Щеточный и бесщеточный электродвигатели¶

Щеточный и бесщеточный электродвигатели — два основных типа электродвигателей постоянного тока, различающихся способом коммутации обмотки ротора. В щеточных двигателях ток подводится к обмотке через скользящий контакт — щётки и коллектор (аналогично — щётки и коллекторные кольца в двигателях переменного тока), в бесщеточных (коллекторных) двигателях коммутация выполняется электронным преобразователем — контроллером. Выбор между ними определяется требованиями к надёжности, точности управления, стоимости и условиям эксплуатации.

¶Устройство и принцип работы

¶Щеточный двигатель

В классическом щеточном двигателе постоянного тока ротор (якорь) содержит обмотку, концы которой подключены к коллектору — набору изолированных медных пластин, закреплённых на валу. Щётки, прижатые к коллектору пружинами, обеспечивают скользящий контакт и подают на обмотку ток, направление которого меняется по мере вращения. Это создаёт вращающий момент без дополнительной электроники: достаточно подать постоянное напряжение на щётки.

Простота схемы — главное достоинство конструкции. Регулировка оборотов осуществляется изменением напряжения или шунтированием ротора, регулировка направления — переключением полярности. Однако щётки и коллектор изнашиваются: при трении образуется графитовая пыль, возникают искрение и электромагнитные помехи. Ресурс щёток обычно составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч часов работы.

¶Бесщеточный двигатель

В бесщеточном двигателе постоянного тока (BLDC — brushless DC) обмотки расположены на статоре, а ротор выполнен из постоянных магнитов. Для вращения ротора необходимо последовательно коммутировать фазы статора в такт с его положением. Положение ротора определяется датчиками Холла или по ЭДС в неактивных обмотках (сенсорless-схема), а коммутацию выполняет электронный контроллер — инвертор на транзисторах.

Такая конструкция исключает скользящий контакт, поэтому нет износа щёток, искрения и графитовой пыли. Бесщеточные двигатели обладают более высоким КПД (обычно на 10–30 % выше щеточных аналогов), лучше переносят высокие обороты, меньше нагреваются и служат дольше. К недостаткам относятся обязательное наличие контроллера, более высокая стоимость и сложность диагностики.

¶Сравнительные характеристики

¶Области применения

¶Щеточные двигатели

Щеточные двигатели применяются там, где важны низкая стоимость и простота схемы: детские игрушки, бытовые инструменты (шуруповёрты, дрели), автомобильные стартеры и генераторы, электротранспорт с простой регулировкой, вентиляторы, швейные машины. В промышленности они используются в крановых механизмах, тяговых электроприводах и там, где требуется высокий пусковой момент.

¶Бесщеточные двигатели

Бесщеточные двигатели применяются в устройствах, требующих точного управления и высокой надёжности: жёсткие диски компьютеров, гироскопы и стабилизаторы камер, электромобили, вентиляторы серверов и систем охлаждения, станки с ЧПУ, приводы роботов, медицинское оборудование, электрические велосипеды и самокаты. В России бесщеточные двигатели выпускаются на предприятиях электротехнической отрасли, в частности для промышленной автоматизации и транспортного машиностроения.

¶Что лучше: критерии выбора

Ответ на вопрос, какой двигатель лучше, зависит от конкретной задачи.

Щеточный двигатель предпочтителен, если:

• бюджет ограничен, а простота и ремонтопригодность важнее ресурса;
• устройство работает эпизодически, и износ щёток не критичен;
• не нужна высокая точность регулировки оборотов;
• важна работа от простого источника постоянного тока без электроники.

Бесщеточный двигатель предпочтителен, если:

• требуется длительная непрерывная работа и высокий ресурс;
• важны энергоэффективность и малый нагрев;
• нужна точная регулировка скорости и момента (сервопривод, ЧПУ);
• критичны электромагнитная совместимость и тихая работа;
• устройство эксплуатируется в условиях, где недопустимо искрение (пылевые, взрывоопасные среды).

¶Экономический аспект

Первоначальная стоимость бесщеточного двигателя с контроллером обычно выше, чем у щеточного аналога. Однако при длительной эксплуатации разница компенсируется: не требуется замена щёток, снижаются затраты на обслуживание, повышается энергоэффективность. Для серийной продукции с большим наработанным временем совокупная стоимость владения бесщеточного привода, как правило, оказывается ниже.

¶Историческая справка

Щеточные двигатели получили распространение в конце XIX века вместе с развитием электрического транспорта и промышленного электропривода. Бесщеточные двигатели стали коммерчески доступны в 1960–1970-е годы после появления мощных постоянных магнитов (в частности, самарий-кобальтовых и неодимовых) и недорогих полупроводниковых ключей. Широкое массовое применение бесщеточные двигатели получили в 1980–1990-е годы с развитием электроники и компьютеров.

Источники:

• Электропривод: учебник / под ред. В. А. Бессонова. — М.: Высшая школа.
• Хорнбек, У. Электрические машины. — М.: Мир.
• Справочник по электротехнике / под ред. В. В. Солдатова. — М.: Издательство стандартов.
• Техническая энциклопедия: электродвигатели постоянного тока.