Что такое коллекторный и бесколлекторный двигатель разница

В чём разница между коллекторными и бесколлекторными двигателями

Многие из тех, кто когда-то имел возможность работать с дрелью или болгаркой, хотя бы раз, но задавались вопросами: «Почему искрят щетки двигателя дрели, и почему такого не происходит в других двигателях, например установленных в станках, предназначенных для сверления?». Ответ на эти вопросы один – в разном оборудовании задействованы разные типы двигателей, а именно коллекторные и бесколлекторные. В чем же разница?

1 Разновидности
- 1.1 Коллекторный электродвигатель постоянного тока
- 1.2 Универсальный коллекторный электродвигатель
  - 1.2.1 Особенности конструкции
  - 1.2.2 Достоинства и недостатки
    - 1.2.2.1 Сравнение с коллекторным двигателем постоянного тока
    - 1.2.2.2 Сравнение с асинхронным двигателем
  - 1.2.3 Аналоги бесколлекторного узла
2 См. также
3 Ссылки, примечания

Коллекторный электродвигатель постоянного тока [ править ]

Самые маленькие двигатели данного типа (единицы Ватт) содержат в корпусе:

трёхполюсной ротор на подшипниках скольжения;
коллекторный узел из двух щёток — медных пластин;
двухполюсной статор из постоянных магнитов.

Применяются, в основном, в детских игрушках (рабочее напряжение 3-9 вольт).

Более мощные двигатели (десятки Ватт), как правило, имеют

многополюсный ротор на подшипниках качения;
коллекторный узел из четырёх графитовых щёток;
четырёхполюсный статор из постоянных магнитов.

Именно такой конструкции большинство электродвигателей в современных автомобилях (рабочее напряжение 12 или 24 Вольт): привод вентиляторов систем охлаждения и вентиляции, «дворников», насосов омывателей.

Двигатели мощностью в сотни Ватт, в отличие от предыдущих, содержат четырёхполюсный статор из электромагнитов. Обмотки статора могут подключаться несколькими способами:

последовательно с ротором (так называемое последовательное возбуждение),
- преимущество: большой максимальный момент,
- недостаток: большие обороты холостого хода, способные повредить двигатель.
параллельно с ротором (параллельное возбуждение)
- преимущество: большая стабильность оборотов при изменении нагрузки,
- недостаток: меньший максимальный момент
часть обмоток параллельно с ротором, часть последовательно (смешанное возбуждение)
- до некоторой степени совмещает достоинства предыдущих типов, пример — автомобильные стартеры.
отдельным источником питания (независимое возбуждение)
- характеристика аналогична параллельному подключению, однако обычно может регулироваться. Пример — тяговые двигатели некоторых электровозов.

Общие достоинства коллекторных двигателей постоянного тока — простота изготовления, эксплуатации и ремонта, достаточно большой ресурс.

К недостаткам можно отнести то, что эффективные конструкции (с большим КПД и малой массой) таких двигателей являются низкомоментыми и быстроходными (сотни и тысячи оборотов в минуту), поэтому для большинства приводов (кроме вентиляторов и насосов) необходимы редукторы. Это утверждение не вполне верно, но обоснованно. Электрическая машина, построенная на низкую скорость, вообще имеет заниженный КПД и связанные с ним проблемы охлаждения. Скорее всего проблема такова, что изящных решений для неё нет.

Универсальный коллекторный электродвигатель [ править ]

Универсальный коллекторный электродвигатель (УКД) — разновидность коллекторной машины постоянного тока, которая может работать и на постоянном, и на переменном токе. Получил большое распространение в ручном электроинструменте и в некоторых видах бытовой техники из-за малых размеров, малого веса, лёгкости регулирования оборотов, относительно низкой цены. Широко использовался на железных дорогах Европы и США как тяговый электродвигатель.

Особенности конструкции [ править ]

Строго говоря, универсальный коллекторный электродвигатель является коллекторным электродвигателем постоянного тока с последовательно включенными обмотками возбуждения (статора), оптимизированным для работы на переменном токе бытовой электрической сети. Такой тип двигателя независимо от полярности подаваемого напряжения вращается в одну сторону, так как за счёт последовательного соединения обмоток статора и ротора смена полюсов их магнитных полей происходит одновременно и результирующий момент остаётся направленным в одну сторону. На самом деле там есть небольшой фазовый сдвиг, обуславливающий появление против направленного момента, но он невелик, симметрирование обмоток не только улучшает условия коммутации, но и уменьшает этот момент. (М. П. Костенко, «Электрические машины»). Для нужд железных дорог строились специальные подстанции переменного тока низкой частоты — 16 Гц в Европе, в США же частота 25 Гц была одной из стандартных (наряду с 60 Гц) до 50-х годов XX века. В 50-х годах XX века германо-французскому консорциуму производителей электрических машин удалось построить однофазную тяговую машину промышленной частоты (50 Гц). По данным М. П. Костенко «Электрические машины», электровоз с однофазными коллекторными машинами на 50 Гц испытывался в СССР, где получил восторженно-отрицательную оценку специалистов. [источник не указан 2446 дней] ).

Особенностью (в большинстве случаев — достоинством) работы такого двигателя именно на переменном токе (а не на постоянном такого же напряжения) является то, что в режиме малых оборотов (пуск и перегрузка) индуктивное сопротивление обмоток статора ограничивает потребляемый ток и соответственно максимальный момент двигателя (оценочно) до 3-5 от номинального (против 5-10 при питании того же двигателя постоянным током). Для сближения механических характеристик у двигателей общего назначения может применяться секционирование обмоток статора — отдельные выводы (и меньшее число витков обмотки статора) для подключения переменного тока.

Сложной проблемой является вопрос коммутации мощной коллекторной машины переменного тока. В момент коммутации (прохождение секцией нейтрали) сцепленное с секцией якоря (ротора) магнитное поле меняет свое направление на противоположное, что вызывает генерацию в секции так называемой реактивной ЭДС. Так обстоит дело в случае с постоянным током. В КМПТ реактивная ЭДС также имеет место. Но так как якорь (ротор) находится в пульсирующем во времени магнитном поле статора, в коммутируемой секции дополнительно имеет место ещё и трансформаторная ЭДС. Её амплитуда будет максимальна в момент пуска машины, пропорционально снижаться по мере приближения к скорости синхронизма (в точке синхронизма она обратится в нуль) и далее по мере разгона машины вновь будет пропорционально возрастать. Проблема коммутации КМПТ может быть решена следующим образом:

Стремление при проектировании к одновитковой секции (уменьшение потока сцепления).
Увеличение активного сопротивления секции. Наиболее перспективными по данным М. П. Костенко являются резисторы в «петушках» коллекторых пластин, где они хорошо охлаждаются.
Активная подшлифовка коллектора щётками максимальной твёрдости (высокий износ) подгорающего коллектора из-за тяжелых условий коммутации; и максимально возможного сопротивления как средство гашения реактивной и трансформаторной ЭДС коммутируемой секции.
Использование добавочных полюсов с последовательными обмотками для компенсации реактивной ЭДС и параллельной — для компенсации трансформаторной ЭДС. Но так как величина трансформаторной ЭДС представляет собой функцию от угловой скорости (якоря) ротора и тока намагничивания машины, то такие обмотки нуждаются в системе подчинённого регулирования, не разработанной по сегодняшний день.
Применение питающих цепей низкой частоты. Популярные частоты 16 и 25 Гц.

Реверсирование УКД осуществляется переключением полярности включения обмоток только статора или только ротора.

Достоинства и недостатки [ править ]

Сравнение приведено для случая подключения к бытовой однофазной электрической сети 220 вольт 50 Гц. и одинаковой мощности двигателей. Разница в механических характеристиках двигателей («мягкость-жёсткость», максимальный момент) может быть как достоинством, так и недостатком в зависимости от требований к приводу.

Сравнение с коллекторным двигателем постоянного тока [ править ]

Достоинства:

Прямое включение в сеть, без дополнительных компонентов (для двигателя постоянного тока требуется, как минимум, выпрямление).
Меньший пусковой (перегрузочный) ток (и момент), что предпочтительнее для бытовых устройств.
Проще управляющая схема (при её наличии) — тиристор (или симистор) и реостат. При выходе из строя электронного компонента двигатель (устройство) остаётся работоспособным, но включается сразу на полную мощность.

Меньший общий КПД из-за потерь на индуктивность и перемагничивание статора.
Меньший максимальный момент (может быть недостатком).

Сравнение с асинхронным двигателем [ править ]

Достоинства:

Быстроходность и отсутствие привязки к частоте сети.
Компактность (даже с учётом редуктора).
Больший пусковой момент.
Автоматическое пропорциональное снижение оборотов (практически до нуля) и увеличение момента при увеличении нагрузки (при неизменном напряжении питания) — «мягкая» характеристика.
Возможность плавного регулирования оборотов (момента) в очень широком диапазоне — от ноля до номинального значения — изменением питающего напряжения.

Нестабильность оборотов при изменении нагрузки (где это имеет значение).
Наличие щёточно-коллекторного узла и в связи с этим:
- Относительно малая надёжность (срок службы: тяжёлые условия коммутации обуславливают использование максимально твердых щёток, что снижает ресурс).
- Сильное искрение на коллекторе из-за коммутации переменного тока и связанные с этим радиопомехи.
- Высокий уровень шума.
- Относительно большое число деталей коллектора (и, соответственно, двигателя).

Следует отметить, что в современных бытовых устройствах ресурс электродвигателя (щёточно-коллекторного узла) сопоставим с ресурсом рабочих органов и механических передач.

Читать еще: Во сколько обойдется капитальный ремонт двигателя тойоты

Двигатели (УКД и асинхронный) одной и той же мощности, независимо от номинальной частоты асинхронного двигателя, имеют разную механическую характеристику:

УКД — «мягкая» характеристика, момент прямо, а обороты обратно пропорциональны нагрузке на валу (потребляемой мощности) — практически линейно — от режима холостого хода до режима полного торможения. Номинальный момент выбирается примерно в 3-5 раз меньшим максимального. Обороты холостого хода ограничиваются только потерями в двигателе и могут разрушить мощный двигатель при включении его без нагрузки.
Асинхронный двигатель — «вентиляторная» характеристика — двигатель поддерживает близкую к номинальной частоту вращения, резко (десятки процентов) увеличивая момент при незначительном повышении нагрузки на валу и снижении оборотов (единицы процентов). При значительном снижении оборотов (до точки критического момента) момент двигателя не только не растёт, а падает до нуля, что вызывает полную остановку. Обороты холостого хода постоянны и слегка превышают номинальные.
Однофазный асинхронный двигатель предлагает дополнительный «букет» проблем, связанных с запуском, так как в нормальных условиях пускового момента не развивает. Пульсирующее во времени магнитное поле однофазного статора математически разлагается на два противофазных поля, делающих невозможным пуск без различных ухищрений:
- расщеплённый паз
- создающая искусственную фазу ёмкость
- создающую искусственную фазу активное сопротивление

Вращающееся в противофазе поле теоретически снижает максимальный КПД однофазного асинхронного двигателя до 50-60 % из-за потерь в перенасыщенной магнитной системе и активных потерь в обмотках, которые нагружаются токами «противополя». Фактически, на одном валу «сидят» две электрические машины, одна из которых работает в двигательном режиме, а вторая — в режиме противовключения.

Таким образом, в однофазных сетях КМПТ не знает себе конкурентов.

Механическая характеристика в первую очередь и обуславливает (разные) области применения данных типов двигателей.

Из-за малых оборотов, ограниченных частотой сети переменного тока, асинхронные двигатели той же мощности имеют значительно бо́льшие вес и размеры, чем УКД. Если асинхронный двигатель запитывается от преобразователя (инвертора) с высокой частотой, то вес и размеры обеих машин становятся соизмеримы. При этом остаётся жёсткость механической характеристики, добавляются потери на преобразование тока и, как следствие увеличения частоты, повышаются индуктивные и магнитные потери (снижается общий КПД).

Аналоги бесколлекторного узла [ править ]

Ближайшим аналогом УКД по механической характеристике является бесколлекторный электродвигатель (вентильный электродвигатель, в котором электронным аналогом щёточно-коллекторного узла является инвертор с датчиком положения ротора (ДПР).

Электронным аналогом универсального коллекторного двигателя является система: выпрямитель (мост), синхронный электродвигатель с датчиком углового положения ротора (датчик угла) и инвертором (другими словами — вентильный электродвигатель с выпрямителем).

Однако из-за применения постоянных магнитов в роторе максимальный момент вентильного двигателя при тех же габаритах будет меньше.

Бесколлекторный мотор

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

Внешний вид двигателя бесколлекторного типа

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.

Бесколлекторный бесщеточный электродвигатель в разборке

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.

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.

Когда нужен коллекторный двигатель?

Несмотря на срок службы и удельную мощность меньшие, чем у бесколлекторных двигателей, коллекторные двигатели по-прежнему представлены в каталогах производителей и продолжают применяться в различных проектах.

В тех случаях, когда в системе предполагается использование управления двигателем без использования обратной связи, коллекторный двигатель имеет очевидные преимущества: для его работы в таком случае можно обойтись без специализированного контроллера – достаточно обычного источника питания. Если двигатель подключается к управляющей электронике более или менее длинным кабелем, то будет существенна разница по количеству проводов, требуемых для подключения двигателя: 2 у коллекторного против 8 у бесколлекторного (с учётом датчиков Холла). В проектах, где пользователь управляющую электронику разрабатывает самостоятельно, может быть существенно то, что для коллекторного двигателя структура её программной части и аппаратная часть могут быть несколько проще.

Читать еще: Что такое паровая пробка в системе охлаждения двигателя

Разновидности

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Самые маленькие двигатели данного типа (единицы ватт) содержат в корпусе:

трёхполюсной ротор на подшипниках скольжения;
коллекторный узел из двух щеток — медных пластин;
двухполюсной статор из постоянных магнитов.

Применяются, в основном, в детских игрушках (рабочее напряжение 3–9 вольт).

Более мощные двигатели (десятки ватт), как правило, имеют

много-полюсный ротор на подшипниках качения;
коллекторный узел из четырёх графитовых щёток;
четырёхполюсный статор из постоянных магнитов.

Именно такой конструкции большинство электродвигателей в современных автомобилях (рабочее напряжение 12 вольт): привод вентиляторов систем охлаждения и вентиляции, дворников, насосов омывателей.

Двигатели мощностью в сотни ватт, в отличие от предыдущих, содержат четырёхполюсный статор из электромагнитов. Обмотки статора могут подключаться несколькими способами:

последовательно с ротором (так называемое последовательное возбуждение),
- преимущество: большой максимальный момент,
- недостаток: большие обороты холостого хода, способные повредить двигатель.
параллельно с ротором (параллельное возбуждение)
- преимущество: большая стабильность оборотов при изменении нагрузки,
- недостаток: меньший максимальный момент
часть обмоток параллельно с ротором, часть последовательно (смешанное возбуждение)
- до некоторой степени совмещает достоинства предыдущих типов. Пример — автомобильные стартёры.
отдельным источником питания (независимое возбуждение)
- характеристика аналогична параллельному подключению, однако обычно может регулироваться. Применяется редко.

К недостаткам можно отнести то, что эффективные конструкции (с большим КПД и малой массой) таких двигателей являются низкомоментыми и быстроходными (сотни и тысячи оборотов в минуту), поэтому для большинства приводов (кроме вентиляторов и насосов) необходимы редукторы. Это утверждение не вполне верно, но обоснованно. Электрическая машина, построенная на низкую скорость, вообще имеет заниженный КПД и связанные с ним проблемы охлаждения. Скорее всего проблема лежит так, что изящных решений для нее нет.

Универсальный коллекторный электродвигатель

Особенности конструкции

Строго говоря, универсальный коллекторный электродвигатель является коллекторным электродвигателем постоянного тока с последовательно включенными обмотками возбуждения (статора), оптимизированным для работы на переменном токе бытовой электрической сети. Такой тип двигателя независимо от полярности подаваемого напряжения вращается в одну сторону, так как за счёт последовательного соединения обмоток статора и ротора смена полюсов их магнитных полей происходит одновременно и результирующий момент остаётся направленным в одну сторону. На самом деле там есть небольшой фазовый сдвиг, обуславливающий появление против направленного момента, но он невелик, симметрирование обмоток не только улучшает условия коммутации, но и уменьшает этот момент. (М.П. Костенко, Электрические машины). Для нужд железных дорог строились специальные подстанции переменного тока низкой частоты — 16 Гц в Европе, 25 Гц в США. В 50-х годах XX века германо-французскому консорциуму производителей электрических машин удалось построить однофазную тяговую машину промышленной частоты (50 Гц). По данным М.П. Костенко Электрические машины, электровоз с однофазными коллекторными машинами на 50 Гц испытывался в СССР, где получил восторженно-отрицательную оценку специалистов. (Цитата со слов источника: «У Них асимметрия магнитной системы — доли миллиметра, у нас — доли сантиметра. У Нас щетки машины — крашенный кирпич, у них — процесс высоких технологий (это лекционный материал И.Б. Битюцкий, Липецкий политехнический университет специальность электрические машины) [источник?] ).

Для возможности работы на переменном токе применяется статор из магнитно-мягкого материала, имеющего малый гистерезис (сопротивление перемагничиванию). Для уменьшения потерь на вихревые токи статор выполняют наборным из изолированных пластин. Подмножеством коллекторных машин переменного тока (к.м.п.т.) являются машины «пульсирующего тока», полученного путем выпрямления тока однофазной цепи без сглаживания пульсаций (железная дорога). Здесь стоит отметить разность в культуре электротехнической промышленности — если Европа выбрала чистую коллекторною машину, то СССР предпочел «гибрид бульдога с носорогом» — машину, где ток не менял полярность, но колебался от нуля до максимума. (И.Б. Битюцкий, Липецкий политехничский университет).

Особенностью (в большинстве случаев — достоинством) работы такого двигателя именно на переменном токе (а не на постоянном такого же напряжения) является то, что в режиме малых оборотов (пуск и перегрузка) индуктивное сопротивление обмоток статора ограничивает потребляемый ток и соответственно максимальный момент двигателя (оценочно) до 3–5 от номинального (против 5–10 при питании того же двигателя постоянным током). Для сближения механических характеристик у двигателей общего назначения может применяться секционирование обмоток статора — отдельные выводы (и меньшее число витков обмотки статора) для подключения переменного тока.

Сложной проблемой является вопрос коммутации мощной коллекторной машины переменного тока. В момент коммутации (прохождение секцией нейтрали) сцепленное с секцией якоря (ротора) магнитное поле меняет свое направление на противоположное, что вызывает генерацию в секции так называемой реактивной ЭДС. Так обстоит дело в случае с постоянным током. В к. м. п. т. реактивная ЭДС. также имеет место. Но так как якорь (ротор) находится в пульсирующем во времени магнитном поле статора, в коммутируемой секции дополнительно имеет место ещё и трансформаторная ЭДС. Ее амплитуда будет максимальна в момент пуска машины, пропорционально снижаться по мере приближения к скорости синхронизма (в точке синхронизма она обратиться в нуль) и далее по мере разгона машины вновь будет пропорционально возрастать. Проблема коммутации к.м.п.т. может быть решена следующим образом:

Стремление при проектировании к одновитковой секции (уменьшение потока сцепления).
Увеличение активного сопротивления секции. Наиболее перспективными по данным М.П.Костенко являются резисторы в «петушках» коллекторых пластин, где они хорошо охлаждаются.
Активная подшлифовка коллектора щетками максимальной твердости (высокий износ) и максимально возможного сопротивления.
Использование добавочных полюсов с последовательными обмотками для компенсации реактивной ЭДС. и паралельной — для компенсации трансформаторной ЭДС. Но так как величина трансформаторной ЭДС представляет собой функцию от угловой скорости (якоря) ротора и тока намагничивания машины, то такие обмотки нуждаются в системе подчиненного регулирования, не разработанной по сегодняшний день.
Применение питающих цепей низкой частоты. Популярные частоты 16 и 25 Гц.

Достоинства и недостатки

Достоинства в сравнении с коллекторным двигателем постоянного тока:

Прямое включение в сеть, без дополнительных компонентов (для двигателя постоянного тока требуется, как минимум, выпрямление).
Меньший пусковой (перегрузочный) ток (и момент), что предпочтительнее для бытовых устройств.
Проще управляющая схема (при её наличии) — тиристор (или симистор) и реостат. При выходе из строя электронного компонента двигатель (устройство) остаётся работоспособным, но включается сразу на полную мощность.

Недостатки в сравнении с коллекторным двигателем постоянного тока:

Меньший общий КПД из-за потерь на индуктивность и перемагничивание статора.
Меньший максимальный момент (может быть недостатком).

Достоинства в сравнении асинхронным двигателем:

Быстроходность и отсутствие привязки к частоте сети.
Компактность (даже с учётом редуктора).
Больший пусковой момент.
Автоматическое пропорциональное снижение оборотов (практически до нуля) и увеличение момента при увеличении нагрузки (при неизменном напряжении питания) — «мягкая» характеристика.
Возможность плавного регулирования оборотов (момента) в очень широком диапазоне — от ноля до номинального значения — изменением питающего напряжения.

Недостатки в сравнении с асинхронным двигателем:

Нестабильность оборотов при изменении нагрузки (где это имеет значение).
Наличие щёточно-коллекторного узла и в связи с этим:
- Относительно малая надёжность (срок службы. Тяжелые условия коммутации обуславливают использование максимально твердых щеток, что снижает ресурс.
- Сильное искрение на коллекторе из-за коммутации переменного тока и связанные с этим радиопомехи
- Высокий уровень шума
- Относительно большое число деталей коллектора (и соответственно двигателя)

Читать еще: Электронные системы управления двигателем из чего состоят

Сравнение с асинхронным двигателем

УКД — «мягкая» характеристика, момент прямо, а обороты обратно пропорциональны нагрузке на валу (потребляемой мощности) — практически линейно — от режима холостого хода до режима полного торможения. Номинальный момент выбирается примерно в 3-5 раз меньшим максимального. Обороты холостого хода ограничиваются только потерями в двигателе и могут разрушить мощный двигатель при включении его без нагрузки.
Асинхронный двигатель — «вентиляторная» характеристика — двигатель поддерживает близкую к номинальной частоту вращения, резко (десятки процентов) увеличивая момент при незначительном снижении оборотов (единицы процентов). При значительном снижении оборотов (до точки критического момента) момент двигателя не только не растёт, а падает до нуля, что вызывает полную остановку. Обороты холостого хода постоянны и слегка превышают номинальные.
Однофазный асинхронный двигатель предлагает дополнительный «букет» проблем, связанных с запуском, т.к. в нормальных условиях пускового момента не развивает. Пульсирующее во времени магнитное поле однофазного статора математически разлагается на два противофазных поля, делающих невозможным пуск без различных ухищрений:
расщепленный паз
создающая искусственною фазу емкость
создающую искусственною фазу активное сопротивление

Вращающееся в противофазе поле теоретически снижает максимальный КПД однофазного асинхронного двигателя до 50–60 % из-за потерь в перенасыщенной магнитной системе и активных потерь в обмотках, которые нагружаются токами «противополя». Фактически, на одном валу «сидят» две электрические машины, одна из которых работает в двигательном режиме, а вторая — в режиме противовключения.

Таким образом, в однофазных сетях к.м.п.т. не знает себе конкурентов.

Аналоги без коллекторного узла

Ближайшим аналогом УКД по механической харатеристике является бесколлекторный электродвигатель (вентильный электродвигатель, в котором электронным аналогом щёточно-коллекторного узла является инвертор с датчиком положения ротора (ДПР).

Электродвигатель для радиоуправляемой модели: какие бывают и что лучше купить – коллекторный или бесколлекторный

Если вы уже решили, какую именно радиоуправляемую модель хотите купить и точно знаете, что ваш будущий внедорожник, самолет, дрон или быстроходный катер будет оснащен электродвигателем, самое время задуматься, какого типа мотор лучше и надежнее.

Современная RC-модель на электрической тяге может иметь коллекторный или бесколлекторный двигатель. Каждый вариант имеет свои достоинства и недостатки. И разница тут не только в цене, как могут сказать в ближайшем магазине.

Итак, рассмотрим все детально, а выводы относительно того, с каким же моторчиком выбрать машинку (или другую модель) на радиоуправлении, пусть каждый делает самостоятельно.

Коллекторный электродвигатель: плюсы и минусы конструкции

«Brushed», «щеточный», «коллекторный» – все это названия первого типа электромоторов, которые пользуются популярностью как среди начинающих пилотов, так и среди профессиональных спортсменов, к примеру, участвующих в гонках или соревнованиях DRIFT.

Важная особенность конструкции – это наличие щеточно-коллекторного узла, являющегося его «сердцем» и непосредственно приводящим RC-технику в движение.

Внешнее отличие коллекторного от бесколлекторного электромотора – наличие всего двух проводов («плюс» и «минус») у коллекторных двигателей и трех проводов («фаз») у бесколлекторных двигателей для дальнейшего подключения мотора к регулятору оборотов (регулятору скорости, аббревиатура «ESC» англ.).

Ротор (подвижная часть) и статор (неподвижная часть) – это два основных элемента мотора коллекторного типа.

Внутри корпуса (статора) вращается подвижный ротор с медной обмоткой. С одной стороны вала ротора установлена передающая шестерня, или шкив, а с другой – коллектор, который, по сути, является набором контактов.

На статоре установлены графитовые щетки – тоже, своего рода, скользящие контакты, которые контактируют с коллектором. Щетки предназначены для передачи электроэнергии на обмотку вращающегося ротора.

С коллекторных двигателей все начиналось, это – «заря» RC-техники, поэтому они более дешевые и просты в обслуживании, но существенно уступают по мощности и времени эксплуатации новому поколению электромоторов.

Коллекторные двигатели

Преимущества

Низкий КПД (около 60%)

Сравнительно низкая скорость движения RC-модели

Простота эксплуатации и технического обслуживания

Быстрый износ составляющих конструкции, очень ограниченный ресурс эксплуатации

Исключительно подходит под определенные виды спортивных соревнований

Достоинства, приведенные в таблице, делают модели, оснащенные коллекторными двигателями, желанными для начинающих пилотов и пилотов-профессионалов для использования на специальных соревнованиях.

Если покупаете радиоуправляемую модель с коллекторным двигателем, учтите, что графитовые щетки и коллектор – это система подвижных контактов, в которой механическая составляющая мотора имеет свои особенности. Возможны искрения и перегрев, а потому – желательно избегать контакта с агрессивной внешней средой (влага, грязь, пыль).

Перед началом эксплуатации модели с коллекторным двигателем, ее желательно проверить, «обкатать» на низких скоростях, чтобы щетки «притерлись» к коллектору.

Бесколлекторный электродвигатель: в чем преимущества

«Brushless», «бесщёточный», «бесколлекторный» – это электромотор для радиоуправляемой модели (автомобиля, катера, самолета, вертолета или квадрокоптера), который был разработан уже в 21 веке. Он воплотил в себя все вожделенные качества любого профессионального RC-моделиста: надежность, мощность, долговечность.

Основная проблема, которой «грешит» любой электромотор – это перегрев. Когда ротор вращается внутри статора в коллекторном двигателе, высокая температура внутри механизма (а, следовательно, и быстрый износ, и частые поломки) – неизбежна.

Гениальное инженерное решение перевернуло мир радиоуправляемых моделей и не только: «А что, если вращать не ротор, а статор? Тогда охлаждение мотора будет происходить автоматически, за счет потоков воздуха создаваемого самим двигателем!»

Бесколлекторный двигатель стал широко использоваться в авиации и автомобиле- и судостроении, а радиоуправляемые модели с такой «начинкой» стали ездить и летать значительно быстрее и намного дольше.

Двигатель бесколлекторного типа приводится в движение за счет переменного тока. В этом случае нужен специальный регулятор скорости (или регулятор оборотов или контроллер), который преобразует постоянный ток аккумулятора в переменный с тремя фазами. Техническая сложность конструкции определяет главный (и, наверное, единственный) недостаток двигателей этого типа – они значительно дороже коллекторных.

Бесколлекторные двигатели

Преимущества

Высокий КПД двигателя (до 92%)

Более высокая мощность в сравнении с аналогичными по размеру коллекторными двигателями

Больший вес, по сравнению с аналогичным коллекторным двигателем

Высокая износостойкость за счет бесконтактной конструкции, соответственно значительно больший ресурс эксплуатации

Крайне нежелательно давать такие модели детям

Высокая степень влагозащиты, защиты от пыли и вязкой грязи

Невероятно высокая скорость движения модели, например, наземные модели могут развивать скорость до 260 км/ч, а воздушные до 350 км/ч.

Бесколлекторные электродвигатели надежные и долговечные, они практически не изнашиваются. Что может выйти из строя – это подшипники, которые легко заменить.

Одна особенность, которую может не заметить в бесколлекторном двигателе новичок, но чему обрадуется профи – это наличие сенсоров. Сенсорные электромоторы практичнее, поскольку установленные датчики (сенсоры) гарантирует очень плавную работу и быстрый старт, а также более рациональный расход энергии.

Есть сенсор или нет, начинающий моделист может не заметить, а вот, по стоимости ощутит сразу – наличие сенсоров делает ценник мотора более «тяжелым».

Как отличить внешне? У моторов с сенсорами кроме трех соединительных проводов есть шлейф из тонких проводков, которые подключаются к регулятору скорости.

Радиоуправляемая модель с бесколлекторным мотором – это выбор профессионалов, особую ценность для которых приобретает скорость и выносливость аппарата на соревнованиях.

Также следует отметить, что в большинстве случаев, для питания регуляторов с бесколлекторными двигателями применяются специальные аккумуляторные батареи литий-полимерного типа, которые могут вырабатывать огромные токи разряда (и это будет отдельная тема для следующей статьи).

Перед покупкой, взвесьте все «за» и «против», обратитесь за консультацией к специалистам и выбирайте модель «под себя» и свои возможности. Главное, что ассортимент рынка RC-моделей обширен и позволяет сделать оптимальный выбор.

голоса

Рейтинг статьи