Коллекторный двигатель- принцип работы и отличия от бесколлекторного двигателя

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.

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.

Устройство коллекторного мотора

В данных устройствах роторный датчик и переключатель тока представлены одним узлом. Выбирая, коллекторный или бесколлекторный двигатель ставить в прибор, стоит помнить, что через коллекторный узел обеспечивается более качественное соединение электрических цепей внутри мотора. Это основное, чем отличается коллекторный двигатель от бесколлекторного.

Эти электроприводы являются простыми в использовании и техническом обслуживании. Однако у них есть особенность: при сравнительно низком весе они выдают большой КПД, что накладывает необходимость в использовании редуктора, так как уровень быстроходности мешает нормальной работе. Попытка снизить скорость вращения ротора приведет к потере производительности. Кроме того, на малых оборотах этот мотор начнет перегреваться. Если это недопустимо, рекомендуется замена коллекторного двигателя на бесколлекторный для повышения эффективности работы агрегата.

Чтобы понять, чем отличаются коллекторные двигатели от бесколлекторных, зачастую достаточно обратить внимание на сферу использования. Коллекторный мотор можно встретить повсюду, где применяются электроинструменты, бытовые приборы с большой скоростью вращения и бытовая техника

Стабильно функционируя как на переменном, так и постоянном токе, коллекторный двигатель обеспечивает небольшой прирост массы агрегата и не занимает много места в корпусе.

Простейший двигатель коллекторного типа состоит из нескольких базовых компонентов:

• трехполюсный ротор, установленный в корпусе посредством подшипников скольжения особой конструкции;
• двухполюсный статор, относящийся к категории оснащенных постоянными магнитами. Эти элементы имеют изогнутую форму и соответствуют конфигурации статора;
• медные пластины играют роль щеток в компактных моделях коллекторных двигателей. Как правило, в большинстве разновидностей щетки выполняются из графита.

Эти три составные части являются основой концепции двигателя с минимальными мощностными характеристиками (обычно используются в детских игрушках). Более производительные вариации, такие как в электроинструменте, включают в себя:

• коллектор;
• якорь;
• индуктор;
• статор и ротор с увеличенным числом полюсов и пр.

Коллекторные и бесколлекторные двигатели могут иметь измененную конструкцию в зависимости от поставленных перед ними задач. При этом принцип их действия остается прежним; меняются только выходные характеристики. Определить, в чем разница между ними, можно путем изучения условий эксплуатации, а также свойств источника энергии и характера нагрузки.

Преимущества и недостатки

Несмотря на свою распространенность и универсальность, применение коллекторного двигателя обосновано не всегда. Иногда более рациональным выбором станет именно бесколлекторный узел запуска.

Выгодные стороны коллекторных моторов:

• пусковой ток может иметь малую силу и напряжение, что незаменимо в бытовой технике, которая не может создавать мощные импульсы;
• есть возможность подключения двигателя непосредственно к источнику энергии, в роли которого выступает общая сеть. При этом нет потребности в использовании частотного преобразователя и другой периферии;
• быстроходность;
• работа на постоянном или переменном токе;
• совместимость с различными схемами управления вращением.

Чаще всего коллекторный мотор кажется полностью универсальным, однако у него есть и недостатки:

• эти двигатели не отличаются надежностью из-за наличия компонентов, подверженных быстрому расходу своей прочности: например, постоянно прилегающие к коллектору щетки на высоких скоростях могут начать искрить и оставлять продукты износа;
• малая продолжительность работы между сеансами технического обслуживания;
• производительность всегда является сниженной в отличие от бесколлекторного двигателя. Это происходит из-за индукционных явлений в моторе и расхода энергии для перемагничивания обмоток статора;
• крутящий момент остается сравнительно низким даже в современных моделях, что бывает критично для работы электроинструментов.

Коллекторным двигателем удобно управлять, задавая обороты до 10 тысяч в минуту. Однако бесколлекторные разновидности также могут предложить ряд выгодных преимуществ.

Универсальные коллекторные двигатели

Несмотря на то, что коллекторный узел можно назвать самым слабым местом электродвигателя, подобные модели нашли широкое применение. Все благодаря невысокой цене и легкости управления скоростью. Коллекторные двигатели переменного тока стоят практически в любой бытовой технике, как крупной, так и мелкой. Миксеры, блендеры, кофемолки, строительные фены, даже стиральные машины (привод барабана).

Универсальный коллекторный двигатель работает от постоянного и переменного напряжения

По строению универсальные коллекторные двигатели не отличаются от моделей постоянного тока с обмотками возбуждения. Разница, безусловно есть, но она не в устройстве, а в деталях:

• Схема возбуждения всегда последовательная.
• Магнитные системы ротора и статора для компенсации магнитных потерь делают шихтованного типа (единая система без сплошных разрезов).
• Обмотка возбуждения состоит из нескольких секций. Это необходимо, чтобы режимы работы на постоянном и переменном напряжении были схожи.

Работа коллекторных электродвигателей универсального типа основана на том, что если одновременно (или почти одновременно) поменять полярность питания на обмотках статора и ротора, направление результирующего момента останется тем же. При последовательной схеме возбуждения полярность меняется с очень небольшой задержкой. Так что направление вращения ротора остается тем же.

Достоинства и недостатки

Хотя универсальные коллекторные двигатели активно используются, они имеют серьёзные недостатки:

• Более низкий КПД при работе на переменном токе (если сравнивать с работой на постоянном такого же напряжения).
• Сильное искрение коллекторного узла на переменном токе.
• Создают радиопомехи.
• Повышенный уровень шума при работе.

Во многих моделях строительной техники

Но все эти недостатки нивелируются тем, что при частоте питающего напряжения в 50 Гц они могут вращаться со скоростью 9000-10000 об/мин. По сравнению с синхронными и асинхронными двигателями это очень много, максимальная их скорость — 3000 об/мин. Именно это обусловило использование этого типа моторов в бытовой технике. Но постепенно они заменяются современными бесщеточными двигателями. С развитием полупроводников их производство и управление становится всё более дешёвым и простым.

Минусы коллекторных моторов

Сами по себе коллекторные моторы неплохо справляются со своей работой, но это лишь до того момента пока не возникает необходимость получить от них на выходе максимально высокие обороты. Все дело в тех самых щетках, о которых упоминалось выше. Так как они всегда находятся в плотном контакте с коллектором, то в результате высоких оборотов в месте их соприкосновения возникает трение, которое в дальнейшем вызовет скорый износ обоих и в последствии приведёт к потере эффективной мощности эл. двигателя. Это самый весомый минус таких моторов, который сводит на нет все его положительные качества.

Детальный анализ коллекторных RC-двигателей

Коллекторные RC-моторы были популярный выбор среди RC-энтузиастов много лет. Эти двигатели известны их простота и доступность, что делает их отличным вариантом для новичков и любителей. В этот подробный анализ, мы будем исследовать преимуществоособенности и недостатки коллекторных RC-двигателей и обсудим какие факторы что следует учитывать при выборе лучшего коллекторного RC-двигателя для ваших нужд.

Преимущества коллекторных радиоуправляемых двигателей

1. Эффективность затрат: Один из самые большие преимущества коллекторных RC-двигателей их доступность. По сравнению с бесщеточными двигателями, коллекторные двигатели, как правило, более экономичны, что делает их отличным вариантом для тех, у кого ограниченный бюджет или кто только начинает свой путь. радиоуправляемое хобби.

2. Простота в использовании: Коллекторные двигатели относительно просты по конструкции, что упрощает понимание и эксплуатацию. Обычно они требуют меньше технических знаний и обслуживание по сравнению с бесщеточными двигателями, что может быть полезно для новичков или тех, кто предпочитает опыт без проблем.

3. Долговечность: Коллекторные двигатели известны своей долговечностью и способностью выдерживать суровые условия. Они могут справиться высокие крутящие нагрузки и менее подвержены повреждениям в результате ударов или аварий, что делает их надежным выбором для внедорожных радиоуправляемых автомобилей.

4. Крутящий момент на низкой скорости: Коллекторные двигатели превосходно обеспечивают низкоскоростной крутящий момент, что делает их идеальными для применений, требующих точного управления и маневренности. Это может быть выгодно для ползущие или ползущие по камням радиоуправляемые машины которым необходимо перемещаться по сложной местности.

Недостатки коллекторных RC-моторов

1. Низкая эффективность: По сравнению с бесщеточными двигателями, коллекторные двигатели менее эффективны. Они имеют тенденцию выделять больше тепла и потреблять больше энергии, что может привести к более короткое время работы и снижение общей производительности. Если вы ищете максимальная эффективность и более длительный срок службы батареи, бесщеточные двигатели могут быть лучший вариант.

2. Ограниченная скорость: Коллекторные двигатели имеют более низкая максимальная скорость по сравнению с бесщеточными двигателями. Если вы ищете высокая скорость работы, например, в гоночных радиоуправляемых автомобилях, обычно используются бесщеточные двигатели. предпочтительный выбор из-за их способность для достижения более высоких оборотов.

3. Требования к обслуживанию: Коллекторные двигатели требуют регулярного обслуживания для обеспечения оптимальной производительности. Щетки и коммутатор необходимо периодически проверять и заменять, а двигатель, возможно, необходимо чистить и смазывать. Это дополнительное обслуживание может занять много времени и может потребовать некоторые технические знания.

Какой матовый радиоуправляемый двигатель лучший?

При выборе лучшего коллекторного RC-двигателя для ваших нужд есть несколько факторов учитывать:

Тщательно рассмотрев эти факторы, вы можете выбрать лучший коллекторный RC-двигатель, который соответствует вашим конкретным потребностям и предпочтениям.

В заключение, коллекторные RC-двигатели предлагают экономичный и долговечный вариант для любителей радиоуправления. Хотя они могут иметь некоторые ограничения с точки зрения эффективности и скорости они все еще популярный выбор для новичков и любителей. Понимая преимуществонедостатки и недостатки коллекторных RC-двигателей и рассмотрение факторы упомянутое выше, вы можете сделать взвешенное решение при выборе лучшего коллекторного радиоуправляемого двигателя для вашего радиоуправляемого автомобиля.

Понимание коллекторных двигателей

Коллекторные двигатели тип of электрический двигатель которые широко использовались для много лет. Они известны своей простотой и надежностью, что делает их популярным выбором в различных приложениях. В этой статье, мы будем исследовать как работают коллекторные двигателиих преимущества и недостатки, а также их общее использование.

Как работают коллекторные двигатели

Коллекторные двигатели работают на основе принцип электромагнетизма. Они состоят из несколько ключевых компонентовв том числе ротор (также арматура), статор, щетки и коммутатор. Коммутатор is важная часть двигателя, который помогает контролировать течение of электрический ток.

После появления электрический ток подается на двигатель, протекает через щетки в коллектор. Коммутатор затем направляет текущий в катушки на роторе, создавая магнитное поле. Это магнитное поле взаимодействует с постоянные магниты on статор, заставляя ротор вращаться.

Кисти играют. жизненно важная роль in операция коллекторных двигателей. Они вступают в контакт с коммутатором, позволяя электрический ток течь в катушки ротора. Однако щетки также создают трение и со временем изнашиваются, что требует регулярного обслуживания и замены.

Преимущества щеточных двигателей

Несмотря на свою простоту, коллекторные двигатели имеют ряд преимуществ. Во-первых, они экономически эффективны по сравнению с Другие типы двигателей, что делает их популярным выбором в различных отраслях промышленности. Кроме того, коллекторные двигатели обеспечивают высокий крутящий момент на низких скоростях, что делает их пригодными для применений, требующих высокая пусковая мощность.

Другое преимущество коллекторных двигателей их способность обрабатывать высокие токовые нагрузки. Это делает их идеальными для применений, требующих двигателя с Высокая мощность выходной. Кроме того, коллекторные двигатели относительно просты в управлении и могут использоваться с простые электронные схемы.

Недостатки коллекторных двигателей

Пока матовые моторы имеют свои преимущества, они также имеют некоторые недостатки. Один существенный недостаток is их ограниченный срок жизни из-за износ и слеза кистей. Щетки требуют регулярного обслуживания и замены, что может повысить общая стоимость использования коллекторных двигателей в долгосрочной перспективе.

Еще один недостаток коллекторных двигателей их более низкая эффективность по сравнению с бесщеточными двигателями. Трение, создаваемое щетками, может вызвать потерю энергии и выделение тепла, что снижает общая эффективность двигателя. Кроме того, коллекторные двигатели, как правило, производят больше шума и вибрации во время работы.

Распространенное использование коллекторных двигателей

Коллекторные двигатели находят применение в различных отраслях промышленности и устройствах. Некоторые распространенные способы использования следующие:

1. Электроинструменты: Коллекторные двигатели обычно используются в электроинструментах, таких как дрели, пилы и шлифовальные машины. Их высокий крутящий момент на низких скоростях делает их подходящими для этих применений.

2. Машинки на радиоуправлении: Коллекторные двигатели часто используются в автомобили с дистанционным управлением (RC), Они предоставляют необходимая мощность и контроль за эти автомобили.

3. Приводы: Коллекторные двигатели используются в качестве приводов в различные системы, Такие, как роботизированные руки и автоматизированное оборудование, Они предоставляют необходимое движение и точность.

4. Бытовая техника: Коллекторные двигатели можно найти в бытовой технике, такой как блендеры, миксеры и вентиляторы. Их экономическая эффективность и надежность делают их популярным выбором для этих приложений.

В заключение следует отметить, что коллекторные двигатели широко используются благодаря своей простоте, надежности и экономичности. Пока у них есть некоторые ограничения, их высокий крутящий момент, простота управления и возможность управления высокие токовые нагрузки сделать их пригодными для различных применений. Однако достижения в технология бесщеточного двигателя привели к Восход of более эффективные и долговечные альтернативы in последние годы.

Коллекторный двигатель

Начнём с того, что двигатель — это устройство, которое преобразует какой-либо вид энергии в механический и наоборот. Эффективность данного процесса зависит от внутренней конструкции двигателя, которая в свою очередь зависит от источника тока (постоянного или переменного).

Устройство коллекторного двигателя

Якорь. Стержнем всей конструкции является якорь, он же металлический вал. Вал является движущимся элементом, от которого зависит крутящий момент. На нём также располагается ротор.

Ротор. Связан с ведущим валом. Его внешняя конструкция напоминает барабан, который вращается внутри статора. Задача ротора получать или отдавать напряжение рабочему телу.

Подшипники. Они расположены на противоположных концах якоря для его сбалансированного вращения.

Щётки. Выполнены обычно из графита. Их задача предавать напряжение через коллектор в обмотки.

Коллектор (коммутатор). Он выполнен в виде соединенных между собой медных контактов. Во время процесса вращения он принимает на себя энергию с щёток и направляет её в обмотки.

Обмотки. Расположены на роторе и статоре разных полярностей. Их функция в генерировании собственного магнитного поля под воздействием разных полярностей, за счёт чего якорь приходит в действие.

Сердечник статора. Выполнен из металлических пластин. Может иметь катушку возбуждения с полярным напряжением обмотки ротора. Или — постоянные магниты. Данная конструкция зависит от источника напряжения. Является статичным элементом всего механизма.

• Стоимость меньше, чем у бесколлекторных двигателей (БД).
• Конструкция относительно проще конструкции БД.
• В виду этого, техническое обслуживание проще.

На высоких оборотах увеличивается трение щёток. Отсюда вытекает:

• Быстрый износ щёток.
• Снижение мощности инструмента.
• Появление искр.
• Задымление инструмента.
• Выход из строя инструмента раньше его «жизненного цикла».

Вывод: Если рассматривать бытовую сферу применения, то коллекторный двигатель является традиционным и бюджетным вариантом эксплуатации (и самым часто используемым). Инструменты на данном типе двигателя преданно и верно справятся с любой повседневной задачей в пределах своих возможностей. Т.к. такие инструменты по стоимости значительно дешевле инструментов на бесколлекторном двигателе, их рассматривает категория потребителей, которая придерживается мнения: «ничто не вечно». Зачем переплачивать, если любой агрегат в может выйти из строя? Мы же считаем, что при надлежащих условиях эксплуатации любой инструмент может прослужить верой и правдой довольно долгий срок. Но выбор за Вами.

Бесколлекторный двигатель

Если в коллекторном двигателе всё приходит в действие за счёт механики, то в бесщёточном — чистая электроника. Также позиции некоторых элементов в конструкции меняются местами. В коллекторном двигателе обмотки находились на роторе, а постоянные магниты — на статоре. У бесколлекторного — постоянные магниты переносятся на ротор, а катушки с обмоткой располагаются на статоре. Также ротор и статор могут менять свои позиции: есть модели двигателей с внешним ротором. Здесь отсутствуют щётки и коллектор, вместо них добавлен микропроцессор (контроллер) и кулер для охлаждения системы. Микропроцессор контролирует положение ротора, скорость вращения, равномерное распределение напряжения по катушкам обмотки.

Основные типы бесщёточного двигателя :

• Асинхронный — это двигатель, который преобразовывает электроэнергию переменного тока в механическую. Название происходит от разной скорости вращения магнитного поля и ротора. Частота вращения ротора меньше, чем у магнитного поля, создаваемого обмотками статора (Например, двигатель DigiPro, который используется в продукции Greenworks).
• Синхронный — это двигатель переменного тока, у которого частота вращений ротора равна частоте вращений магнитного поля.

Источник

Автор:

Гaличeв Илья Виктoрoвич