1. Коллекторный двигатель постоянного тока
В щёточных двигателях это осуществляется с помощью поворотного переключателя на валу двигателя, называемого коллектором. Он состоит из вращающегося цилиндра или диска, разделённого на несколько металлических контактных сегментов на роторе. Сегменты соединены с проводящими обмотками ротора. Два или более неподвижных контакта, называемых щётками, изготовленных из мягкого проводника, например, графита, прижимаются к коллектору, создавая скользящий электрический контакт с последующими сегментами при вращении ротора. Щётки избирательно подают электрический ток на обмотки. При вращении ротора коллектор выбирает различные обмотки, и направленный ток подаёт на заданную обмотку таким образом, что магнитное поле ротора остаётся несоосным со статором и создаёт крутящий момент в одном направлении.
2. Бесщеточный двигатель постоянного тока
В бесщёточных двигателях постоянного тока электронная сервосистема заменяет механические контакты коллектора. Электронный датчик определяет угол ротора и управляет полупроводниковыми ключами, такими как транзисторы, которые переключают ток через обмотки, изменяя его направление на противоположное или, в некоторых двигателях, отключая его, под нужным углом, чтобы электромагниты создавали крутящий момент в одном направлении. Исключение скользящего контакта позволяет бесщёточным двигателям работать с меньшим трением и дольше; их срок службы ограничен только сроком службы подшипников.
Коллекторные двигатели постоянного тока развивают максимальный крутящий момент в состоянии покоя, линейно уменьшаясь с увеличением скорости. Некоторые ограничения коллекторных двигателей могут быть преодолены бесколлекторными двигателями, включая более высокий КПД и меньшую подверженность механическому износу. Эти преимущества достигаются за счёт потенциально менее надёжной, более сложной и более дорогой управляющей электроники.
Типичный бесщёточный двигатель оснащён постоянными магнитами, вращающимися вокруг неподвижного якоря, что устраняет проблемы, связанные с подключением тока к подвижному якорю. Электронный контроллер заменяет коллекторный узел коллекторного двигателя постоянного тока, который непрерывно переключает фазы обмоток для поддержания вращения двигателя. Контроллер обеспечивает аналогичное синхронизированное распределение мощности, используя твердотельную схему вместо коллекторной системы.
Бесщеточные двигатели обладают рядом преимуществ по сравнению с коллекторными двигателями постоянного тока, включая высокое отношение крутящего момента к массе, повышенную эффективность, обеспечивающую больший крутящий момент на ватт, повышенную надежность, снижение уровня шума, более длительный срок службы за счет устранения эрозии щеток и коллектора, устранение ионизирующих искр от
коллектор и общее снижение электромагнитных помех (ЭМП). Отсутствие обмоток на роторе исключает воздействие центробежных сил, а поскольку обмотки закреплены в корпусе, они могут охлаждаться за счёт теплопроводности, не требуя притока воздуха внутрь двигателя. Это, в свою очередь, означает, что внутренние компоненты двигателя могут быть полностью изолированы и защищены от попадания грязи и других посторонних предметов.
Коммутация бесщёточных двигателей может быть реализована программно с помощью микроконтроллера или, в качестве альтернативы, с помощью аналоговых или цифровых схем. Электронная коммутация вместо щёток обеспечивает большую гибкость и возможности, недоступные для щёточных двигателей постоянного тока, включая ограничение скорости, микрошаговый режим для управления медленными и точными перемещениями, а также удержание момента в неподвижном состоянии. Программное обеспечение контроллера можно настроить под конкретный двигатель, используемый в системе, что повышает эффективность коммутации.
Максимальная мощность, которую можно приложить к бесщёточному двигателю, ограничивается почти исключительно нагревом;[необходима ссылка] слишком большое количество тепла ослабляет магниты и повреждает изоляцию обмоток.
При преобразовании электроэнергии в механическую энергию бесщёточные двигатели более эффективны, чем щёточные, в первую очередь благодаря отсутствию щёток, что снижает потери механической энергии на трение. Повышение эффективности наиболее заметно в областях холостого хода и малой нагрузки на кривой производительности двигателя.
Окружающая среда и требования, в которых производители используют бесщеточные двигатели постоянного тока, включают эксплуатацию без технического обслуживания, высокие скорости и эксплуатацию, в которой искрение опасно (например, взрывоопасные среды) или может повлиять на чувствительное к электронике оборудование.
Конструкция бесщёточного двигателя напоминает шаговый двигатель, но эти двигатели имеют важные различия, обусловленные различиями в реализации и работе. В то время как шаговые двигатели часто останавливаются, когда ротор находится в определённом угловом положении, бесщёточный двигатель обычно предназначен для непрерывного вращения. Оба типа двигателей могут быть оснащены датчиком положения ротора для внутренней обратной связи. И шаговый двигатель, и грамотно спроектированный бесщёточный двигатель могут поддерживать конечный крутящий момент при нулевой скорости вращения.
Время публикации: 08 марта 2023 г.
