтобы создавать вращательное магнитное поле в статоре. Именно поле взаимодействует с магнитами (или катушками) на роторе, вызывая его вращение.
Датчики Холла при этом обеспечивают обратную связь для определения положения ротора, а также коррекции управляющего сигнала. Для лучшего понимания того, как работает бесколлекторный электродвигатель постоянного тока, рассмотрим основные узлы такого устройства:

• Магнитное поле. Бесколлекторный двигатель имеет постоянные магниты (обычно на роторе) и статор, который содержит катушки.
• Электроника управления. Бесколлекторные двигатели оборудованы электроникой управления, которая контролирует подачу электрического тока в катушки статора. Эта электроника может быть микроконтроллером или специализированным контроллером.
• Датчики позиции. Для точного управления вращением ротора и определения его положения, бесколлекторные двигатели обычно оснащаются датчиками позиции. Они позволяют предельно точно предоставлять информацию о текущем положении ротора.
• Электронное управление фазами. На основе данных от датчиков позиции электроника управления определяет, какие фазы катушек статора следует активировать, чтобы создать вращающееся магнитное поле. Это позволяет ротору двигаться в нужном направлении.
• Коммутация.Вместо механической коммутации, как в случае бесколлекторных двигателей постоянного тока, бесколлекторные двигатели используют электронику управления. Это качественным образом увеличивает эффективность и надежность работы мотора.

Такие моторы представляют собой эффективные и надежные устройства, которые используются в различных приложениях, включая электроинструменты, автомобильные системы, вентиляторы и многие другие.

Преимущества и недостатки бесколлекторного двигателя

Из особенностей бесколлекторных двигателей постоянного тока выделяют высокую эффективность, отсутствие износа щеток и коллектора, а также повышенную точность контроля вращения, относительно низкий уровень шума. Они широко используются в различных применениях, включая промышленные системы автоматизации, медицинские устройства, электронику для потребителей и многие другие области. Теперь рассмотрим их сильные и слабые стороны.

Преимущества

Такие двигатели обычно более эффективны, чем коллекторные двигатели постоянного тока, так как у них нет механических контактов и потерь при трении коллектора и щеток.

• Долговечность. Благодаря отсутствию коллектора и щеток, бесколлекторные двигатели имеют более долгий срок службы и меньшую вероятность отказа из-за износа деталей.
• Надежность.Из-за отсутствия щеточного узла у коллектора нет искрения и электромагнитных помех, что делает их более надежными в работе.
• Бесшумность. BLDC-моторы работают более тихо, что является весомым плюсом, особенно при монтаже в бытовых приборах, которые устанавливаются в частных домах и квартирах.
• Более высокая мощность и крутящий момент. Двигатели такого типа могут обеспечивать большую мощность и крутящий момент по сравнению с аналогичными DC-двигателями.

Недостатки

• Сложность управления. Моторы требуют сложной электроники для управления и синхронизации фаз статора, что может усложнить их применение, техническое и сервисное обслуживание.
• Высокая цена. Бесколлекторные двигатели обычно более дорогие по сравнению с обычными мотора вследствие более сложной конструкции и требования к электронике.
• Зависимость от электроники.Все BLDC-моторы требуют четкой совместной работы с управляющей электроникой (часто называемой инвертором), причем, если она выйдет из строя, весь двигатель может оказаться нерабочим.
• Сложность ремонта. В случае поломки бесколлекторного двигателя, его ремонт может быть более сложным и дорогостоящим по сравнению с DC-двигателем, где можно легко заменить щетки.
• Ограниченный диапазон скорости. BLDC-двигатели могут иметь ограниченный диапазон скорости по сравнению с некоторыми другими типами двигателей.

В целом, бесколлекторные двигатели постоянного тока являются высокоэффективными и надежными устройствами, однако их применение зависит от конкретных требований, а также ограничений конкретного приложения.

Щеточные и бесщеточные двигатели: принцип работы, устройство, сравнение

Электродвигатели используются в целом ряде электрических, электронных, электромеханических устройств, позволяя облегчать различные процессы, начиная с производства и заканчивая бытом. В оборудовании электродвигатели выполняют задачи по вращению или по перемещению чего-либо.

Где используются электродвигатели

Электродвигатели используются в автоматизированных производственных линиях, станках ЧПУ, роботах и роботизированных установках, электромобилях.

Виды

В зависимости от типа применяемой энергии электродвигатели разделяют на 2 категории: постоянного тока и переменного тока.

Двигатели переменного тока в свою очередь делятся на однофазные и трехфазные.

Первые находят своё широкое применение там, где не требуется высокая мощность – это в основном бытовое оборудование и вспомогательные устройства в промышленности. Вторые подходят к использованию там, где требуется большая мощность для вращения мощных приводов станков, промышленных вентиляторов, конвейерных линий и т.п.

Двигатели постоянного тока широко используются в промышленных приводах, где требуется точная регулировка частоты вращения (автомобилестроение, крановое оборудование и общественный транспорт, на многообразных производствах, в конструкциях тяговых двигателей и оргтехники, ручном электроинструменте).

Внутри каждой категории двигатели разделяются конструктивно ещё на 2 типа: щёточные и бесщеточные, или их еще называют, соответственно, коллекторные и бесколлекторные двигатели, что обозначает одно и то же.

В щеточных двигателях для его работы электрический ток подается на ротор через специальные щетки.

Бесщеточный двигатель работает благодаря меняющемуся по определенному алгоритму электромагнитному полю, которое управляется специальным контроллером. Щеток в нем нет.

Далее в статье мы более подробно рассмотрим их устройство, особенности, преимущества и недостатки, основываясь на двигателях постоянного тока.

Принцип работы и устройство щеточного двигателя

Конструкция щеточных двигателей относительно простая, они состоят из:

Ротора или якоря – это вращающаяся часть, которая преобразовывает энергию электричества в механическую;

Статора, неподвижно закрепленного в корпусе и представляющего собой либо постоянный магнит, либо обмотку возбуждения. Он является источником постоянного магнитного поля, которое и заставляет ротор вращаться. Конструкция статора может быть различной в зависимости от разновидности двигателя постоянного тока. Двигатель постоянно тока с обмоткой возбуждения на статоре выполнен на сердечнике из стальных пластин. Если же двигатель выполнен с постоянными магнитами, то на статоре расположен постоянный магнит, который создает магнитное поле двигателя.

Коллектора (коммутатора) – несколько металлических пластин, размещенных радиально по поверхности вала параллельно друг другу, не соприкасаясь. При вращении двигателя ток попадает в цепь соответствующей пластине обмотки. Он в случае необходимости позволяет менять направление вращения.

Щетки используются для того, чтобы передавать напряжение на обмотки. Они соприкасаются с пластинами коллектора. Их, как правило, две или четыре. Щетки изготавливаются из различных материалов, у которых есть свои достоинства и недостатки: медно-графитовые, угольно-графитовые, графитовые, металлические.

Ротор с обмоткой и коллектор смонтированы на валу, опирающемся на подшипники, которые установлены в боковых фланцах корпуса. Подшипники могут быть двух видов: роликовые и скольжения.

Корпус – это несущая конструкция для всех элементов электродвигателя. Плюс к этому он играет роль наружной оболочки, которая защищает двигатель от грязи, влаги, пыли и различных механических воздействий.

Конструкция бесщеточных двигателей зависит от:

• Типа обмотки: классический — вариант с обмоткой на стальном сердечнике, широко распространенный – полая обмотка без стального сердечника; печатная обмотка плоской или цилиндрической конструкции. В обмотке также могут быть использованы провода различной толщины, схема намотки также может быть разной. За счет этого изготавливаются двигатели, работающие при разном номинальном напряжении и токе. Также обмотки отличаются разной температурной стойкостью, в зависимости от нужд применения.
• Материал магнитов: за долгую историю существования электродвигателей использовалось большое количество материалов, но на данный момент в высокопроизводительных малогабаритных двигателях с постоянными магнитами чаще всего применяется NdFeB из-за своей высокой мощности и SmCo из-за высокой рабочей температуры.
• Типы щеток: чаще всего используются графитовые (применяются при больших токах и частых запусках, но являются источником сильных электромагнитных шумов) или металлические (используются при небольших токах и малых изменениях скорости вращения, при этом испускают малое количество помех).

Принцип работы щеточного двигателя довольно прост. Когда на обмотку ротора через коллектор поступает ток, то она превращается в магнит. Его полюса начинают отталкиваться от полюсов постоянного магнита статора, и ротор начинает вращаться. Скорость и крутящий момент вала двигателя будут зависеть от силы электромагнитного поля вокруг катушки ротора.

Достоинства щеточного двигателя

• Простая конструкция делает срок службы устройства более длительным. Износ щеток можно не принимать во внимание, так как они стоят недорого и меняются легко.
• Легко управлять. Чтобы запустить двигатель, достаточно подать напряжение на обмотки.
• В двигателе нет электронных элементов, что позволяет использовать их в жестких климатических условиях, даже при сильной радиации.
• Низкая стоимость. Учитывая простоту конструкции, они гораздо дешевле бесщеточных аналогов.

Недостатки щеточных моторов

• Низкий КПД, порядка 60%. Отсюда производительность ниже, чем у бесщеточных двигателей.
• Щетки быстро изнашиваются при максимальных оборотах мотора.
• Ограничение скорости вращения. Это связано с тем, что щетки, соприкасаясь с пластинами коллектора, при быстром вращении вала начинают искрить. Допустимая скорость вращения щеток зависит от материала их изготовления.

Устройство и принцип работы бесщеточного двигателя

У бесщеточного двигателя тоже есть ротор и статор, но у него отсутствует коллектор и щетки. Эти элементы заменяют датчик Холла, измеряющий угловое положение ротора и контроллер, создающий необходимый момент и скорость.

В принцип действия бесщеточного двигателя заложены физические свойства электромагнитной индукции. Энергия электричества трансформируется в механическую из-за изменений полярности магнитного поля. Так, зачастую на статоре располагается трехфазная обмотка. На роторе установлен постоянный магнит с двумя или несколькими парами полюсов. Трехфазная система напряжений, приложенная к обмотке статора, создает вращающееся магнитное поле, которое при взаимодействии с постоянным магнитом на роторе приводит его в движение.

Ротор постепенно поворачивается, вместе с ним вектор его магнитного поля поворачивается по направлению к магнитному полю статора. Это направление отслеживает управляющая электроника (датчик положения ротора) и изменяет напряжение обмотки статора таким образом, чтобы его магнитное поле поворачивалось, опережая магнитное поле ротора.

Стоит обратить внимание на то, что бесщеточные двигатели бывают синхронными и асинхронными. В синхронном электродвигателе скорость вращения электромагнитного поля совпадает со скоростью вращения ротора. Один оборот равен одному прохождению тока по проводам катушки. В асинхронных двигателях частота прохождения тока выше, по этой причине вал с ротором вращается медленнее.

Преимущества бесщеточных двигателей

• Бесщеточный двигатель не искрит и не трется, не загрязняется по причине разрушения щеток. И, как следствие, больше надёжность и меньше проблем, в т.ч. с обслуживанием.
• Может функционировать на значительно высоких оборотах, разгоняться намного быстрее. Скорость может достигать нескольких сот тысяч об/мин.
• КПД доходит до 90%, а значит экономится энергия и время.
• Имеют возможность регулировки оборотов и крутящего момента в довольно большом диапазоне.
• Относительно низкий разрядный ток продлевает срок службы аккумулятора.
• Компактные размеры, меньше вес.

Недостатки бесщеточных моторов

• Схема управления двигателями довольно сложная, так как роль коллектора выполняет внешний контроллер.
• Наличие сложной электроники, например датчик Холла, делает двигатель более уязвимым к влиянию жестких факторов окружающей среды: ионизирующее излучение, очень низкие или высокие температуры,
• Дороже. По сравнению с другим типом они более дорогие, если принимать во внимание один бренд и схожесть характеристик.
• Хотя конструкция и надежна, но поломки могут быть и тут. Бесщеточные двигатели починить гораздо сложнее, хотя это и зависит от того, что именно вышло из строя.

Сравнение щеточных и бесщеточных двигателей

Основная разница между щеточным и бесщеточным двигателем представлена в таблице:

Параметры для сравнения	Щеточный двигатель	Бесщеточный двигатель
Элементы	Наличие щеток и коллектора	Не нужны щетки и коллектор
Оперативность	Низкая эффективность	Высокая эффективность
Крутящий момент для одного источника питания	Низкий	Высокий
Шумы	Высокий уровень электрических и механических шумов	Низкий уровень электрических и механических шумов
Стоимость	Относительно низкая	Относительно высокая
Контроллер	Для переключения направления вращения и управления скоростью дополнительный контроллер не требуется	Для переключения направления вращения и управления скоростью нужен дополнительный контроллер
Срок службы	Меньший срок бесперебойной работы из-за присутствия щеток	Больший срок бесперебойной работы из-за отсутствия щеток

Заключение

Каждый из типов двигателей находит свое применение в различных областях экономики, при производстве бытовой и специальной техники, инструментов. Существует оборудование, не критичное к высоким скоростям и большим уровням шумов. В таком случае для производства таких устройств можно использовать щеточные двигатели.

При создании медицинского оборудования, высокоточных или требующих высоких скоростей вращения вала устройств, безусловно, необходимо применять бесщеточные двигатели, несмотря на их высокую цену.