Щеточные и бесщеточные двигатели постоянного тока: принципы, различия и применение

Как движется ваш автомобиль? Магия в двигателе. Что такое двигатель и какая сила заставляет его вращаться? Ответы здесь.

Двигатель — электромагнитное устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Обозначается буквой M (старое — D). Основная функция — создание вращательного момента для привода приборов: электровозов, трамвеев, магнитофонов, бритв, игрушек.

Классификация по типу питания

Двигатель постоянного тока преобразует энергию постоянного тока в механическую. Используется в автомобилях.

Двигатель переменного тока преобразует энергию переменного тока. Применяется в стиралках, холодильниках, кондиционерах, вентиляторах.

Двигатели постоянного тока делятся на бесщеточные и щеточные по конструкции и принципу работы. У щеточных есть подвиды — см. «генеалогическое древо» ниже.

Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC)

Ротор — постоянный магнит, создающий воздушный зазор. Статор — якорь с многофазной обмоткой. Структурно похож на синхронный двигатель с постоянными магнитами.

Применение: периферия ПК и электроника — принтеры, факсы, копиры, жесткие и гибкие диски, видеокамеры, магнитофоны.

Щеточный двигатель постоянного тока

Две щетки (медь или графит) соединяют плюс и минус с коллектором ротора, закрепленным на задней крышке через изолирующую оправу. Коллектор коммутирует обмотки ротора. Чередование полярности трех катушек создает момент взаимодействия с двумя постоянными магнитами — вращение.

Щеточные двигатели делятся на электромагнитные и с постоянными магнитами.

Электромагнитные двигатели постоянного тока

• Последовательное возбуждение: обмотка возбуждения последовательно с якорной, питание от постоянного тока. Применение: электроинструменты, кухонная техника.
• Параллельное (шунтовое) возбуждение: обмотка возбуждения параллельно якорной, общее питание. Характеристики как у раздельного возбуждения. Применение: большие токарные и строгальные станки.
• Раздельное возбуждение: обмотки не соединены, питание от разных источников. Двигатели с постоянными магнитами — разновидность раздельного возбуждения. Применение: те же крупные станки.
• Смешанное возбуждение: две обмотки возбуждения — шунтовая и последовательная. Если потоки совпадают — накопительное возбуждение, если противоположны — дифференциальное. Применение: корабли, троллейбусы, подъемно-транспортная и горная техника.

Двигатели с постоянными магнитами

Включают редкоземельные, ферритовые и алюмо-никель-кобальтовые (Al-Ni-Co). Применение невероятно широко: авиация, оборона, промышленность, сельское хозяйство, быт.

В кондиционерах бесщеточные двигатели с постоянными магнитами — ключевой индикатор технологического уровня.

• Первый прототип — двигатель с постоянным магнитом, но слабые материалы ограничили применение.
• Al-Ni-Co подвинул развитие вперед, но высокая цена сдержала массовость.
• Появление дешевых ферритов расширило применение: игрушечные моторы, аудио/видео, авто-микромоторы, промышленные приводы малой мощности. Статистика: >92% двигателей постоянного тока до 500 Вт — с ферритовыми магнитами.
• Ферриты слабы для высокопроизводительных моторов. В 1960-х появились редкоземельные самарий-кобальтовые магниты — возможны высокопроизводительные сервоприводы. Но высокая цена привела к замене на неодимово-железо-боровые (NdFeB) в 1980-х.
• NdFeB превосходят по почти всем параметрам, кроме рабочей температуры и температурного коэффициента магнита, и дешевле. Ожидается, что все виды сервоприводов (DC, AC, шаговые) со временем сменят на двигатели с постоянными магнитами.

Хотите узнать больше? Пишите нам или комментируйте!