Коллекторные и бесколлекторные двигатели в чем разница

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.

Двигатель коллекторного типа

Под понятие коллекторных двигателей попадают различные электромашины, где переключатель тока и роторный датчик по сути являются одним устройством. С его помощью обеспечивается качественное соединение цепей в неподвижном отсеке двигателя с рабочим ротором.

Конструкция включает в себя мощные щётки и непосредственно сам коллектор. Интересно и то, что коллекторный тип мотора обладает преимуществом в виде простоты ухода и эксплуатации, легко ремонтируется и долго служит. Но есть и недостаток, проявляющийся в малом весе при большом КПД. Изначально это может показаться преимуществом. Быстроходность вместе с малым весом вынуждают использовать дополнительно хороший редуктор, иначе нормально эксплуатировать моторчик не получится.

Если же машины подстроить под меньшие значения скорости, то моментально упадёт коэффициент полезного действия. Это, в свою очередь, негативно отразится на эффективности охлаждения.

Многих интересует, что же значит коллекторный двигатель. Фактически это электромашина переменного тока, способная с лёгкостью преобразовывать постоянный ток в механическую полезную энергию. При этом минимум одна обмотка соединяется с основным коллектором.

В зависимости от комплектации и входящих в состав моторчика компонентов, коллекторные двигатели (КД) могут применяться в игрушках, радиоуправляемых моделях и в автомобильных, выступая в качестве составляющего элемента системы охлаждения, вентиляции, стеклоочистителей, насосов омывателя ветрового стекла и пр.

Ведущим производителям удалось создать универсальные моторы коллекторного типа, которые способны функционировать на всех видах тока, то есть на переменном и постоянном. Они нашли широкое применение при создании электрических инструментов, бытовой техники, на ЖД транспорте. Их преимущество в небольшом весе и компактных размерах при достаточно адекватной цене.

Независимо от того, какая полярность у двигателя, этот электромотор будет всегда осуществлять вращения только в одном направлении, то есть в одну неизменную сторону. Это объясняется последовательным соединением роторным и статорных обмоток, что провоцирует одновременную смену полюсов. Потому момент всегда направлен в одну и ту же сторону.

Базовыми составляющими компонентами КД являются:

• Двухполюсный статор, имеющий в своей основе постоянные магниты. В конструкции используются изогнутые магниты соответствующей формы;
• Ротор трёхполюсного типа. Здесь также применяются специфические подшипники, обладающие эффектом скольжения;
• Пластины из меди. Они применяются в роли щёток для двигателя коллекторного типа.

Набор действительно минимальный, потому встречается в основном в наиболее бюджетных и простых версиях коллекторных электромоторов. В их числе моторчики детских игрушек, которые не нуждаются в повышенной мощности.

Если вы хотите получить более качественный КД, тогда в его состав добавляют:

• многополюсные роторы с подшипниками качения;
• графитовые щётки;
• четырёхполюсный статор на основе постоянных магнитов.

Чтобы добиться высокой эффективности, в состав КД включили несколько основных компонентов. А именно:

• Коллектор. Фактически основообразующий элемент двигателя, вступающий в контакт с рабочими щётками. В итоге эти два компонента начинают распределять электроток по катушкам якорной обмотки;
• Статор. Выступает в качестве неподвижной составляющей двигателя;
• Якорь. Обязательный элемент коллекторных электромоторов. Внутри него индуцирует электродвижущая сила и проходит ток. Важно добавить, что якорем может выступать ротор и статор;
• Индуктор. Особая система возбуждения, входящая в состав электромотора коллекторного типа. Служит для создания магнитного потока для того, чтобы вовремя создавать крутящий момент. На индукторе обязательно присутствует возбуждающая обмотка или постоянные машины;
• Щёточки. Щётки входят в состав цепи, по которой следует электрическая энергия от поставщика к якорю. Щётки изготавливаются из высокопрочного графита. В зависимости от конкретного КД, моторчик оснащается 1 парой щёточек и более.

Вне зависимости от компоновки и входящих в состав элементов на основе тех или иных материалов, принцип работы у всех коллекторных типов двигателей остаётся одинаковым.

Принцип работы

Вам будет не сложно представить 2 магнита, у которых есть разные плюса. Попробуйте приставить их друг к другу одноимённым полюсом и посмотрите, что из этого получится. Вам не удастся соединить их, как бы ни старались. Но стоит соединить магниты разными полюсами, как создастся высокопрочное соединение. Именно этот эффект входит в основу работы и устройства коллекторных двигателей.

Вы узнали про устройство КД. Теперь в процессе эксплуатации наверняка захочется узнать, как можно самостоятельно проверить коллекторный двигатель. Для этого следует разобраться в принципе его работы. Функционирует электромотор такого типа следующим образом:

• электрический ток поступает на якорные обмотки;
• в зависимости от того, сколько обмоток используется на моторе, ток поочерёдно поступает на каждую из них;
• тем самым создаётся электромагнитное поле;
• с одной стороны южный полюс, а с другой — северный;
• магнитное поле, появляющееся в обмотках, вступает во взаимодействие с полюсами магнитов статора моторчика;
• это позволяет привести в движение, то есть заставить вращаться якорь;
• ток, проходя через коллектор и щёточки, приходит на следующую обмотку;
• так происходит последовательно, в зависимости от числа якорных обмоток;
• переходя с обмотки на обмотку, вал мотора вместе с якорем начинают вращаться;
• вращение происходит до тех пор, пока есть источник напряжения.

В стандартных моторах коллекторного типа предусматривается использование трёхполюсного якоря. То есть он имеет 3 обмотки. Это позволяет двигателю не залипать в одном из положений.

Преимущества и недостатки

Нельзя отрицать тот факт, что коллекторные движки или же коллекторные электрические двигатели активно применяются в различных сферах и отраслях. В том числе они часто используются в автомобильном производстве.

Но для объективности нужно добавить, что КД используется не всегда и не везде, поскольку в конкретных ситуациях более эффективным и рациональным решением станет бесколлекторный электромотор.

Большой опыт в использовании КД позволяет выделить ряд сильных и слабых качеств эксплуатации такого типа электродвигателя.

К основным достоинствам можно отнести следующие моменты:

• Сравнительно небольшой показатель параметров пускового тока. Это заметно проявляется в ситуациях, когда коллекторные моторы устанавливаются в различную бытовую технику;
• Такие электромоторы можно подключать напрямую к энергоносителю, то есть к сети. При этом исключается необходимость в использовании разного рода дополнительных и вспомогательных приспособлений;
• Высокие показатели быстроходности;
• Независимости от параметров сетевой частоты;
• При наличии схемы управления устройство становится проще.

Но не стоит делать поспешные выводы. Сначала нужно взглянуть на имеющиеся минусы коллекторного двигателя. А именно:

• Общие показатели коэффициента полезного действия снижены. Это обусловлено наличием индуктивности, а также потерь, необходимых для перемагничивания статора;
• Максимальные показатели крутящего момента далеки от совершенства;
• Сравнительно низкий уровень надёжности;
• Относительно небольшой срок службы.

Специалисты выделяют один ключевой недостаток, характеризующий коллекторные типы электромоторов. Никто не спорит, что в коллекторниках очень удобно регулировать обороты. Но если они высокие, сразу же проявляют себя щётки. Причём не с самой лучшей стороны. Щётки всё время находятся в состоянии плотного прилегания к самому коллектору электромотора. При высокой скорости работы начинает их быстрый износ. С течением времени происходит засорение, результатом чего становится появление искр.

Постепенный износ щёток двигателя и всего узла коллектора с щётками способствует снижению общих показателей эффективности работы КД. То есть коллекторно-щёточный узел смело можно считать главным недостатком конструкции. Потому производители всё чаще отказываются от коллекторников, выбирая вместо них бесщёточные аналоги.

Главным конкурентом коллекторного типа электродвигателя выступает бесколлекторный аналог. Он имеет отличный от КД принцип работы, а также характеризуется своими сильными и слабыми сторонами.

Бесколлекторный мотор

Теперь можно поговорить о том, чем же коллекторный двигатель в действительности отличается от рассматриваемого бесколлекторного аналога.

Очевидная разница просматривается при изучении принципа работы бесколлекторного двигателя (БКД). Хотя часто бесколлекторный и коллекторный двигатель сопоставляют друг с другом, воспринимая их как конкурентов, по сути это два разных мотора. Потому и отличия между ними обязательно присутствуют.

Фактически БКД работает наоборот.

• В конструкции не предусмотрено наличие щёток и самого коллектора, что становится очевидным уже исходя из самого названия;
• Если говорить о магнитах, то в случае с бесколлекторником они размещаются обязательно вокруг вала. При этом магниты выполняют роль или функции ротора;
• Обмотки с несколькими магнитными полюсами располагаются вокруг установленного ротора;
• На роторе присутствует датчик. Он же сенсор. Его задача заключается в контроле положения ротора и передаче полученной информации на процессор;
• Этот процессор работает параллельно с регулятором скорости, который отвечает за скорости вращения. Суммарно за 1 секунду обмен информацией происходит около 100 раз минимум.

Подобное устройство и принцип работы позволяет получить более плавный режим работы двигателя при его максимальной отдаче.

В случае с бесколлекторными электродвигателями они могут оснащаться датчиками или сенсорами, а также эксплуатироваться без них. Если датчика нет, это в определённой, но незначительной степени снизит эффективность работы всего электродвигателя.

Распознать БКД с сенсором и без него достаточно просто. Если у обычного двигателя присутствует 3 провода питания, то в моделях с датчиком дополнительно имеется шлейф, состоящий из тонких проводов. Он идёт от самого моторчика к регулятору скорости.

Преимущества и недостатки

Главный и неоспоримый плюс бесщёточных электромоторов заключается в практически полном отсутствии деталей, способных изнашиваться. Говорить о полном их отсутствии нельзя, поскольку роторный вал устанавливается на подшипники. Именно они всё же могут с течением времени износиться. Хотя даже у подшипников ресурс огромный. Плюс всегда можно быстро и без особого труда заменить подшипник в случае его износа.

Такие особенности конструкции породили преимущества в виде надёжности, высокой эффективности и длительного срока службы. За счёт наличия датчика положения ротора улучшается его производительность и точность в процессе работы.

Вспомните недостаток коллекторных аналогов, где щётки искрятся и быстро изнашиваются, параллельно провоцируя помехи в процессе работы узла, механизма или машины, в которой установлен КД. В случае с бесколлекторными или бесщёточными моторами от такой проблемы удалось избавиться. Никаких искрений здесь не наблюдается.

Бесколлекторники не трутся, не перегреваются, что также справедливо относится к весомым достоинствам механизма. Дополнительное обслуживание в процессе даже очень активной эксплуатации тут не требуется.

Если же говорить про недостатки, то из существенного и всё равно условного можно выделить только один минус. Это более высокая стоимость. Минус условный по причине того, что при своей цене исключается необходимость в замене пружин, якоря, коллектора или щёток. Потому стоимость целиком и полностью себя оправдывает.

Далее уже можно сделать собственные субъективные выводы, отталкиваясь от приведённой выше информации.

Электродвигатели: какие они бывают

В прошлых статьях был рассмотрен принцип работы синхронного и асинхронного электродвигателей, а также рассказано, как ими управлять. Но видов электродвигателей существует гораздо больше! И у каждого из них свои свойства, область применения и особенности.

В этой статье будет небольшой обзор по разным типам электродвигателей с фотографиями и примерами применений. Почему в пылесос ставятся одни двигатели, а в вентилятор вытяжки другие? Какие двигатели стоят в сегвее? А какие двигают поезд метро?

Каждый электродвигатель обладает некоторыми отличительными свойствами, которые обуславливают его область применения, в которой он наиболее выгоден. Синхронные, асинхронные, постоянного тока, коллекторные, бесколлекторные, вентильно-индукторные, шаговые… Почему бы, как в случае с двигателями внутреннего сгорания, не изобрести пару типов, довести их до совершенства и ставить их и только их во все применения? Давайте пройдемся по всем типам электродвигателей, а в конце обсудим, зачем же их столько и какой двигатель «самый лучший».

Двигатель постоянного тока (ДПТ)

С этим двигателем все должны быть знакомы с детства, потому что именно этот тип двигателя стоит в большинстве старых игрушек. Батарейка, два проводка на контакты и звук знакомого жужжания, вдохновляющего на дальнейшие конструкторские подвиги. Все ведь так делали? Надеюсь. Иначе эта статья, скорее всего, не будет вам интересна. Внутри такого двигателя на валу установлен контактный узел – коллектор, переключающий обмотки на роторе в зависимости от положения ротора. Постоянный ток, подводимый к двигателю, протекает то по одним, то по другим частям обмотки, создавая вращающий момент. Кстати, не уходя далеко, всех ведь, наверное, интересовало – что за желтые штучки стояли на некоторых ДПТ из игрушек, прямо на контактах (как на фото сверху)? Это конденсаторы – при работе коллектора из-за коммутаций потребление тока импульсное, напряжение может также меняться скачками, из-за чего двигатель создает много помех. Они особенно мешают, если ДПТ установлен в радиоуправляемой игрушке. Конденсаторы как раз гасят такие высокочастотные пульсации и, соответственно, убирают помехи.

Двигатели постоянного тока бывают как очень маленького размера («вибра» в телефоне), так и довольно большого – обычно до мегаватта. Например, на фото ниже показан тяговый электродвигатель электровоза мощностью 810кВт и напряжением 1500В.

Почему ДПТ не делают мощнее? Главная проблема всех ДПТ, а в особенности ДПТ большой мощности – это коллекторный узел. Скользящий контакт сам по себе является не очень хорошей затеей, а скользящий контакт на киловольты и килоамперы – и подавно. Поэтому конструирование коллекторного узла для мощных ДПТ – целое искусство, а на мощности выше мегаватта сделать надежный коллектор становится слишком сложно (рекорд — 12,5МВт).
В потребительском качестве ДПТ хорош своей простотой с точки зрения управляемости. Его момент прямо пропорционален току якоря, а частота вращения (по крайней мере холостой ход) прямо пропорциональна приложенному напряжению. Поэтому до наступления эры микроконтроллеров, силовой электроники и частотного регулируемого привода переменного тока именно ДПТ был самым популярным электродвигателем для задач, где требуется регулировать частоту вращения или момент.

Также нужно упомянуть, как именно в ДПТ формируется магнитный поток возбуждения, с которым взаимодействует якорь (ротор) и за счет этого возникает вращающий момент. Этот поток может делаться двумя способами: постоянными магнитами и обмоткой возбуждения. В небольших двигателях чаще всего ставят постоянные магниты, в больших – обмотку возбуждения. Обмотка возбуждения – это еще один канал регулирования. При увеличении тока обмотки возбуждения увеличивается её магнитный поток. Этот магнитный поток входит как в формулу момента двигателя, так и в формулу ЭДС. Чем выше магнитный поток возбуждения, тем выше развиваемый момент при том же токе якоря. Но тем выше и ЭДС машины, а значит при том же самом напряжении питания частота вращения холостого хода двигателя будет ниже. Зато если уменьшить магнитный поток, то при том же напряжении питания частота холостого хода будет выше, уходя в бесконечность при уменьшении потока возбуждения до нуля. Это очень важное свойство ДПТ. Вообще, я очень советую изучить уравнения ДПТ – они простые, линейные, но их можно распространить на все электродвигатели – процессы везде схожие.

Универсальный коллекторный двигатель

Как ни странно, это самый распространенный в быту электродвигатель, название которого наименее известно. Почему так получилось? Его конструкция и характеристики такие же, как у двигателя постоянного тока, поэтому упоминание о нем в учебниках по приводу обычно помещается в самый конец главы про ДПТ. При этом ассоциация коллектор = ДПТ так прочно заседает в голове, что не всем приходит на ум, что двигатель постоянного тока, в названии которого присутствует «постоянный ток», теоретически можно включать в сеть переменного тока. Давайте разберемся.

Как изменить направление вращения двигателя постоянного тока? Это знают все, надо сменить полярность питания якоря. А ещё? А еще можно сменить полярность питания обмотки возбуждения, если возбуждение сделано обмоткой, а не магнитами. А если полярность сменить и у якоря, и у обмотки возбуждения? Правильно, направление вращения не изменится. Так что же мы ждем? Соединяем обмотки якоря и возбуждения последовательно или параллельно, чтобы полярность изменялась одинаково и там и там, после чего вставляем в однофазную сеть переменного тока! Готово, двигатель будет крутиться. Есть один только маленький штрих, который надо сделать: так как по обмотке возбуждения протекает переменный ток, её магнитопровод, в отличие от истинного ДПТ, надо изготовить шихтованным, чтобы снизить потери от вихревых токов. И вот мы и получили так называемый «универсальный коллекторный двигатель», который по конструкции является подвидом ДПТ, но… прекрасно работает как от переменного, так и от постоянного тока.

Этот тип двигателей наиболее широко распространен в бытовой технике, где требуется регулировать частоту вращения: дрели, стиральные машины (не с «прямым приводом»), пылесосы и т.п. Почему именно он так популярен? Из-за простоты регулирования. Как и в ДПТ, его можно регулировать уровнем напряжения, что для сети переменного тока делается симистором (двунаправленным тиристором). Схема регулирования может быть так проста, что помещается, например, прямо в «курке» электроинструмента и не требует ни микроконтроллера, ни ШИМ, ни датчика положения ротора.

Асинхронный электродвигатель

Еще более распространенным, чем коллекторные двигатели, является асинхронный двигатель. Только распространен он в основном в промышленности – где присутствует трехфазная сеть. Про принцип его работы написана отдельная статья. Если кратко, то его статор – это распределенная двухфазная или трехфазная (реже многофазная) обмотка. Она подключается к источнику переменного напряжения и создает вращающееся магнитное поле. Ротор можно представлять себе в виде медного или алюминиевого цилиндра, внутри которого находится железо магнитопровода. К ротору в явном виде напряжение не подводится, но оно индуцируется там за счет переменного поля статора (поэтому двигатель на английском языке называют индукционным). Возникающие вихревые токи в короткозамкнутом роторе взаимодействуют с полем статора, в результате чего образуется вращающий момент.

Почему асинхронный двигатель так популярен? У него нет скользящего контакта, как у коллекторного двигателя, а поэтому он более надежен и требует меньше обслуживания. Кроме того, такой двигатель может пускаться от сети переменного тока «прямым пуском» – его можно включить коммутатором «на сеть», в результате чего двигатель запустится (с большим пусковым током 5-7 крат, но допустимым). ДПТ относительно большой мощности так включать нельзя, от пускового тока погорит коллектор. Также асинхронные привода, в отличие от ДПТ, можно делать гораздо большей мощности – десятки мегаватт, тоже благодаря отсутствию коллектора. При этом асинхронный двигатель относительно прост и дешев.

Асинхронный двигатель применяется и в быту: в тех устройствах, где не нужно регулировать частоту вращения. Чаще всего это так называемые «конденсаторные» двигатели, или, что тоже самое, «однофазные» асинхронники. Хотя на самом деле с точки зрения электродвигателя правильнее говорить «двухфазные», просто одна фаза двигателя подключается в сеть напрямую, а вторая через конденсатор. Конденсатор делает фазовый сдвиг напряжения во второй обмотке, что позволяет создать вращающееся эллиптическое магнитное поле. Обычно такие двигатели применяются в вытяжных вентиляторах, холодильниках, небольших насосах и т.п.

Минус асинхронного двигателя по сравнению с ДПТ в том, что его сложно регулировать. Асинхронный электродвигатель – это двигатель переменного тока. Если асинхронному двигателю просто понизить напряжение, не понизив частоту, то он несколько снизит скорость, да. Но у него увеличится так называемое скольжение (отставание частоты вращения от частоты поля статора), увеличатся потери в роторе, из-за чего он может перегреться и сгореть. Можно представлять это себе как регулирование скорости движения легкового автомобиля исключительно сцеплением, подав полный газ и включив четвертую передачу. Чтобы правильно регулировать частоту вращения асинхронного двигателя нужно пропорционально регулировать и частоту, и напряжение. А лучше и вовсе организовать векторное управление, как более подробно было описано в прошлой статье. Но для этого нужен преобразователь частоты – целый прибор с инвертором, микроконтроллером, датчиками и т.п. До эры силовой полупроводниковой электроники и микропроцессорной техники (в прошлом веке) регулирование частотой было экзотикой – его не на чем было делать. Но сегодня регулируемый асинхронный электропривод на базе преобразователя частоты – это уже стандарт-де-факто.

Синхронный электродвигатель

Про принцип работы синхронного двигателя также была отдельная статья. Синхронных приводов бывает несколько подвидов – с магнитами (PMSM) и без (с обмоткой возбуждения и контактными кольцами), с синусоидальной ЭДС или с трапецеидальной (бесколлекторные двигатели постоянного тока, BLDC). Сюда же можно отнести некоторые шаговые двигатели. До эры силовой полупроводниковой электроники уделом синхронных машин было применение в качестве генераторов (почти все генераторы всех электростанций – синхронные машины), а также в качестве мощных приводов для какой-либо серьезной нагрузки в промышленности.

Все эти машины выполнялись с контактными кольцами (можно увидеть на фото), о возбуждении от постоянных магнитов при таких мощностях речи, конечно же, не идет. При этом у синхронного двигателя, в отличие от асинхронного, большие проблемы с пуском. Если включить мощную синхронную машину напрямую на трехфазную сеть, то всё будет плохо. Так как машина синхронная, она должна вращаться строго с частотой сети. Но за время 1/50 секунды ротор, конечно же, разогнаться с нуля до частоты сети не успеет, а поэтому он будет просто дергаться туда-сюда, так как момент получится знакопеременный. Это называется «синхронный двигатель не вошел в синхронизм». Поэтому в реальных синхронных машинах применяют асинхронный пуск – делают внутри синхронной машины небольшую асинхронную пусковую обмотку и закорачивают обмотку возбуждения, имитируя «беличью клетку» асинхронника, чтобы разогнать машину до частоты, примерно равной частоте вращения поля, а уже после этого включается возбуждение постоянным током и машина втягивается в синхронизм.
И если у асинхронного двигателя регулировать частоту ротора без изменения частоты поля хоть как-то можно, то у синхронного двигателя нельзя никак. Он или крутится с частой поля, или выпадает из синхронизма и с отвратительными переходными процессами останавливается. Кроме того, у синхронного двигателя без магнитов есть контактные кольца – скользящий контакт, чтобы передавать энергию на обмотку возбуждения в роторе. С точки зрения сложности, это, конечно, не коллектор ДПТ, но всё равно лучше бы было без скользящего контакта. Именно поэтому в промышленности для нерегулируемой нагрузки применяют в основном менее капризные асинхронные привода.

Но все изменилось с появлением силовой полупроводниковой электроники и микроконтроллеров. Они позволили сформировать для синхронной машины любую нужную частоту поля, привязанную через датчик положения к ротору двигателя: организовать вентильный режим работы двигателя (автокоммутацию) или векторное управление. При этом характеристики привода целиком (синхронная машина + инвертор) получились такими, какими они получаются у двигателя постоянного тока: синхронные двигатели заиграли совсем другими красками. Поэтому начиная где-то с 2000 года начался «бум» синхронных двигателей с постоянными магнитами. Сначала они робко вылезали в вентиляторах кулеров как маленькие BLDC двигатели, потом добрались до авиамоделей, потом забрались в стиральные машины как прямой привод, в электротягу (сегвей, Тойота приус и т.п.), всё больше вытесняя классический в таких задачах коллекторный двигатель. Сегодня синхронные двигатели с постоянными магнитами захватывают всё больше применений и идут семимильными шагами. И все это – благодаря электронике. Но чем же лучше синхронный двигатель асинхронного, если сравнивать комплект преобразователь+двигатель? И чем хуже? Этот вопрос будет рассматриваться в конце статьи, а сейчас давайте пройдемся еще по нескольким типам электродвигателей.

Вентильно-индукторный двигатель с самовозбуждением (ВИД СВ, SRM)

У него много названий. Обычно его коротко называют вентильно-индукторный двигатель (ВИД) или вентильно-индукторная машина (ВИМ) или привод (ВИП). В английской терминологии это switched reluctance drive (SRD) или motor (SRM), что переводится как машина с переключаемым магнитным сопротивлением. Но чуть ниже будет рассматриваться другой подвид этого двигателя, отличающийся по принципу действия. Чтобы не путать их друг с другом, «обычный» ВИД, который рассмотрен в этом разделе, мы на кафедре электропривода в МЭИ, а также на фирме ООО «НПФ ВЕКТОР» называем «вентильно-индукторный двигатель с самовозбуждением» или коротко ВИД СВ, что подчеркивает принцип возбуждения и отличает его от машины, рассмотренной далее. Но другие исследователи его также называют ВИД с самоподмагничиванием, иногда реактивный ВИД (что отражает суть образования вращающего момента).

Подавая постоянный ток в фазы в соответствии с текущим положением ротора можно заставить двигатель вращаться. Фаз может быть разное количество. Форма тока реального привода для трех фаз показа на рисунке (токоограничение 600А):

Однако за простоту двигателя приходится платить. Так как двигатель питается однополярными импульсами тока, напрямую «на сеть» его включать нельзя. Обязательно требуется преобразователь и датчик положения ротора. Причем преобразователь не классический (типа шестиключевой инвертор): для каждой фазы у преобразователя для SRD должны быть полумосты, как на фото в начале этого раздела. Проблема в том, что для удешевления комплектующих и улучшения компоновки преобразователей силовые ключи и диоды часто не изготавливаются отдельно: обычно применяются готовые модули, содержащие одновременно два ключа и два диода – так называемые стойки. И именно их чаще всего и приходится ставить в преобразователь для ВИД СВ, половину силовых ключей просто оставляя незадействованной: получается избыточный преобразователь. Хотя в последние годы некоторые производители IGBT модулей выпустили изделия, предназначенные именно для SRD.

Следующая проблема – это пульсации вращающего момента. В силу зубчатой структуры и импульсного тока момент редко получается стабильным – чаще всего он пульсирует. Это несколько ограничивает применимость двигателей для транспорта – кому хочется иметь пульсирующий момент на колесах? Кроме того, от таких импульсов тянущего усилия не очень хорошо себя чувствуют подшипники двигателя. Проблема несколько решается специальным профилированием формы тока фазы, а также увеличением количества фаз.

Однако даже при этих недостатках двигатели остаются перспективными в качестве регулируемого привода. Благодаря их простоте сам двигатель получается дешевле классического асинхронного двигателя. Кроме того, двигатель легко сделать многофазным и многосекционным, разделив управление одним двигателем на несколько независимых преобразователей, которые работают параллельно. Это позволяет повысить надежность привода – отключение, скажем, одного из четырех преобразователей не приведет к остановке привода в целом – трое соседей будут какое-то время работать с небольшой перегрузкой. Для асинхронного двигателя такой фокус выполнить так просто не получается, так как невозможно сделать несвязанные друг с другом фазы статора, которые бы управлялись отдельным преобразователем полностью независимо от других. Кроме того, ВИД очень хорошо регулируются «вверх» от основной частоты. Железку ротора можно раскручивать без проблем до очень высоких частот.
Мы на фирме ООО «НПФ ВЕКТОР» выполнили несколько проектов на базе этого двигателя. Например, делали небольшой привод для насосов горячего водоснабжения, а также недавно закончили разработку и отладку системы управления для мощных (1,6 МВт) многофазных резервируемых приводов для обогатительных фабрик АК «АЛРОСА». Вот машинка на 1,25 МВт:

Вся система управления, контроллеры и алгоритмы были сделаны у нас в ООО «НПФ ВЕКТОР», силовые преобразователи спроектировала и изготовила фирма ООО «НПП «ЦИКЛ+». Заказчиком работы и проектировщиком самих двигателей являлась фирма ООО «МИП «Мехатроника» ЮРГТУ (НПИ)».

Вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением (ВИД НВ)

Это совсем другой тип двигателя, отличающийся по принципу действия от обычного ВИД. Исторически известны и широко используются вентильно-индукторные генераторы такого типа, применяемые на самолетах, кораблях, железнодорожном транспорте, а вот именно двигателями такого типа почему-то занимаются мало.

На рисунке схематично показана геометрия ротора и магнитный поток обмотки возбуждения, а также изображено взаимодействие магнитных потоков статора и ротора, при этом ротор на рисунке установлен в согласованное положение (момент равен нулю).

Ротор собран из двух пакетов (из двух половинок), между которыми установлена обмотка возбуждения (на рисунке показана как четыре витка медного провода). Несмотря на то, что обмотка висит «посередине» между половинками ротора, крепится она к статору и не вращается. Ротор и статор выполнены из шихтованного железа, постоянные магниты отсутствуют. Обмотка статора распределенная трехфазная – как у обычного асинхронного или синхронного двигателя. Хотя существуют варианты такого типа машин с сосредоточенной обмоткой: зубцами на статоре, как у SRD или BLDC двигателя. Витки обмотки статора охватывают сразу оба пакета ротора.

Упрощенно принцип работы можно описать следующим образом: ротор стремится повернуться в такое положение, при котором направления магнитного потока в статоре (от токов статора) и роторе (от тока возбуждения) совпадут. При этом половина электромагнитного момента образуется в одном пакете, а половина – в другом. Со стороны статора машина подразумевает разнополярное синусоидальное питание (ЭДС синусоидальна), электромагнитный момент активный (полярность зависит от знака тока) и образован за счет взаимодействия поля, созданного током обмотки возбуждения с полем, созданного обмотками статора. По принципу работы эта машина отлична от классических шаговых и SRD двигателей, в которых момент реактивный (когда металлическая болванка притягивается к электромагниту и знак усилия не зависит от знака тока электромагнита).

С точки зрения управления ВИД НВ оказывается эквивалентен синхронной машине с контактными кольцами. То есть, если вы не знаете конструкцию этой машины и используете её как «черный ящик», то она ведет себя практически неотличимо от синхронной машины с обмоткой возбуждения. Можно сделать векторное управление или автокоммутацию, можно ослаблять поток возбуждения для повышения частоты вращения, можно усиливать его для создания большего момента – всё так, как будто это классическая синхронная машина с регулируемым возбуждением. Только ВИД НВ не имеет скользящего контакта. И не имеет магнитов. И ротор в виде дешевой железной болванки. И момент не пульсирует, в отличие от SRD. Вот, например, синусоидальные токи ВИД НВ при работе векторного управления:

Кроме того, ВИД НВ можно создавать многофазным и многосекционным, аналогично тому, как это делается в ВИД СВ. При этом фазы оказываются несвязанными друг с другом магнитными потоками и могут работать независимо. Т.е. получается как будто бы несколько трехфазных машин в одной, к каждой из которых присоединяется свой независимый инвертор с векторным управлением, а результирующая мощность просто суммируется. Координации между преобразователями при этом не требуется никакой – только общее задание частоты вращения.
Минусы этого двигателя тоже есть: напрямую от сети он крутиться не может, так как, в отличие от классических синхронных машин, ВИД НВ не имеет асинхронной пусковой обмотки на роторе. Кроме того, он сложнее по конструкции, чем обычный ВИД СВ (SRD).

На основе данного двигателя мы также сделали несколько успешных проектов. Например, один из них – это серия приводов насосов и вентиляторов для районных теплостанций г. Москвы мощностью 315-1200кВт (ссылка на проект). Это низковольтные (380В) ВИД НВ с резервированием, где одна машина «разбита» на 2, 4 или 6 независимых трехфазных секций. На каждую секцию ставится свой однотипный преобразователь с векторным бездатчиковым управлением. Таким образом можно легко наращивать мощность на базе однотипной конструкции преобразователя и двигателя. При этом часть преобразователей подключено к одному вводу питания районной теплостанции, а часть к другому. Поэтому если происходит «моргушка питания» по одному из вводов питания, то привод не встает: половина секций кратковременно работают в перегрузке, пока питание не восстановится. Как только оно восстанавливается, на ходу в работу автоматически вводятся отдыхавшие секции. Вообще, наверное, этот проект заслуживал бы отдельной статьи, поэтому пока про него закончу, вставив фото двигателя и преобразователей:

Заключение: какой же электродвигатель самый лучший?

К сожалению, двумя словами здесь не обойтись. И общими выводами про то, что у каждого двигателя свои достоинства и недостатки – тоже. Потому что не рассмотрены самые главные качества – массогабаритные показатели каждого и типов машин, цена, а также их механические характеристики и перегрузочная способность. Оставим нерегулируемый асинхронный привод крутить свои насосы напрямую от сети, тут ему конкурентов нет. Оставим коллекторные машины крутить дрели и пылесосы, тут с ними в простоте регулирования тоже потягаться сложно.

Давайте рассмотрим регулируемый электропривод, режим работы которого – длительный. Коллекторные машины здесь сразу исключаются из конкуренции по причине ненадежности коллекторного узла. Но остались еще четыре – синхронный, асинхронный, и два типа вентильно-индукторных. Если мы говорим о приводе насоса, вентилятора и чего-то похожего, что используется в промышленности и где масса и габариты особо не важны, то здесь из конкуренции выпадают синхронные машины. Для обмотки возбуждения требуются контактные кольца, что является капризным элементом, а постоянные магниты очень дороги. Конкурирующими вариантами остаются асинхронный привод и вентильно-индукторные двигатели обоих типов.

Как показывает опыт, все три типа машин успешно применяются. Но – асинхронный привод невозможно (или очень сложно) секционировать, т.е. разбить мощную машину на несколько маломощных. Поэтому для обеспечения большой мощности асинхронного преобразователя требуется делать его высоковольтным: ведь мощность – это, если грубо, произведение напряжения на ток. Если для секционируемого привода мы можем взять низковольтный преобразователь и наставить их несколько, каждый на небольшой ток, то для асинхронного привода преобразователь должен быть один. Но не делать же преобразователь на 500В и ток 3 килоампера? Это провода нужны с руку толщиной. Поэтому для увеличения мощности повышают напряжение и снижают ток. А высоковольтный преобразователь – это совсем другой класс задачи. Нельзя просто так взять силовые ключи на 10кВ и сделать из них классический инвертор на 6 ключей, как раньше: и нет таких ключей, а если есть, они очень дороги. Инвертор делают многоуровневым, на низковольтных ключах, соединенных последовательно в сложных комбинациях. Такой инвертор иногда тянет за собой специализированный трансформатор, оптические каналы управления ключами, сложную распределенную систему управления, работающую как одно целое… В общем, сложно всё у мощного асинхронного привода. При этом вентильно-индукторный привод за счет секционирования может «отсрочить» переход на высоковольтный инвертор, позволяя сделать привода до единиц мегаватт от низковольтного питания, выполненные по классической схеме. В этом плане ВИПы становятся интереснее асинхронного привода, да еще и обеспечивают резервирование. С другой стороны, асинхронные привода работают уже сотни лет, двигатели доказали свою надежность. ВИПы же только пробивают себе дорогу. Так что здесь надо взвесить много факторов, чтобы выбрать для конкретной задачи наиболее оптимальный привод.

Но всё становится еще интереснее, когда речь заходит о транспорте или о малогабаритных устройствах. Там уже нельзя беспечно относиться к массе и габаритам электропривода. И вот там уже нужно смотреть на синхронные машины с постоянными магнитами. Если посмотреть только на параметр мощности деленной на массу (или размер), то синхронные машины с постоянными магнитами вне конкуренции. Отдельные экземпляры могут быть в разы меньше и легче, чем любой другой «безмагнитный» привод переменного тока. Но здесь есть одно опасное заблуждение, которое я сейчас постараюсь развеять.

Если синхронная машина в три раза меньше и легче – это не значит, что для электротяги она подходит лучше. Всё дело в отсутствии регулировки потока постоянных магнитов. Поток магнитов определяет ЭДС машины. На определенной частоте вращения ЭДС машины достигает напряжения питания инвертора и дальнейшее повышение частоты вращения становится затруднительно. Тоже самое касается и повышения момента. Если нужно реализовать больший момент, в синхронной машине нужно повышать ток статора – момент возрастет пропорционально. Но более эффективно было бы повысить и поток возбуждения – тогда и магнитное насыщение железа было бы более гармоничным, а потери были бы ниже. Но опять же поток магнитов повышать мы не можем. Более того, в некоторых конструкциях синхронных машин и ток статора нельзя повышать сверх определенной величины – магниты могут размагнититься. Что же получается? Синхронная машина хороша, но только лишь в одной единственной точке – в номинальной. С номинальной частотой вращения и номинальным моментом. Выше и ниже – всё плохо. Если это нарисовать, то получится вот такая характеристика частоты от момента (красным):

Надо выбрать такую синхронную машину, чтобы требуемый тяговый диапазон регулирования был весь внутри её механической характеристики. Т.е. чтобы машина одновременно могла развить и большой момент, и работать на большой частоте вращения. Как вы видите из рисунка… установленная мощность такой машины будет уже не 60кВт, а 540кВт (можно посчитать по делениям). Т.е. в электромобиль с батареей на 60кВт придется установить синхронную машину и инвертор на 540кВт, просто чтобы «пройти» по требуемому моменту и частоте вращения.

Конечно же, так как описано, никто не делает. Никто не ставит машину на 540кВт вместо 60кВт. Синхронную машину модернизируют, пытаясь «размазать» её механическую характеристику из оптимума в одной точке вверх по скорости и вниз по моменту. Например, прячут магниты в железо ротора (делают инкорпорированными), это позволяет не бояться размагнитить магниты и ослаблять поле смелее, а также перегружать по току побольше. Но от таких модификаций синхронная машина набирает вес, габариты и становится уже не такой легкой и красивой, какой она была раньше. Появляются новые проблемы, такие как «что делать, если в режиме ослабления поля инвертор отключился». ЭДС машины может «накачать» звено постоянного тока инвертора и выжечь всё. Или что делать, если инвертор на ходу пробился — синхронная машина замкнется и может токами короткого замыкания убить и себя, и водителя, и всю оставшуюся живой электронику — нужны схемы защиты и т.п.

Поэтому синхронная машина хороша там, где большого диапазона регулирования не требуется. Например, в сегвее, где скорость с точки зрения безопасности может быть ограничена на 30км/ч (или сколько там у него?). А еще синхронная машина идеальна для вентиляторов: у вентилятора сравнительно мало изменяется частота вращения, от силы раза в два – больше особо нет смысла, так как воздушный поток ослабевает пропорционально квадрату скорости (примерно). Поэтому для небольших пропеллеров и вентиляторов синхронная машина – это то, что нужно. И как раз она туда, собственно, успешно ставится.

Тяговую кривую, изображенную на рисунке синим цветом, испокон веков реализуют двигатели постоянного тока с регулируемым возбуждением: когда ток обмотки возбуждения изменяют в зависимости от тока статора и частоты вращения. При увеличении частоты вращения уменьшается и ток возбуждения, позволяя машине разгоняться выше и выше. Поэтому ДПТ с независимым (или смешанным) управлением возбуждением классически стоял и до сих пор стоит в большинстве тяговых применений (метро, трамваи и т.п.). Какая же электрическая машина переменного тока может с ним поспорить?

К такой характеристике (постоянства мощности) могут лучше приблизиться двигатели, у которых регулируется возбуждение. Это асинхронный двигатель и оба типа ВИПов. Но у асинхронного двигателя есть две проблемы: во-первых, его естественная механическая характеристика – это не кривая постоянства мощности. Потому что возбуждение асинхронного двигателя осуществляется через статор. А поэтому в зоне ослабления поля при постоянстве напряжения (когда на инверторе оно закончилось) подъем частоты в два раза приводит к падению тока возбуждения в два раза и моментоообразующего тока тоже в два раза. А так как момент на двигателе – это произведение тока на поток, то момент падает в 4 раза, а мощность, соответственно, в два. Вторая проблема – это потери в роторе при перегрузке с большим моментом. В асинхронном двигателе половина потерь выделяется в роторе, половина в статоре. Для уменьшения массогабаритных показателей на транспорте часто применяется жидкостное охлаждение. Но водяная рубашка эффективно охладит лишь статор, за счет явления теплопроводности. От вращающегося ротора тепло отвести значительно сложнее – путь отвода тепла через «теплопроводность» отрезан, ротор не касается статора (подшипники не в счет). Остается воздушное охлаждение путем перемешивая воздуха внутри пространства двигателя или излучение тепла ротором. Поэтому ротор асинхронного двигателя получается своеобразным «термосом» — единожды перегрузив его (сделав динамичный разгон на машине), требуется долгое время ждать остывания ротора. А ведь его температуру еще и не измерить… приходится только предсказывать по модели.

Здесь нужно отметить, как мастерски обе проблемы асинхронного двигателя обошли в Тесла в своей Model S. Проблему с отводом тепла из ротора они решили… заведя во вращающийся ротор жидкость (у них есть соответствующий патент, где вал ротора полый и он омывается внутри жидкостью, но достоверно я не знаю, применяют ли они это). А вторую проблему с резким уменьшением момента при ослаблении поля… они не решали. Они поставили двигатель с тяговой характеристикой, почти как у меня нарисована для «избыточного» синхронного двигателя на рисунке выше, только у них не 540кВт, а 300кВт. Зона ослабления поля в тесле очень маленькая, где-то два крата. Т.е. они поставили «избыточный» для легкового автомобиля двигатель, сделав вместо бюджетного седана по сути спорт-кар с огромной мощностью. Недостаток асинхронного двигателя обратили в достоинство. Но если бы они попытались сделать менее «производительный» седан, мощностью 100кВт или меньше, то асинхронный двигатель, скорее всего, был бы точно таким же (на 300кВт), просто его искусственно задушили электроникой бы под возможности батареи.

А теперь ВИПы. Что могут они? Какая тяговая характеристика у них? Про ВИД СВ я точно сказать не могу – это по своему принципу работы нелинейный двигатель, и от проекта к проекту его механическая характеристика может сильно меняться. Но в целом он скорее всего лучше асинхронного двигателя в плане приближения к желаемой тяговой характеристике с постоянством мощности. А вот про ВИД НВ я могу сказать подробнее, так как мы на фирме им очень плотно занимаемся. Видите вон ту желаемую тяговую характеристику на рисунке выше, которая нарисована синим цветом, к которой мы хотим стремиться? Это на самом деле не просто желаемая характеристика. Это реальная тяговая характеристика, которую мы по точкам по датчику момента сняли для одного из ВИД НВ. Так как ВИД НВ имеет независимое внешнее возбуждение, то его качества наиболее приближены к ДПТ НВ, который тоже может сформировать такую тяговую характеристику за счет регулирования возбуждения.

Так что же? ВИД НВ – идеальная машина для тяги без единой проблемы? На самом деле нет. Проблем у него тоже куча. Например, его обмотка возбуждения, которая «висит» между пакетами статора. Хоть она и не вращается, от неё тоже сложно отводить тепло – получается ситуация почти как ротором асинхронника, лишь немного получше. Можно, в случае надобности, «кинуть» трубку охлаждения со статора. Вторая проблема – это завышенные массогабаритные показатели. Глядя на рисунок ротора ВИД НВ, можно видеть, что пространство внутри двигателя используется не очень эффективно – «работают» только начало и конец ротора, а середина занята обмоткой возбуждения. В асинхронном двигателе, например, вся длина ротора, всё железо «работает». Сложность сборки – засунуть обмотку возбуждения внутрь пакетов ротора надо еще суметь (ротор делается разборным, соответственно, есть проблемы с балансировкой). Ну и просто массогабаритные характеристики пока получаются не очень-то выдающимися по сравнению с теми же асинхронными двигателями Тесла, если накладывать тяговые характеристики друг на друга.
А также есть еще общая проблема обоих типов ВИД. Их ротор – пароходное колесо. И на высоких частотах вращения (а высокая частота нужна, так высокочастотные машины при той же мощности меньше тихоходных) потери от перемешивания воздуха внутри становятся очень значительными. Если до 5000-7000 об/мин ВИД еще можно сделать, то на 20000 об/мин это получится большой миксер. А вот асинхронный двигатель на такие частоты и гораздо выше сделать вполне можно за счет гладкого статора.

Так что же лучше всего в итоге для электротяги? Какой двигатель самый лучший?
Понятия не имею. Все плохие. Надо изобретать дальше. Но мораль статьи такова – если вы хотите сравнить между собой разные типы регулируемого электропривода, то нужно сравнивать на конкретной задаче с конкретной требуемой механической характеристикой по всем-всем параметрам, а не просто по мощности. Также в этой статье не рассмотрены еще куча нюансов сравнения. Например, такой параметр как длительность работы в каждой из точек механической характеристики. На максимальном моменте обычно ни одна машина не может работать долго – это режим перегрузки, а на максимальной скорости очень плохо себя чувствуют синхронные машины с магнитами – там у них огромные потери в стали. А еще интересный параметр для электротяги – потери при движении выбегом, когда водитель отпустил газ. Если ВИПы и асинхронные двигатели будут крутиться как болванки, то у синхронной машины с постоянными магнитами останутся почти номинальные потери в стали из-за магнитов. И так далее, и так далее…
Поэтому нельзя вот так просто взять и выбрать лучший электропривод.

UPD:
Обобщая замечания в комментариях, необходимо дополнить некоторые важные, как оказалось, вещи, которые я изначально опустил как маловажные.
1. Асинхронные двигатели до эры преобразователей частоты регулировали за счет применения так называемого фазного ротора — когда ротор делался в виде обмотки, а не беличьей клетки, а через контактные кольца (как у синхронной машины) фазы ротора выводились наружу. Включая в цепь ротора резисторы можно было мягко пускать АД и безопасно регулировать частоту вращения, изменяя сопротивление. Проблема в том, что очень много энергии при этом терялось в резисторах — иногда до половины от подводимой к приводу мощности.

2. В статье не упомянуты синхронные реактивные машины и их совмещение с синхронными машинами с постоянными магнитами. Если сделать ротор синхронной машины с магнитами явнополюсным — например таким, как нарисован ротор SRD двигателя на gif анимации, то развиваемый момент может быть не только активным, но и реактивным — как у SRD. Подбирая оптимальное сочетание активного и реактивного момента можно частично исключить проблемы классической синхронной машины с магнитами, значительно расширив диапазон работы с постоянством мощности. Получается некий гибрид реактивной машины и синхронной с магнитами.

3. Шаговые двигатели не рассмотрены, потому что по принципу действия они в первом приближении схожи либо с синхронными машинами с постоянными магнитами, либо с SRD двигателями — зависит от конкретного типа шаговика. Только шаговые двигатели, в отличие от «силовых» приводов, имеют гораздо большее количество пар полюсов (зубцов) для увеличения коэффициента электрической редукции: чтобы одному периоду тока соответствовало меньшее угловое перемещение вала. Управление шаговиками обычно тривиальное — последовательный перебор фаз друг за другом (шаги). Более продвинутые системы дробят шаг, подавая в двигатель «микрошаги» — по сути приближая управление к синусоидальному. Еще более продвинутые используют датчик положения ротора и применяют полноценное векторное управление. Но в таком случае и машину нужно делать более качественную, а называться в сумме это будет уже настоящим сервоприводом.

В чем разница между коллекторным и бесколлекторным двигателем?

Покупка электромодели на радиоуправлении начинается с выбора электродвигателя. Перед покупателем стоит непростая задача, какому агрегату отдать свое предпочтение с коллекторным или бесколлекторным двигателем? Принять мудрое решение позволит детальное изучение каждого вида электродвигателя. Между ними есть удивительные сходства и потрясающие различия.

Коллекторный двигатель

Коллекторным двигателем называют электромашину, состоящею из нескольких важных деталей. Основным элементом считается коллектор – барабан медного цвета. Имеется подвижная (ротор) и неподвижная часть (статор), обмотка якоря, специальная щетка, вентилятор, сердечник и обмотка полюса.

Также наблюдаются 2 исходящих питающих провода (положительный и отрицательный). Принцип работы устройства базируется на качественном преобразовании электрической энергии в механическую. Вначале происходит создание электромагнитного поля в пределах якорных обмоток.

Образованное в якоре поле начинает взаимодействовать с полюсами статора, что приводит к движению якоря. Постепенно образовавшийся ток через щетки и коллектор попадает на следующую обмотку. Движение тока заставляет одновременно вращаться вал и якорь. Радиоуправляемые модели с подобными агрегатами работают от постоянного тока.

Коллекторные двигатели делятся на несколько видов. Классификация приборов зависит от типа их питания. Специалисты выделяют универсальные и постоянные КД.

Универсальные агрегаты способны функционировать от переменного и постоянного источника электропитания. Простые в использовании и компактные по размеру электромашины востребованы благодаря своей стоимости.

Второй вид коллекторного двигателя знаменит высоким пусковым моментом. Простая конструкция с плавным управлением частоты вращения. Функционирование агрегата осуществляется на постоянных магнитах или при помощи специальных катушек возбуждения.

Преимуществами таких двигателей считают габариты и вес конструкции. К достоинствам относят и стоимость агрегата.

Обсуждаемый КД встречается в разных бытовых электроприборах, таких как стиральная машина, пылесосы, детские игрушки, а также силовые установки.

И все же некоторые производители отдают предпочтение бесколлекторным устройствам.

Особенности бесколлекторного прибора

Бесколлекторный двигатель — популярный вид электромашины. Высокооборотный агрегат славится точным позиционированием. Конструкция состоит из якоря и статора. В роторе присутствует один или несколько постоянных магнитов. Статоры оснащены специальными катушками. Цель их существования – создание магнитного поля. Принцип работы двигателя зыблется на следующих условиях.

Для вращения двигателя требуется специальный регулятор. Так называемый контролер преобразовывает постоянный ток в переменный. Вначале на обмотке статора образовывается магнитная среда. Затем поданное трехфазное напряжение заставляет двигаться заданную систему. Взаимодействуя со статорами, ротор постепенно начинает вращаться.

Главными преимуществами бесколлекторного агрегата является:

1. Высокая мощность электрического устройства.
2. Высокая скорость движения. Некоторые наземные модели прибора могут функционировать со скоростью до 350 км/ч.
3. Бесколлекторная электромашина не нуждается в дополнительном охлаждении.
4. Высокий уровень износостойкости увеличивает срок эксплуатации БД.
5. Простой в использовании прибор обладает высоким КПД (коэффициентом полезного действия).
6. Имеет высокую степень влагозащиты. Не подвержен влиянию вязкой грязи и пыли.
7. В процессе работы не производит искр. Такое преимущество позволяет использовать агрегат в пожароопасных условиях.

К недостаткам двигателя следует отнести сложности в ремонтировании прибора, высокую стоимость конструкции, а также вес привода.

Надежный и практичный электродвигатель на протяжении долгих лет активно используется в авиационной, судостроительной и автомобильной отрасли. Успешно применяется в качестве силовой установки дрона. Наблюдается в системе охлаждения. Бесколлекторные двигатели устойчивы к перегрузкам, поэтому подходят для медицинского оборудования.

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.

Сравнение коллекторного и бесколлекторного двигателя

Наша жизнь немыслима без всевозможных механизмов. Это детские игрушки, бытовая техника сложная электроника, промышленное оборудование и т.п. Во всех этих приборах и устройствах применяются электродвигатели ,

работающие от различных источников питания. В этой статье мы решили рассмотреть, чем отличаются коллекторные и бесколлекторные двигатели, а также какой тип двигателей лучше и почему.

Коллекторные двигатели

Электродвигатели, используемые в детских игрушках, имеют небольшие габариты и малую мощность. Конструктивно коллекторный двигатель представляет собой два постоянных магнита, установленных на статоре, и ротор (якорь) с обмотками. Отметим, что на статоре могут быть и обмотки возбуждения, вместо постоянных магнитов.

К обмоткам подводится постоянное напряжение через ламели коллектора. Для подачи напряжения используются графитовые щетки. В двигателях малой мощности в качестве щеток применяются медные пластины.

Питаются коллекторные двигатели как от постоянного тока, так и от переменного. Для подключения питания они имеют два провода.

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.

Плюсы и минусы сравниваемых двигателей

Электродвигатели с коллектором применяются в детских игрушках, моделях автомобиля, судомоделировании и т.п. Более мощные устройства с обмоткой возбуждения применяются в автомобилестроении, бытовой технике, в токарном станке или сверлильном и т.д.

Широкое применение обусловлено:

• Невысокой ценой.
• Простотой управления. Для регулировки скорости достаточно иметь реостат, а для осуществления реверса — изменить полярность в цепи возбуждения или якоря.
• Можно подключать непосредственно к питающей сети.
• Скорости вращения ротора можно менять в широком диапазоне.
• Небольшие пусковые токи.

Но при простоте устройства коллекторные двигатели имеют недостатки:

• Невысокий КПД.
• Ограниченный срок службы.
• Необходимость в постоянном обслуживании.
• Невысокая надежность устройства.

При этом такие двигатели применяются не во всех отраслях промышленности. Их нельзя использовать во взрывоопасных помещениях. При эксплуатации на высоких скоростях быстро выходит из строя коллектор и щетки.

В результате происходит снижение мощности, а токоподводящие щетки начинают искрить. Такое конструктивное отличие приводит к быстрому выходу из строя ламелей коллектора, создаются помехи в радиоаппаратуре.

Щетки приходится менять, а коллектор протачивать, что сокращает срок службы двигателя. Это является основным недостатком таких устройств.

В бесколлекторных электродвигателях отсутствует коллектор. В этом состоит отличие бесеколлекторных двигателей от коллекторных, в связи с чем и отсутствуют указанные выше недостатки.

Достоинствами таких электрических машин являются:

• Отсутствие трущихся частей позволяет сократить потери мощности на трение. Не требуется постоянно следить за состоянием щеток, так как они отсутствуют. Это отличие позволяет увеличить межремонтный период.
• Возможность использования корпуса в качестве рабочего органа. Эта конструктивная разница позволяет применять механизмы непосредственно в качестве колес.
• Бесколлекторные электродвигатели, в отличие от коллекторных более долговечны. При этом они менее подвержены перегреву, т.к. отсутствует коллектор и щетки, которые в процессе работы сильно нагреваются.
• Мгновенно набирают обороты.
• Могут применяться во всех отраслях промышленности, в пожаро- и взрывоопасных помещениях. Из-за отсутствия коллектора не возникает искрения, чем они и лучше.

Но у данного типа двигателя имеется существенный недостаток: бесколлекторные модели можно использовать только с драйвером-коммутатором. С помощью этого устройства задаются режимы работы, скорость и направление вращения. При этом стоимость бесколлекторных двигателей значительно выше. Разница в стоимости может быть значительной. Это то, чем отличаются они от устройств с коллектором.

Малый вес и высокая мощность — это то, что лучше сочетается в приборах с дистанционным управлением, например, для квадрокоптера, где от веса и КПД зависит дальность и время полёта.

Заключение

Итак, подведем итоги и обозначим в чем разница между коллекторным и бесколлекторным двигателем, перечислив их особенности.

1. Есть щетки и коллектор, которые искрят и изнашиваются.
2. Нужно чаще обслуживать, соответственно и срок службы не слишком долгий.
3. Легко регулировать скорость лишь изменением напряжения.
4. Для реверса нужно просто сменить полярность.
5. Два предыдущих факта позволяют их использовать в бюджетных устройствах без сложных электросхем.

1. Для запуска нужен контроллер, который хоть и не слишком дорого стоит, но увеличивает конечную стоимость, схемотехнику и вес изделия.
2. Весят меньше чем коллекторные, при одинаковой мощности (но это частично компенсируется предыдущим фактом).
3. Нет щеток и коллектора, поэтому не требуют обслуживания, не искрят.
4. Больший срок службы, он ограничен лишь ресурсом подшипников ротора.
5. Стоят обычно дороже чем коллекторные.
6. Зачастую выдают больший момент на валу и обороты.
7. При наличии датчиков положения вала обеспечивают большую стабильность оборотов при изменении нагрузки (жесткая механическая характеристика). Это особенно важно при использовании на станках и ручном инструменте.

Добавлю то, что нельзя однозначно сказать какой лучше или какой мощнее, можно найти коллекторный двигатель размером с холодильник, а можно бесколлекторный размером с ноготь. При этом оба будут отлично выполнять те функции, на которые рассчитаны и использоваться в конкретных устройствах с учетом требований к их надежности и особенностям эксплуатации. Каждый вид электропривода хорош по своему и идеален по конструкции как таковой.

Теперь вы знаете, в чем разница между коллекторным и бесколлекоторным двигателем, а также какие плюсы и минусы у каждого варианта исполнения. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!