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 можно 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:

- Скользящий контакт щеток с коммутатором приводит к потерям энергии, что может быть значительным недостатком.
- Щетки изнашиваются из-за трения, создавая пыль, со временем щетки должны быть заменены.
- Сопротивление скользящих контактов приводит к падению напряжения.
- Повторяющиеся резкие смены потоков тока через индукцию обмоток приводят к искрению контактов коммутатора и создают электрический «шум», что может привести к электромагнитному вмешательству в ближайшие электрические цепи.

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.