Работа бесщеточного электродвигателя основывается на электрических приводах, создающих магнитное вращающееся поле. В настоящее время существует несколько типов устройств, имеющих различные характеристики. С развитием технологий и использованием новых материалов, отличающихся высокой коэрцитивной силой и достаточным уровнем магнитного насыщения, стало возможным получение сильного магнитного поля и, как следствие, вентильных конструкций нового вида, в которых отсутствует обмотка на роторных элементах или стартере. Обширное распространение переключателей полупроводникового типа с высокой мощностью и приемлемой стоимостью ускорило создание подобных конструкций, облегчило исполнение и избавило от множества сложностей с коммутацией.
Как работает бесщеточный двигатель
Есть много видов шуруповертов. Чтоб понять преимущества каждого нужно изучить их данные, принцип работы. Это позволит понять, какой шуруповерт лучше щеточный или безщеточный, в каких случаях ими нужно пользоваться. Ведь все электрические инструменты различны по техническим параметрам.
В конце прошлого века произошли перемены в сфере полупроводниковой электроники. Это позволило не использовать привычные щетки. Механический способ соединения контактов в бесщеточном был замене усилителем.
Изучая, как устроен бесщеточный двигатель шуруповерта, можно отметить, что он гораздо удобнее при работе, обеспечивает более высокий крутящийся момент. Данный тип двигателя меньше изнашивается, он тише, защищен от попадания внутрь грязи.
Деталь щетка
При этом скорость вращение усиливается при помощи напряжения, создаваемого внутри, а не центробежной силы. В этом случае двигатель работает в нужном режиме, не давая сбоев.
Даже если ток просочится внутрь или произойдет намагничивание мотора, скорость останется той же.
Для нормальной эксплуатации не требуется коммутатор и обмотка. Да и встроенный магнит необходим не такой большой как в щеточном оборудовании.
В бесщеточном двигателя есть ротор и статор как элементы любого мотора. Но коллектора здесь нет. Поэтому его бесколлекторный вариант будет надежнее.
Интересно! Такие приборы устанавливаются в шуруповертах малой мощности (до 5 кВт). В моделях с большими параметрами они менее эффективны.
Принцип работы
Увеличение надежности, уменьшение цены и более простое изготовление обеспечивается отсутствием механических коммутационных элементов, обмотки ротора и постоянных магнитов. При этом повышение результативности возможно благодаря уменьшению потерь трения в коллекторной системе. Бесщеточный двигатель может функционировать на переменном либо непрерывном токе. Последний вариант отличается заметным сходством с коллекторными двигателями. Его характерной особенностью является формирование магнитного вращающегося поля и применение импульсного тока. В его основе присутствует электронный коммутатор, из-за чего повышается сложность конструкции.
Конструкция и принцип действия
Безколлекторный инструмент занял в наборе необходимых инструментов свое место. Покупая оборудование в дом, хозяин должен ознакомиться с принципами его работы.
Можно рассмотреть особенности того, как работает безщеточный двигатель в шуруповерте:
- Ток здесь переключается в обмотках статора. На якоре нет катушки, и магнитное поле создается с помощью установленных внутри корпуса магнитов.
- Время, когда нужно подключить электричество регулируется при помощи встроенных датчиков. Используется эффект Холла. Короткие электрические импульсы и сигналы скорости, регулирующие работу, переходят во встроенный процессор. Это действие принято называть ШИМ сигналом.
- Поочередно образуемые импульсы направляются на усилители, которые усиливают ток. Инверторы (усилители), соединены с обмоткой на статоре. Данные элементы накапливают ток, вырабатываемый катушками, и при помощи импульсов передают его из внутреннего процессора.
В результате возникает магнитное поле, которое заставляет вращаться якорь и инструмент начинает работать.
Инструмент безщеточный
Щетки – слабое место генератора. Есть бесщеточные варианты, но их мало используют. Почему?
Самая распространенная и массовая на сегодня конструкция автомобильного генератора – с использованием графитовых щеток, подающих напряжение на обмотку ротора (так называемую «катушку возбуждения») через пару вращающихся скользящих контактов в виде медных колец на валу ротора. Подобное решение применяется на большинстве автомобилей за редким исключением, ибо оно отработано и за десятилетия подтвердило свою практичность.
В такой конструкции крайне просто и эффективно реализовано поддержание стабильного напряжения в бортсети автомобиля на любых оборотах двигателя и, соответственно, генератора – электронный блок стабилизации напряжения (который по старинке принято именовать «реле-регулятором») отслеживает уровень напряжения на выходе и уменьшает или увеличивает ток в катушке возбуждения. Как только напряжение проседает, ток увеличивается. Как только оно приближается к верхнему пределу 14,2 вольта – уменьшается. Этот процесс идет быстро и непрерывно, и в результате мы имеем стабильное напряжение и на холостых оборотах, и на высокой скорости.
Щеточный узел – сухой и слабо защищенный от песка и влаги. А все, что открыто и трется без смазки, постепенно изнашивается и отказывает. Именно щеточный узел является наиболее частым источником выходов генератора из строя. Тем более что он обычно еще и неразборно совмещен с электронным блоком стабилизации напряжения («реле-регулятором»).
Однако в последние годы слово «БЕСщеточный» (или его аналог «бесколлекторный») на слуху у «широких народных масс» (с) – оно стало известно даже относительно далеким от техники людям. В самых разных сферах быта активно пропагандируются бесщеточные электромоторы – сегодня на них летают квадрокоптеры, крутятся шуруповерты, косят газоны триммеры и работают прочие механизмы и гаджеты. Даже откровенным гуманитариям уже успешно внушили, что «щетки – это плохо: они изнашиваются, отказывают, греются и вызывают потери тока». Почему же в автомобильном генераторе щеточный узел до сих пор не исчез, тогда как в последнее время от него все чаще отказываются даже в моторчиках дешевых детских игрушек?!
Может быть, потому, что на бесколлекторные (или же бесщеточные – как больше нравится) технологии массово переводятся электромоторы
, а мы-то ведем речь про
генератор
? Нет, дело не в этом. Тут как раз никаких препятствий нет. Электромотор и электрогенератор – чрезвычайно похожие по своей сути электрические машины, вдобавок зачастую обратимые: мотор способен вырабатывать ток, если его вращать принудительно, а генератор может выполнять роль мотора, если на него опять же подать ток извне.
Использовать бесщеточный генератор в автомобиле можно, это давно реализовано и практикуется. Однако выпускаются подобные генераторы весьма ограничено и массовыми почему-то не стали… Почему?
Сделать автомобильный генератор бесщеточным в принципе не так сложно. Для чего, собственно, нужны щетки? Чтобы подать через них питание 12 вольт на катушку возбуждения внутри вращающегося ротора. После чего сегментный ротор с катушкой, на которую подан постоянный ток от аккумулятора, становится многополюсным электромагнитом и порождает возникновение тока в неподвижной обмотке – в статоре.
Убрать скользящий щеточный контакт в автомобильном генераторе возможно за счет особой конструкции ротора. Для этого ротор делают удлиненным, а катушку возбуждения выполняют в виде внешнего кольца и неподвижно закрепляют на статоре. Ведь для работы генератора ротор должен стать магнитом, а как намагничивать ротор – катушкой внутри, или катушкой снаружи – непринципиально…
Первые бесщеточные генераторы с неподвижной катушкой возбуждения встречались на автомобилях и полвека назад, и даже раньше. Как правило, ставили их на коммерческий транспорт (дальнобойные грузовики) и сельскохозяйственные и строительные машины (комбайны, трактора, бульдозеры и т. п.). Первым была важна увеличенная надежность и уменьшенная вероятность отказов на длинных перегонах пути, а вторым – защита от постоянно сопровождающих их при работе абразивной пыли и влаги, способных быстро убивать щеточный узел, проникая в генератор через вентиляционные щели. В принципе, в ограниченных объемах используются они в подобных машинах и по сей день.
Однако, согласитесь: генератор, не боящийся воды и пыли, с увеличенным сроком службы благодаря отказу от трущихся насухую деталей – это весьма недурственно! Причем неплохо для любого генератора, а не только для установленного на грузовике или комбайне! Почему же технология не распространилась на массовый легковой сегмент? Причин тут несколько.
- Технология производства бесщеточных генераторов более многоэтапна, и генераторы в конечном итоге существенно дороже.
- При сопоставимых технологиях производства (без дорогостоящих инноваций) бесщеточный генератор в итоге получается крупнее и тяжелее щеточного с теми же характеристиками.
- Большинство грузовых и сельскохозяйственных «бесщеточников» имели относительно узкий диапазон рабочих оборотов, на которых они эффективны, и на холостом ходу и просто на пониженных передачах толком не заряжали аккумулятор.
- Современные «бесщеточники» существенно усложнились, дабы сохранить компактность, одновременно получив возможность выдавать большие токи с малых оборотов и не бояться оборотов высоких. Вдобавок к неподвижной обмотке возбуждения в конструкцию добавились постоянные магниты, позволяющие увеличить токоотдачу на малых оборотах, специальные размагничивающие обмотки, нейтрализующие действие постоянных магнитов на высоких оборотах, многофазные статоры, усложненные диодные мосты.
Все это и ряд других факторов ограничивали и продолжают ограничивать распространение таких генераторов. А после эволюционной оптимизации генераторов со щетками (ставших мощнее, компактнее, линейнее и т. п.) преимущества «бесщеточников» оказались еще менее выраженными. Несмотря на явно изнашивающиеся пары трения медь-графит, реально щеточные генераторы ходят весьма долго и их не принято считать потенциально проблемным узлом автомобиля, требующим инновационных вмешательств.
Впрочем, в ряде случаев бесщеточные генераторы имеют актуальность не только на фурах и тракторах. К примеру, щеточного узла нет на некоторых генераторах ряда дизельных кроссоверов BMW и Mercedes. В их моторах применяются генераторы повышенной мощности (180-190 ампер) с водяным охлаждением, которые прикручиваются своей задней крышкой к крышке водяной рубашки двигателя с соответствующим отверстием, как бы «затыкая его своим задом», и, таким образом, частично омываются антифризом. В конструкции мощных водоохлаждаемых генераторов щетки сильно затрудняют компоновку и обслуживание, поэтому от них иногда отказываются. Также серийно встречаются такие генераторы в некоторых комплектациях серьезных рамных внедорожников типа Nissan Patrol. А уазисты любят внедрять в свои тюнингованные «котлеты» не боящиеся купания в болоте 110-амперные бесщеточные генераторы от автобусов ПАЗ. Ну а алтайский завод тракторного электрооборудования еще с советских времен (и, кажется, по сей день!) производит небольшими тиражами бесщеточный генератор для моделей ВАЗ классического (01-07) и раннего переднеприводного (08-099) семейств.
Тем не менее в конечном итоге все решает экономика и отчасти инжиниринг. На сегодняшний день в массовом потребительском автопроме надежность простейшего щеточного генератора принята за образец баланса цены, живучести и ремонтопригодности. И отходят от этого канона лишь в относительно редких случаях, когда проектирование технически сложного, продвинутого и достаточно дорогого автомобиля неизбежно требует усложненных и недешевых решений…
Преимущества бесщеточных двигателей в теории
С устройством бесщеточного двигателя уже разобрались и теперь стоит рассмотреть положительные и отрицательные стороны подобных инструментов.
Есть несколько преимуществ таких двигателей:
- У них нет проблем, которые имеются у щеточных моделей. Они более устойчивы к износу, так как щетки не дают внутреннего трения. Уровень возгорания тоже ниже. Отсутствие искрения позволяет работать в самых сложных условиях.
- Более простая система регулировки крутящего момента. Количество уровней (15), позволяет сразу выбрать нужный режим и просто нажать на кнопку. У них выше уровень КПД.
- Экономичность в плане использования электроэнергии. Это особенно актуально. Если двигатель аккумуляторный. Инструментом можно работать на любом материале.
Важно! Помимо этого бесщеточные двигатели могут выдавать максимальные показатели вращения почти сразу.
Что такое серводвигатель?
Серводвигатель для ЧПУ представляет собой электрический мотор с обратной связью по положению. Он получает управляющий сигнал, по которому изменяет положение ротора на заданную величину, следит за этим изменением и управляет параметрами питания. Наличие обратной связи — главное отличие сервомоторов от шаговых двигателей, в которых используется система отсчета шагов для определения перемещений.
Сервопривод состоит из следующих элементов:
- электрический мотор;
- датчик положения ротора (в приводах станков с ЧПУ чаще всего используют датчики Холла или энкодеры);
- конвертер управляющего сигнала;
- блок питания (инвертор или частотный преобразователь).
Принцип работы серводвигателя с простейшей схемой управления основан на сравнении задаваемого перемещения с показаниями датчика обратной связи. Напряжение на обмотки подаются через реле. В приводах перемещения ЧПУ используются более сложные схемы управления, построенные на логических контроллерах. У них есть ряд преимуществ, важных для работы станка:
- возможность выбрать мощность в соответствии с задачами;
- автоматическая компенсация люфтов, зазоров, связанных с износом, сезонных и рабочих температурных деформаций;
- мгновенное выявление отказа — заклинивания, выхода из строя электронных компонентов;
- высокие скорости перемещения, недоступные для шаговых двигателей.
Преимущества бесщеточного инструмента на практике
Теоретические преимущества полностью реализуются на практике. Это нужно учитывать, выбирая шуруповерт щеточный или бесщеточный, двигатель какой лучше можно узнать после работы с ним.
Специалисты отмечают, что такой инструмент:
- Гораздо легче и меньше по размеру. Компактность дает возможность работать в сложных местах и носить даже в обычной сумке.
- Мощнее и эффективнее в расходе электричества. Современный принцип работы мотора, основанный на применении электроники, повышает пользовательские характеристики.
- Аккумуляторные модели бесщеточного типа работают на одной зарядке достаточно долго. По сравнению с классическими моторами это на 30 % больше.
- Благодаря незначительному выделению тепла не требуется дополнительного охлаждения и перерывов при работе.
- При работе не издает слишком сильных звуков, не дает резких рывков.
- Нет искр. Это позволяет работать в сложных условиях рядом с топливными баками, газовыми приборами.
- Прост в обслуживании. Не требуется покупать и подбирать щетки.
- Реже ломается, так как отсутствие щетки позволяет работать даже при высоких нагрузках, не боясь засорить двигатель.
Серводвигатели в станках MULTICUT
Компания MULTICUT производит фрезерно-гравировальные станки портального типа, предназначенные для обработки материалов различной твердости. Мы разработали пять серий станков, рассчитанных на разные нагрузки. Одно из преимуществ оборудования — возможность выбора приводов перемещения. На станки в базовой комплектации установлены шаговые электродвигатели. При необходимости их можно заменить сервоприводами переменного тока ведущих производителей промышленной автоматики и приводных систем:
DELTA. Серводвигатели серии ASDA-B2 в диапазоне мощностей от 100 Вт до 3 кВт отличаются высокой точностью работы благодаря встроенному энкодеру с разрешением 160000 импульсов на оборот. В моделях мощностью от 400 Вт есть встроенный тормозной резистор. Привод отличается улучшенной динамикой разгона. Время разгона от -3000 до +3000 об/мин на холостом ходу составляет менее 10 мс. ESTUN. Сервоприводы серии EMG разработаны для мощных и станков, от которых требуется высокая производительность. Благодаря мощным постоянным магнитам, в которых использованы редкоземельные металлы, производителю удалось добиться высоких мощностных характеристик при компактных размерах и широкого диапазона частот вращения. Встроенный инкрементный или абсолютный энкодер обеспечивает высокую точность позиционирования и быстрый отклик системы на изменение параметров.
В приводах реализована возможность управления по заданию положением, скоростью и моментом. Последние два параметра также управляются по внутренним параметрам.
Задать вопросы по выбору приводов перемещения для станков MULTICUT можно консультанту в онлайн чате или по телефону.
Почему бесщеточный инструмент такой дорогой
Главным недостатком такого инструмента является его высокая цена. Она обусловлена присутствием дорогой силовой платы и электронного управления. Благодаря этому электродвигатель становится надежнее.
Но высокая стоимость такого инструмента иногда становится решающим фактором при покупке инструмента. Какой шуруповерт лучше щеточный или бесщеточный каждый пользователь решает для себя. И многие склоняются в пользу более дешевого изделия.
Важно! Замена деталей бесщеточных инструментом всегда обходится дорого.
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.
Стоит ли покупать инструмент с бесщеточным двигателем
Если инструмент нужен на несколько раз или просто для домашнего пользования, то лучше выбрать более дешевый вариант. Но профессионалам необходим надежный и мощный шуруповерт, который окупится очень быстро. Это можно понять, увидев, как работает бесщеточный шуруповерт, и сколько процессов с ним можно сделать без перерывов.
Можно подождать, когда технология станет более доступной. Ведь она внедрена не так давно и новые движки, которыми они оснащены слишком дороги в отличие от обычных. При анализе цены разница составит 30-50 %. Такие переплаты слишком значительные, чтобы покупать инструмент просто для наличия дома.
Работа бесщеточного шуруповерта
