Как работает бесщеточный двигатель

Содержание

Пожалуй уже каждый слышал о стиральных машинах с прямым приводом барабана. Но до сих пор, даже не все специалисты по ремонту стиральных машин знают как устроен и как работает двигатель в такой машине.

Сама идея конечно не новая, ведь за основу взят шаговый двигатель, который уже давно получил распространение во многих электротехнических устройствах. А вот первое применение его в конструкции стиральной машины в качестве привода барабана, принадлежит корейскому концерну LG. С середины 2005 года, компания LG начала активно продвигать свою продукцию, заявляя о 10-ти летней гарантии на двигатель для стиральных машин с прямым приводом.

Сегодня, помимо LG, компании Samsung, Haier и Whirpool в ряде моделей стиральных машин стали применять подобные двигатели. Забегая вперёд, можно сказать, что компания LG не просчиталась и двигатель для прямого привода барабана действительно довольно надёжный и имеет преимущество по сравнению с более традиционным и распространённым коллекторным двигателем.

Устройство двигателя

Двигатель стиральной машины с прямым приводом, представляет собой трёхфазный бесколлекторный двигатель постоянного тока, отчасти похожий на шаговый двигатель, но это не совсем так. В иностранной литературе его ещё часто называют BLDC (Brushless Direct Current Motor — бесщёточный мотор постоянного тока), для удобства мы тоже будем применять эту аббревиатуру.

Такой двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Различают два вида подобных двигателей:

Inrunner, у которых магниты ротора находятся внутри статора с обмотками, и Outrunner, у которых магниты расположены снаружи и вращаются вокруг неподвижного статора с обмотками. В стиральных машинах с прямым приводом применяется Outrunner тип двигателя.

В этой статье мы ознакомим с устройством двигателя от стиральной машины LG.

Виды

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

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

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

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

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

Принцип работы бесщеточного двигателя постоянного тока

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

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

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

Принцип работы и устройство щеточного двигателя

Конструкция щеточных двигателей относительно простая, они состоят из:

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

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

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

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

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

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

Конструкция бесщеточных двигателей зависит от:

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

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

Достоинства щеточного двигателя

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

Недостатки щеточных моторов

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

Щеточные и бесщеточные двигатели: Почему дополнительные расходы?

Благодаря бесщеточной технологии ротор состоит из магнитов и статора катушек, которые попеременно заряжаются положительно или отрицательно.Таким образом, полюса притягиваются и отталкиваются, позволяя двигателю вращаться. Преимущество заключается в том, что между ротором и статором отсутствует физический контакт. Энергия передается от одного к другому через магнетизм между электромагнитами.

В обычном электродвигателе ротор (вращающаяся часть машины) приводится в движение внутри статора (неподвижная часть). Оба соединены электрическим соединением: коллектором или коллектором, который контактирует с небольшими угольными щетками.
Приводимый в действие постоянным током, двигатель работает с переменным током, вырабатываемым электронной картой, которая преобразует постоянный ток в трехфазную переменную частоту.

Таким образом, катушки подаются попеременно для создания вращающегося поля и, следовательно, вращения.
Электронный модуль, встроенный в двигатель или в корпус, непрерывно регулирует ток, чтобы двигатель работал с максимальной эффективностью.
Это повышает общую производительность и, таким образом, обеспечивает реальное соотношение цены и качества.

Товары из категорий

[add permalink=”Drills-And-Screw-Drivers” count=”7″ lang=”ru”]

Где используются щеточные и бесщеточные двигатели

Как мы уже говорили ранее, бесщеточный двигатель набирает популярность по сравнению с щеточным двигателем. Оба двигателя могут быть найдены в широком спектре применений. Щеточные двигатели постоянного тока по-прежнему часто используются в бытовой технике и автомобилях. Они также сохраняют сильную промышленную нишу благодаря своей способности изменять соотношение крутящего момента к скорости – уникальное свойство для них.

При такой популярности это неудивительно. Бесщеточный двигатель работает дольше и потребляет меньше электроэнергии. Он ломается реже – щеток нет, поэтому они не изнашиваются. И это самая распространенная причина повреждения электроинструментов. Он меньше и легче, чем коллекторные, а также более мощный. Из-за этого он обеспечивает лучший крутящий момент. Если инструмент оснащен двигателем такого типа, обычно легко найти информацию о нем, а в случае щеточных двигателей многие производители просто опускают это упоминание.

Благодаря такой надежности и долговечности бесщеточные двигатели постоянного тока нашли множество применений: производство, вычислительная техника и многое другое. Они используются в электромобилях нового поколения и все большем количестве электроинструментов нового поколения – отверток, дрелей, перфораторов. Они также встречаются в роботах, дронах и радиоуправляемых автомобилях, как игрушечных, любительских, так и профессиональных.

Преимущества бесщёточных двигателей

Благодаря отсутствию щёток практически отсутствует трение во время работы и уменьшается количество тепла, выделяемое мотором. В результате этого двигатель не перегревается и может работать без остановки намного дольше.
Может развивать максимальную скорость оборотов в считанные секунды.
Упрощена регулировка крутящего момента, благодаря чему стало возможным внедрить в новую соковыжималку от Sana переменную скорость. Эта опция позволяет изменять количество оборотов в минуту при отжиме того или иного продукта: от 40 до 120.
В нём гораздо меньше деталей, поэтому бесщёточный мотор легче и занимает меньше места в устройстве.
Бесшумная работа, благодаря которой устройства можно использовать даже ночью.

Электронная плата в коллекторном двигателе может самостоятельно регулировать расход электроэнергии, в зависимости от выполняемых задач. Например, если Вы отжимаете в соковыжималке мягкие продукты, датчики обнаруживают, что сопротивление относительно ротора невелико. Они передают сигнал плате, чтобы она снизила количество подаваемого электрического тока.

При этом, если Вы отжимаете твёрдые корнеплоды, датчик обнаруживает, что ротор испытывает сопротивление, и электронная плата «получает» сигнал использовать максимальную мощность.

Где используется электрический бесщёточный двигатель?

Бесколлекторный мотор, несмотря на высокую стоимость, всё больше стал использоваться в различных устройствах: беспроводных инструментах, роботах-пылесосах и бытовой технике. Не так давно чешские инженеры компании Sana разработали уникальную горизонтальную соковыжималку 727 Supreme с бесщёточным двигателем.

В корпусе он расположен вертикально и имеет прочную систему зубчатой передачи, которая обеспечивает горизонтальную работу в вертикальном форм-факторе. Благодаря ему, инновационный аппарат отличается от других соковыжималок более тихой работой, точным регулированием скоростей, меньшим весом и долговечностью (гарантия на Sana Supreme 727 составляет 10 лет).

Но самым главным преимуществом бесщёточного мотора является время работы. В устройствах с этой деталью оно не ограничено пятнадцатью минутами или даже получасом. Аппарат может работать часами, не перегреваясь и не снижая КПД.

Первая соковыжималка с бесщёточным двигателем Sana 727 – это новая ступень в приготовлении соков. Она показывает самые высокие результаты, которые только можно было достигнуть горизонтальной соковыжималке.

Что такое Бесщеточный двигатель?

Чтобы получить наилучшие результаты, нужно применять новейшие технологии, и именно поэтому во всем оборудовании Cub Cadet ® с литий-ионными батареями установлены бесщеточные двигатели.

Так что же такое бесщеточный двигатель? Проще говоря, это двигатель, который не использует щетки для проведения электричества. В типичном двигателе постоянного тока щетки трутся о вращающуюся часть двигателя для передачи электричества. Этот процесс вызывает трение, а трение плохо сказывается на эффективности.

В бесщеточном двигателе используются магниты, устраняющие трение и обеспечивающие мощность, необходимую для более эффективной работы двигателя. А когда Вы используете машину, работающую на батареях, каждая сэкономленная унция энергии может быть важна для завершения работы.

Эффективность — это не единственное преимущество бесщеточных двигателей перед их щеточными аналогами. В бесщеточном двигателе используется набор датчиков для считывания напряжения, скорости и температуры, чтобы определить, правильно ли работает двигатель. Когда возникает проблема, двигатель может автоматически регулировать ее для поддержания оптимальной производительности.

Бесщеточные двигатели имеют меньший вес и более компактны по сравнению с щеточными двигателями. Они требуют меньшего технического обслуживания, поскольку в них не нужно менять щетки.

Собрав все эти преимущества воедино, становится понятно, что бесщеточный двигатель поможет Вашему аккумуляторному оборудованию работать более эффективно, чтобы обеспечить больше энергии для нашего мира.

Плюсы бесщеточных электромоторов

Бесщеточные мотор-колеса не имеют щеток и коллекторов. Для них характерна усовершенствованная конструкция – без трансмиссии, но с магнитами и датчиками холла. Такие электродвигатели превосходят щеточные модели по мощности, надежности и эффективности. У бесщеточных электродвигателей нет трущихся и искрящих узлов, которые быстро изнашиваются и часто нуждаются в техобслуживании. Ремонт им может потребоваться в редких случаях, при неисправности датчиков холла. Магнитное поле в них меняется импульсно. Плюсами бесколлекторных электродвигателей являются:

КПД 90–95%;
более выгодное сочетание мощности и массы электродвигателя;
высокие значения крутящего момента со старта;
отличная динамика;
надежность;
способность менять частоту вращения в широком диапазоне;
устойчивость к перегрузкам;
незначительный нагрев при критических нагрузках;
тихая работа;
долговечность.

В бесщеточном моторе обмотки и магниты поменяны местами, а в статор встроено 3 датчика холла, которые отслеживают расположение ротора. Мотор движется под действием тока, подаваемого от АКБ. В процессе вращения он генерирует ток и формирует обратное электромагнитное поле, которое притягивает или отталкивает магниты. Зачастую бесщеточные МК имеют 3-фазную обмотку. На две из них поступает напряжение благодаря сигналам от датчиков холла.

Движением магнитного поля управляет электроника – специальный контроллер. Он обеспечивает, чтобы векторы магнитных полей статора и ротора были перпендикулярны друг другу. Для управления током контроллер использует широтно-импульсную модуляцию. Микропроцессор обрабатывает поступающие от датчиков сведения о позиции ротора и генерирует сигналы для управления.

Предельная скорость вращения МК зависит от напряжения и силы создаваемого электромагнитного поля. Чем сильнее поле, тем быстрее движутся магниты. Для усиления магнитного поля достаточно увеличить длительность поступающих импульсов. От частоты переключения обмоток зависит интенсивность вращения МК. Контроллеры для бесщеточных электромоторов имеют более сложный механизм управления, чем управляющие устройства коллекторных моделей, которые просто регулируют напряжение.

Где купить бесщеточные мотор-колеса?

В интернет-магазине VoltBikes представлен огромный выбор бесколлекторных мотор-колес разной мощности – от 250 до 5000 Вт. Это продукция надежных производителей, и вы можете купить ее по отличным ценам с доставкой по всей России. В зависимости от типа велосипеда, рельефа местности и желаемого увеличения скорости, вы можете выбрать мотор-колесо редукторного типа или прямого привода, для установки на переднее или заднее колесо, заспицованное в обод нужного размера (от 12 до 29 дюймов) или поставляемое отдельно. На все товары предоставляется гарантия.

21 мая 2023 г.
1487 просмотров

Характерные особенности и преимущества бесщеточных двигателей

Бесщеточный двигатель имеет функционал щеточного, но превосходит его по ряду параметров. Единственным его недостатком можно назвать то, что по стоимости он пока превосходит аналоги с классическим мотором, но этот момент в полной мере компенсируется большим перечнем достоинств устройства. Основные преимущества механизма:

эффективность;
при намагничивании нет изменений, как и при утечке тока;
энергонасыщенность;
скорость вращения и вращающий момент полностью соответствуют;
большой диапазон смены частоты вращения;
скорость не зависит от центробежной силы;
нет узлов, которые нужно часто обслуживать;
в конструкции применяются легкие и небольшие магниты;
не нужны коммутатор и обмотка возбуждения.

Сферы применения бесщеточных двигателей

Вентильные двигатели постоянного тока, как правило, применяются для оборудования с мощностью не выше 5 кВт. Для оборудования мощнее использовать такие двигатели нецелесообразно. Постоянные магниты в бесщеточных моторах очень чувствительны к воздействию мощных полей и высоких температур, что нехарактерно для щеточных и индукционных аналогов.

Бесщеточные двигатели надежны и хорошо управляемы, поэтому они используются повсеместно, как для мелких механизмов, так и для крупных. Они применяются в автомобильных приводах, электрических мотоциклах, компьютерах, электроинструменте, бытовой технике. Двигатели очень востребованы в промышленности, авиационной технике. Благодаря отсутствию коллекторного узла такие двигатели можно использовать даже в опасных условиях, местах с повышенным уровнем влажности.

Чем отличаются бесщеточные двигатели от щеточных?

Производители электроинструмента в техпаспорте часто указывают тип двигателя: щеточный или бесщеточный. Можно встретить и другие варианты названия: коллекторный и бесколлекторный электрические двигатели. Сегодня мы рассказываем, в чем разница между этими двумя типами и разбираем преимущества и недостатки каждого.

Конструкция коллекторного электродвигателя включает в себя две основные части: вращающийся ротор (якорь) и неподвижный статор. Ротор состоит из вала и трех катушек с медной обмоткой, которые выполняют роль электромагнитов. На концах вала находятся подшипники. В статоре установлены постоянные магниты или катушка возбуждения.

Коллектор (коммутатор) ротора состоит из медных пластин, к которым присоединяются выводы с обмоток. По коллектору скользят графитовые щетки, через которые подается ток питания. При контакте щетки с определенной пластиной электричество запитывает соединенную с ней катушку. Таким образом в обмотках ротора возникает электромагнитное поле. В результате отталкивания и притяжения электромагнитов ротора к постоянным магнитам статора создается крутящий момент.

Среди достоинств щеточного типа двигателей отмечают следующие:

простая конструкция понятна даже непрофессионалам;
обслуживание проще, а ремонт дешевле, чем у бесщеточных двигателей;
коллекторные двигатели стоят значительно дешевле бесколлекторных, иногда в несколько раз.

К недостаткам моторов этого типа относят такие моменты:

коэффициент полезного действия, а значит, и производительность ниже по сравнению с бесщеточными двигателями;
меньшее количество оборотов холостого хода;
трение щеток приводит к нагреву двигателя, из-за чего сокращается время беспрерывной работы;
щетки изнашиваются и требуют периодической замены.

Двигатели коллекторного типа являются более ранней и распространенной технологией по сравнению с бесколлекторными. В зависимости от мощности щеточные моторы используют как в промышленном оборудовании, так и в бытовой технике и электроинструментах. Для работ небольшого или среднего объема и интенсивности инструменты с щеточным двигателем являются удобным бюджетным вариантом. При своевременном правильном уходе это оборудование прослужит долгое время.

Бесщеточный двигатель: как устроен, преимущества и недостатки, где используется

Работа двигателей этого типа также основывается на взаимодействии полей между электромагнитом и постоянным магнитом. При этом встречаются разные типы конструкции бесщеточного двигателя:

наружный ротор с постоянными магнитами и внутренний статор с электромагнитными катушками;
наружный статор с тремя парами обмоток, а якорь — с постоянными магнитами.

При поочередной подаче напряжения на катушки происходит взаимодействие электромагнитов с постоянными магнитами. Так как ток разной полярности одновременно подается на две пары обмоток, это будет притяжение у одних катушек и отталкивание у других. В результате этого взаимодействия полей создается крутящий момент электродвигателя.

Главным отличием от коллекторного мотора является способ подачи и переключения напряжения на катушках. В конструкции бесщеточного двигателя отсутствуют коллектор и щетки. Ток подается на обмотки через приложенную трехфазную систему напряжения. Положение ротора во время вращения определяется с помощью трех датчиков Холла. Эти данные передаются в электронный контроллер (микропроцессор). С учетом положения ротора контроллер определяет, на какие пары обмоток надо подавать напряжение.

Бесщеточные двигатели обладают рядом преимуществ по сравнению с щеточными.

Коэффициент полезного действия бесколлекторных моторов достигает 90%, а у коллекторных не превышает 75%. Больший КПД означает более высокую мощность и производительность при одинаковом потреблении энергии.
Двигатель не греется из-за трения, так как нет щеточно-коллекторного узла. Благодаря этому увеличивается время беспрерывной работы. Отсутствие искр повышает безопасность использования.
Бесщеточный двигатель быстрее разгоняется и поддерживает более высокие обороты.
Лучшая энергоэффективность позволяет бережнее расходовать заряд батареи у аккумуляторных инструментов.
Надежность бесколлекторных двигателей выше, так как щеточно-коллекторный узел является уязвимым местом и подвержен поломкам. При этом стоит помнить, что надежность и срок службы зависят не только от типа конструкции. Решающую роль здесь играют качество материалов, деталей и сборки.

Теперь рассмотрим недостатки бесщеточных двигателей.

Стоимость оборудования с этим типом моторов существенно выше, чем у инструментов с щеточными двигателями. Речь идет о сравнении устройств одного класса со схожими характеристиками.
В случае поломки отремонтировать бесщеточный двигатель будет сложнее и дороже. В моторах бесколлекторного типа самым уязвимым местом является электроника. Это подразумевает значительные денежные затраты при ремонте.

Благодаря своим преимуществам бесщеточные двигатели получают все большее распространение. Эти моторы выигрывают конкуренцию у коллекторных при работах большого объема и высокой интенсивности, поэтому ими чаще оснащают промышленное оборудование и профессиональные инструменты. Бесщеточным двигателям также отдают предпочтение, если от устройства требуются определенные технические характеристики, например, большая удельная мощность или высокие обороты.