Что такое щеточный двигатель
В чем разница между щеточными и бесщеточными двигателями?
Все чаще на просторах интернет-магазинов можно найти инструменты с двумя типами двигателей. Инструменты и садовая техника WORX также не отстают от современных трендов при производстве техники, так что на нашем сайте вы тоже можете найти специальную характеристику двигателя — щеточный или бесщеточный. Так что же это за характеристика, на что она влияет и в чем принципиальные отличия инструментов с тем или иным двигателем? Давайте разбираться.
Устройство и принцип действия щеточного двигателя
Щеточный двигатель по-другому еще называется коллекторным. Состоит двигатель из нескольких важных частей.
Ротор — по-другому, якорь. Как раз он вращается внутри и преобразует электрическую энергию в механическую. Якорь обмотан медной проволокой (обмоткой) с разных сторон ротора. За счет прохождения тока через проволоку создается магнитное поле, которое в свою очередь и создает вращение элемента.
На обмотке в бесщеточном двигателе установлен коммутатор, который используется для переключения с одной обмотки на другую, что позволяет менять направление вращения ротора. Этот коммутатор и есть коллектор, от которого взял свое название двигатель.
Чтобы напряжение передалось на обмотки, а ток прошел через коллектор в двигатель устанавливаются специальные щетки. Щетки обычно состоят из графита; они всегда контактируют с коммутатором и обеспечивают подачу энергии к катушкам с обмоткой. Есть две щетки, и каждая из них подключается к противоположному полюсу батареи. Это гарантирует, что при вращении ротора ток, протекающий к катушкам, постоянно меняет направление. Это приводит к необходимому изменению магнитного поля, которое позволяет ротору продолжать вращаться.
Все вышеописанные элементы установлены в статор. Статор — неподвижных элемент двигателя, в котором могут быть либо еще одна катушка с проволокой, либо постоянный магнит. За счет того или другого элемента и создается магнитное поле обратной полярности ротору, из-за чего тот вращается.
Коллекторные двигатели могут работать от переменного напряжения, так как при смене полярности ток в обмотках возбуждения и якоря также меняет направление, в результате чего вращательный момент не меняет своего направления.
Плюсы и минусы щеточного двигателя
Так мы с вами вкратце разобрались с устройством щеточного двигателя. Теперь в чем же его плюсы и минусы?
Плюсы
Минусы
Устройство и принцип действия бесщеточного двигателя
Теперь давайте разберем принцип работы бесщеточного двигателя. Как понятно из названия, его принципиальное отличие в отсутствии щеток. Но как же он тогда работает? Как нужная энергия поступает в двигатель?
В устройстве бесщеточного двигателя также присутствует ротор и статор — основные элементы любого мотора. Но при этом отсутствует коллектор, соответственно и двигатель по-другому называется бесколлекторным. Если у щеточного двигателя работа происходит за счет электро-механической смены полярности, то в бесщеточном двигателе все работает благодаря электромагнитной индукции. Также отличается местоположение обмотки — здесь она располагается на статоре, в отличие от предыдущего вида двигателя.
Вместо щеток и коллектора в бесщеточном двигателе установлены датчики Холла и контроллер, который контролирует подачу напряжения на катушки для создания индуктивности, а также положение ротора и скорость его вращения.
Когда плата подает на обмотку ток, создается тоже противоположное магнитное поле, и магниты на роторе начинают вращаться.
Еще одной особенностью бесщеточных двигателей нужно назвать их типы. Двигатели бывают двух типов — синхронный и асинхронный. В синхронном двигателе частота вращений ротора равна частоте вращений магнитного поля — то есть один оборот ротор совершает после одного полного прохождения тока через катушку. А в асинхронном двигателе обратная ситуация — частота вращений ротора меньше, чем частота вращения магнитного поля. То есть ток проходит через катушку быстрее.
Плюсы и минусы бесщеточного двигателя
Если с устройством бесщеточного двигателя мы разобрались, то теперь давайте рассмотрим положительные и отрицательные стороны инструментов с бесщеточными моторами.
Плюсы:
Минусы:
Но не бывает все настолько радужно. Даже у инструментов с бесщеточными двигателями есть и свои недостатки. Так сказать, ложка дегтя в бочке меда.
Итоги сравнения щеточного и бесщеточного двигателей
Если сравнивать инструменты с разными видами двигателей, то можно смело сказать, что техника с бесщеточным двигателем надежнее и мощнее. Но нужно учитывать тот факт, что ориентирована такая техника больше на профессиональные работы. В быту же и инструменты со щеточным двигателем отлично справятся со своими задачами. Потому перед покупкой инструмента заранее определите цели, для которых вы будете использовать инструменты.
В ассортименте компании WORX есть инструменты и со щеточными и с бесщеточными двигателями. Чтобы определить какой именно тип двигателя установлен в инструменте, обратите внимание на иллюстрацию в карточке товара — в бесщеточных моделях есть специальная пометка «BRUSHLESS MOTOR».
О щеточном и бесщеточном моторах
Электромотор постоянного тока – это электрическое устройство, которое конвертирует электрическую энергию прямого тока в механическую. Практически все электрические моторы прямого тока имеют внутренний механизм, либо электромеханический, либо электрический, для периодического изменения направления потока тока.
Двигатели постоянного тока были первыми, которые начали широко использоваться в мире. Скорость электромоторов можно регулировать в большом диапазоне используя изменяемое напряжение либо изменяя силу тока на обмотках.
Щеточный электромотор
Щеточный электромотор генерирует крутящий момент напрямую от поданного питания на него, используя внутренний коммутатор, стационарные магниты (постоянные или электромагнитные), и вращающиеся электромагниты.
Преимущества щеточных моторов: низкая цена производства, высокая надежность, и легкое управление скоростью.
Недостатки щеточных моторов: высокие эксплуатационные расходы и малый срок службы при высокой интенсивности использования.
Обслуживание включает в себя регулярную замену графитовых щеток также, как и очистка либо замена коммутатора. Эти компоненты важны для передачи электроэнергии на обмотку ротора.
Бесщеточный электромотор
В типичном бесщеточном электромоторе ротор выполнен в виде постоянных магнитов, вращающихся вокруг статора с электромагнитами. Контроллер такого мотора конвертирует постоянный ток в переменный. Этот тип механически проще чем щеточный, потому как исключает сложность передачи электроэнергии к вращающемуся ротору мотора.
Контроллер мотора может отслеживать положение ротора с помощью датчиков эффекта Холла и может очень точно контролировать тайминги, фазы и т.д., током на обмотках ротора мож но оптимизировать крутящий момент, сохранять энергию, регулировать скорость и даже осуществлять некоторое торможение.
Преимущества бесщеточных моторов: большой срок службы, отсутствие необходимости обслуживания и высокая эффективность.
Недостатки бесщеточных моторов: высокая стоимость производства и более сложный контроллер скорости.
Сравнение щеточного и бесщеточного электромоторов
Щеточные электромоторы были изобретены в 19-ом столетии и очень распространены. А возможность производить бесщеточные моторы постоянного тока появилась только с изобретением полупроводников в 1960-х.
Про коммутатор
В щеточных моторах данный узел выполнен в виде поворотного переключателя на валу мотора, который называется коммутатор. Он состоит из вращающегося цилиндра, поделенного на n-ое количество сегментов (контактов) на роторе. Данные сегменты соединены с обмотками электромагнитов ротора. Два или больше (в основном два) стационарных контактов называются «щетки», сделанные из мягкого (по сравнению с коммутатором) проводника, осуществляют скользящий контакт с сегментами на коммутаторе. При каждом полуобороте коммутатор меняет направление тока на обмотках ротора, и таким образом магнитное поле создает крутящий момент только в одном направлении.
Основные недостатки коммутатора:
Бесщеточные электромоторы были созданы, чтобы исключить данные недостатки.
Бесщеточное решение
Разработка полупроводников в электронике в 70-х годах позволила убрать коммутатор и щетки в электромоторах постоянного тока. В бесщеточных электромоторах электрическая серво система заменяет механический коммутаторный узел. Электрические датчики определяют угол ротора и управляют полупроводниковыми переключателями такими как транзисторы, которые включают ток через обмотки, а также перенаправляют ток (в некоторых моторах просто отключают) в определенное время каждые 180 градусов. Таким образом электромагниты создают крутящий момент в одном направлении. Исключение скользящих контактов в электромоторах позволило избавиться от механически изнашиваемых узлов и прибавить в сроке службы. Срок службы таких моторов ограничен только сроком службы их подшипников.
Именно поэтому современные электроусилители руля используют бесщеточные электромоторы в своей конструкции.
Как работает коллекторный двигатель со щеточным механизмом в бытовой технике
Пылесос, кофемолка, дрель, перфоратор, триммер — далеко не полный перечень оборудования, в котором используется преобразование электрической энергии в механическую для работы бытовых устройств.
Они содержат сложные технические узлы, требуют умелого обращения, периодического осмотра, правильного обслуживания. При небрежной работе возникают различные поломки.
Материал статьи представляет советы домашнему мастеру, работающему с электрическими инструментами или планирующему самостоятельный ремонт электродвигателя с щеточным механизмом и коллектором. Текст наглядно дополняется схемами, картинками и видеороликом.
Предоставленная информация собрана с целью привлечь внимание пользователей к правилам эксплуатации бытовых приборов с коллекторным двигателем. Она поможет осознанно фиксировать возникающие дефекты работающей схемы, оперативно устранять их.
Компоновка и принцип работы
Подвижная часть коллекторного двигателя, как и любого другого, механически сбалансирована и закреплена в подшипниках вращения, вмонтированных в неподвижную станину.
Стационарный статор и вращающийся ротор имеют собственные обмотки из изолированного провода. По ним протекает электрический ток, создающий магнитные поля со своими полюсами: северным N и южным S.
При взаимодействии этих двух электромагнитных полей создается вращение ротора.
Поскольку к обеим обмоткам необходимо постоянно подводить напряжение, а ротор вращается, то для него смонтировано специальное устройство: коллектор с щеточным механизмом.
Электрическая схема
Для практических работ удобно пользоваться двумя видами ее представления:
Упрощенное отображение
Способ позволяет очень просто представить подключение всех обмоток двигателя к схеме электрической сети.
Выключатель разрывает оба потенциала фазы и нуля или один из них. Через щетки с коллектором создается цепь тока по обмоткам ротора.
Принципиальная схема
В зависимости от конструктивных особенностей обмотки статора и ротора могут иметь дополнительные отводы для питания различных устройств управления и автоматики коллекторного двигателя или обходиться без них.
Термозащита исключает перегревание изоляции обмоток двигателя. Она снимает напряжение питания при срабатывании датчика, останавливая вращение ротора и исполнительного механизма.
Тахогенератор позволяет судить о скорости вращения ротора. У отдельных двигателей его заменяют датчиком Холла. Для передачи сигналов к этим устройствам тоже используются контакты коллекторных пластин.
Проблемные места конструкции
Чаще всего неисправности могут возникнуть в:
Подшипники
Их расположение выполняется по краям ротора с таким условием, чтобы максимально передавать осевую нагрузку крутящего момента.
У обычного бытового инструмента они могут повреждаться по двум основным причинам:
Направления приложенных усилий
Подшипники бытового электроинструмента, как правило, не предназначены для восприятия боковых нагрузок. От частого их приложения, например, когда при работе дрелью нагружают не конец сверла, а прорезают щелевые отверстия его боком, на подшипниковый механизм передаются биения вала, создающие дополнительные люфты шариков в обоймах.
Работа в загрязненной среде
Коллекторный двигатель имеет воздушную систему охлаждения. Крыльчатка, надетая на ротор, забирает воздух через специальные щели в кожухе двигателя и прогоняет его по всему корпусу для отвода излишнего тепла от нагревающихся обмоток. Теплые потоки выбрасываются через специальные отверстия.
Если в помещении создана пыльная среда, то она будет засасываться внутрь корпуса и проникнет на подшипники и коллекторно-щеточный механизм. Возникнет абразивное воздействие на соприкасающихся при вращении частях, их преждевременный износ, а также нарушение электрической проводимости на контактах щеток.
Использование коллекторного двигателя не по назначению, например, сбор потока строительной пыли бытовым пылесосом вместо строительного, наиболее частая причина его поломки.
Отчего искрят щетки
Конструктивные особенности
При работе двигателя происходит постоянное трение щеток о контактные пластины коллектора, что требует периодического осмотра.
На рабочих поверхностях медных площадок появляется незначительный слой угольной пыли, как показано на фотографии. Это связано с расходом материала и износом щеток.
Этот процесс идет всегда при работе коллекторного двигателя. Даже при нормальном скольжении щетки создается незначительный разрыв цепи электрического тока. А это всегда связано с искрообразованием из-за возникновения переходных процессов и появлением микроскопических дуг. К тому же обмотки обладают высоким индуктивным сопротивлением.
Поэтому полностью исправный щеточный механизм при номинальной работе искрит, что не заметно взглядом, но ощущают чувствительные электронные приборы: телевизоры, компьютеры и другая техника. В схему их питания всегда устанавливают помехоподавляющие фильтры. Примером служит приведенная на сайте электрическая схема микроволновой печи с выделенным фрагментом зеленого цвета.
Износ материала щеток
Прижимаемая к коллекторной пластине токоведущая часть выполнена из угля. Ее объём изнашивается, а длина уменьшается. При этом ослабляется усилие нажима, создаваемое расправляемой пружиной.
Этот процесс может учитывается или не приниматься во внимание в разных конструкциях коллекторных двигателей.
Раритетные образцы
На старом двигателе выпуска 1960 года, приведенном в качестве примера, сжатие пружины осуществляется усилием завинчивания диэлектрической крышки.
Процесс установки щетки показан ниже.
Двигатель пылесоса
Описанная в статье об изготовлении самодельного триммера конструкция щеточного механизма имеет винт фиксации корпуса щетки.
Его установка показана на очередной фотографии. Обратите внимание, что сама щетка неоднократно стачивалась в процессе длительной работы и заменялась выточенным из угольного электрода батарейки по форме предыдущей.
При самостоятельном изготовлении щеток обращайте внимание на плотность ее входа в гнездо и перпендикулярное положение к оси вала. Если она будет меньшего размера, то при работе возникнет перекос. Он приведет к излишнему искрению и снижению ресурса двигателя.
Поэтому желательно использовать заводские щетки от производителя.
Существуют и другие технические решения этого вопроса.
Как проверить степень износа щетки
Основной метод связан с визуальным осмотром. В интернете можно встретить советы, рекомендующие прижать при работе двигателя щетку отверткой и оценить изменение оборотов ротора.
Это опасная операция, выполнять которую может только обученный и опытный персонал потому, что:
Если внешний осмотр показал, что длина щетки сильно уменьшена или рабочая поверхность имеет сколы, то ее необходимо просто заменить.
Загрязненный коллектор
Образование излишнего слоя угольной пыли с хорошими токопроводящими свойствами на пластинах может стать причиной их замыкания. Необходимо ее удалять не только с внешней поверхности, но и из промежутков между ними.
Графитовую пыль можно стереть слегка смоченной в спирте или бензине мягкой ветошью или убрать тонкой деревянной палочкой.
Когда коллекторные пластины потеряли первоначальную форму и стали с выемками, то их восстанавливают наждачной шкуркой с самым мелким зерном на токарных станках. Это сложная операция, требующая специального оборудования, но она способна продлить ресурс коллекторного двигателя.
Межвитковые замыкания в обмотках
Их образование на статоре или роторе резко снижает индуктивное сопротивление, ведет к появлению дополнительных искр между различными секциями коллектора и щеток. Возникает дополнительный перегрев.
Обмотка ротора
Поврежденную секцию в отдельных случаях можно наблюдать визуально по изменению цвета. Для выполнения электрических замеров потребуется точный омметр. Технологию проверки демонстрирует видео владельца altevaa TV “Проверка якоря коллекторного двигателя”.
Ремонт поврежденной обмотки ротора — операция сложная. Иногда проще купить новый.
Обмотка статора
Неисправность можно выявить замером активной составляющей электрического сопротивления по мостовой схеме у каждой полуобмотки. Но это тоже довольно сложно.
Пробой диэлектрического слоя изоляции
Кратко коснемся причин образования дефектов и защитных устройств, которыми необходимо пользоваться.
Как возникают неисправности
Медные провода жил всех обмоток покрыты слоем лака, который может повреждаться от:
От этих же факторов возникают дефекты изоляции питающих проводов с полихлорвиниловым покрытием.
В результате этих воздействий появляются следующие неисправности электрической схемы:
Защитные устройства
Термореле
Встроенная во многие коллекторные двигатели функция защиты от перегрева работает автоматически. Когда оборудование отключается от его частой работы, то необходимо искать причину завышения температуры. К сожалению, часть пользователей старается заблокировать термореле. Это приводит к поломке с трудно восстанавливаемым ремонтом.
Автоматический выключатель
Ликвидация короткого замыкания и перегруза внутри электрической схемы двигателя возложена на бытовой автомат, питающий силовую розетку. Он устанавливается в квартирном щитке и по своим техническим характеристикам должен соответствовать рабочему и аварийному режиму коллекторного двигателя.
Без защиты налаженным автоматическим выключателем пользоваться инструментом с коллекторным двигателем опасно для жизни.
УЗО предотвращает стекание потенциала фазы через тело человека на землю. Оно тоже устанавливается в квартирном щитке.
Для закрепления материала рекомендуем посмотреть ролик владельца slavnatik “Почему искрит болгарка”.
Напоминаем, что сейчас вам удобно задать вопросы в комментариях и поделиться статьей с друзьями в соц сетях.
Чем отличается бесщеточный двигатель от щеточного
Бесщеточный двигатель vs щеточного двигателя
Уже несколько лет мы наблюдаем, как бесщеточный двигатель доминирует в индустрии передовых электродвигателей. Действительно ли имеет значение использовать бесщеточный мотор? Да, конечно. Между ними есть существенная разница.
Давайте посмотрим на основы двигателя постоянного тока. Двигатель постоянного тока — все о магнитах и электромагнетизме.
Противоположно заряженные магниты притягивают друг друга. Основная идея двигателя постоянного тока заключается в том, чтобы удерживать противоположный заряд вращающегося компонента, притянутого к неподвижным магнитам (статору) перед ним, чтобы он генерировал постоянное притяжение. Это движение тяги вперед вызвано физическим поведением электромагнетизма.
Принцип работы мотора
Принцип работы мотораОн основан на том принципе, что, когда токопроводящий проводник помещается в магнитное поле, он испытывает механическую силу, направление которой задается правилом левой руки Флеминга, а его величина определяется
силой, F = BI l ньютон
Где B — магнитное поле / м2.
I — ток в амперах, а
l — длина катушки в метрах.
Сила, ток и магнитное поле находятся в разных направлениях.
Различия в конструкции щеточного и безщеточного двигателя
Щетки внутри электродвигателей используются для подачи тока на обмотки двигателя через контакты коммутатора. Бесщеточный мотор не имеет токоведущих коммутаторов. Поле внутри бесщеточного двигателя переключается через усилитель, запускаемый коммутирующим устройством, таким как оптический датчик.
В щеточном двигателе постоянного тока используется конфигурация витых проволочных катушек, якоря, действующего как двухполюсный электромагнит. Направленность тока меняется дважды за цикл с помощью коммутатора, механического поворотного переключателя. Это облегчает протекание тока через якорь; таким образом, полюса электромагнита тянут и давят на постоянные магниты вдоль внешней стороны двигателя. Затем коммутатор меняет полярность электромагнита якоря, когда его полюса пересекают полюса постоянных магнитов.
В отличие от бесщеточного двигателя, в качестве внешнего ротора используется постоянный магнит. Кроме того, он использует три фазы катушек и специальный датчик, который отслеживает положение ротора. Когда датчик отслеживает положение ротора, он отправляет опорные сигналы на контроллер. Контроллер, в свою очередь, активирует катушки структурированным образом — одна фаза за другой.
Бесщеточный мотор преимущества и недостатки
Бесщеточный мотор гарантирует более длительный срок службы, поскольку на самом деле нет щетки, чтобы его изнашивать. Они могут работать более 1000 часов. Безщеточные моторы более энергоэффективны, чем щеточные.
Однако они изначально стоят дороже, чем щеточные моторы. Вам также необходимо коммутировать устройства, такие как кодировщики и контроллеры.
Щеточный двигатель сильно шумит, тогда как их бесщеточные аналоги менее шумные. Бесщеточный двигатель также предлагает более высокое отношение крутящего момента к весу. Что еще? Нет необходимости иметь дело с ионизирующими искрами от коммутатора и электромагнитными помехами.