В чем разница между коллекторными и бесколлекторными электродвигателями постоянного тока?

Рынок электродвигателей и систем электроприводов процветают в огромном количестве различных областей, в частности в медицинских и роботизированных приложениях. Кроме того, существует большой спрос на малые, эффективные, с большим и небольшим крутящим моментом, а также электродвигатели большой и малой мощности в автомобильном сегменте.

Для этих приложений могут выбирать электропривода из щеточных электродвигателей постоянного тока, бесщеточных электродвигателей постоянного тока (BLDC) или их комбинации. Большинство машин работают благодаря явлению электромагнитной индукции. Тем не менее, между этими машинами существуют ключевые различия, которые необходимо учитывать при выборе электрической машины.

Коллекторные электродвигатели постоянного тока

С конца 1800-х годов машины постоянного тока являются одними из простейших электродвигателей. Они получают питание от источника постоянного тока или батареи, и состоят из якоря (ротор), вала, коммутатора, щеток и обмотки возбуждения, создающей постоянное магнитное поле.

Принцип работы коллекторного электродвигателя постоянного тока

Устройство щеточно-коллекторного узла

Щетки позволяют создавать магнитный поток в коллекторе обратной полярности по отношению к постоянному магнитному потоку обмотки возбуждения (ОВ), что заставляет якорь вращаться. Направление вращение электрической машины может быть легко изменено путем изменения полярности на щетках (поменять местами провода от источника питания постоянного тока).

Бесколлекторные электродвигатели постоянного тока (BLDC)

В самом названии уже можно увидеть коренное различие между этими машинами. В BLDC машинах отсутствуют щетки, что делает их конструкцию заметно сложнее. Бесщеточная машина постоянного тока имеет четыре или более постоянных магнита в роторе.

Устройство бесколлекторного электродвигателя постоянного тока

Эффективность – основная фишка данных машин. Поскольку ротор имеет постоянные магниты, он не нуждается в источнике напряжения, следовательно, нет физического подключения. Нет подключения – нет щеточно-коллекторного узла, соответственно, исчезают все проблемы связанные с ним. Но есть и минус – такой тип электрических машин должен иметь электронную систему управления положением ротора в пространстве. Для анализа поворотов машины и выработки управляющих импульсов в нужный момент используют микроконтроллер, а для отслеживания поворота вала в пространстве поворотные датчики или датчики на основе эффекта Холла.

Электродвигатели BLDC представляют собой синхронные машины, что означает, что магнитные поля ротора и статора вращаются с одинаковой частотой. Они могут иметь одно-, двух- и трехфазные конфигурации.

Щетки

Когда дело доходит до выбора электрической машины для основных приложений, здесь могут использоваться как щеточные, так и бесщеточные электродвигатели постоянного тока. И как любые сопоставимые и конкурирующие технологии, коллекторные и бесколлекторные электрические машины имеют свои плюсы и минусы.

Но с другой стороны коллекторные машины являются более дешевыми и  надежными. Они предлагают простейшее управление (для запуска достаточно подключить к источнику постоянного тока, а для управления скоростью вращения достаточно изменять величину подводимого к якорю напряжения). При постоянном уходе за коллекторным узлом и плановой заменой щеток такая машина может служить довольно долго и надежно. Для управления ими не нужно создавать сверх сложных систем управления и можно обойтись минимальным количеством внешних компонентов или вообще без них, такие электродвигатели хорошо подходят для тяжелых условий работы.

Один из главных недостатков – постоянный уход за щетками. Они должны постоянно очищаться и при необходимости заменяться для обеспечения надежности работы механизма. Кроме того, если необходим большой вращающий момент, то коллекторный электродвигатель постоянного тока будет ограничен пропускной способностью щеток. По мере увеличения скорости вращения – возрастают потери крутящего момента, связанные с процессами трения в щеточно-коллекторном узле.

Однако бывают устройства, которые данные характеристики вполне устраивают. Например, электрические зубные щетки требуют более высоких скоростей с уменьшающимся крутящим моментом, что хорошо для щетки, зубов и десен.

К другим недостаткам коллекторных машин постоянного тока можно отнести ухудшенные условия охлаждения, вызванные щеточно-коллекторным узлом, высокую инерционность якоря (ротора), ограниченный диапазон скоростей, электромагнитные помехи (EMI).

Отсутствие щеток

Бесколлекторные электродвигатели постоянного тока (BLDC) имеют ряд преимуществ перед своими «щеточными братьями». Во-первых, они могут реализовать функцию точного позиционирования, полагаясь на датчики положения на основе эффекта Холла для коммутации. Они также требуют меньше, а иногда и никакого обслуживания из-за отсутствия щеток.

Они побеждают коллекторные машины постоянного тока в отношении скорость / крутящий момент благодаря их способности поддерживать или увеличивать крутящий момент на разных скоростях. Важно отметить, что потери мощности в коллекторном узле полностью отсутствуют, что значительно повышает эффективность компонентов. Другие профили BLDC включают высокую выходную мощность, малый размер, лучшую теплоотдачу, более высокие диапазоны скоростей и малошумную (механическую и электрическую) работу.

Тем не менее, нет ничего идеального. BLDC имеют более высокую стоимость. Они также требуют специальные стратегии управления, которые могут быть как сложными, так и дорогостоящими. И им нужен контроллер, который может стоить почти столько же, а иногда и больше, чем управляемый им электродвигатель BLDC.

Выбор типа электродвигателя для механизма

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

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

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

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

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

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *