Коллекторные и бесщеточные двигатели постоянного тока: эффективность, выбор и использование

Матовый двигатель постоянного тока против бесщеточного двигателя постоянного тока

Основное различие заключается в том, как переключается ток: в коллекторных двигателях используются физические щетки и механический коммутатор, а в бесщеточных двигателях используется электронный контроллер и датчики положения. Это единственное конструктивное различие перетекает почти во все остальные различия между двумя типами двигателей — эффективность, срок службы, сложность управления и стоимость — все это связано с тем, происходит ли коммутация механически или электронно.

КПД щеточного и бесщеточного двигателя

Бесщеточные двигатели обычно более эффективны, чем коллекторные двигатели при сопоставимой выходной мощности, в основном потому, что они устраняют два механизма потерь, присущих щеточному контакту: трение между щеткой и коллектором и потери на электрическую дугу, которые возникают при замыкании и разрыве контакта щеток с сегментами коллектора. Бесщеточные двигатели commonly achieve efficiencies in the 85-90% range , в то время как коллекторные двигатели обычно работают на несколько процентных пунктов ниже при сопоставимых условиях нагрузки.

Этот разрыв в эффективности имеет наибольшее значение в приложениях с батарейным питанием и в устройствах с непрерывным режимом работы, где каждый процент эффективности напрямую приводит к увеличению времени работы или уменьшению тепловыделения. В легких условиях эксплуатации с периодическим использованием разница в эффективности менее значительна, и это одна из причин, почему коллекторные двигатели по-прежнему распространены в недорогих потребительских товарах, где рабочий цикл естественно низкий.

Преимущества и недостатки коллекторного двигателя постоянного тока

Взвешивание матовый двигатель По сравнению с бесщеточной альтернативой все сводится к тому, перевешивают ли ее простота и низкая стоимость более короткий срок службы и меньшую эффективность для конкретного конкретного применения.

• Преимущества: более низкая стоимость, более простая управляющая электроника, высокий пусковой момент, простой ремонт в полевых условиях.
• Недостатки: Износ щеток ограничивает срок службы, снижает эффективность, увеличивает выделение тепла, электрический шум (ЭМП) от искрения на щетках
• Лучшее решение: экономичные приложения с малым рабочим циклом, где допустима периодическая замена щеток.

Как выбрать коллекторный двигатель постоянного тока: руководство по выбору

Выбор подходящего коллекторного двигателя постоянного тока начинается с тех же основ, что и для любого двигателя постоянного тока: определите требуемый крутящий момент и скорость при нагрузке, затем сверьте их с номинальной мощностью двигателя и доступным напряжением питания. Потому что матовый двигательs имеют ограниченный срок службы щеток, рабочий цикл и ожидаемый срок службы имеют дополнительный вес в процессе выбора по сравнению с бесщеточными альтернативами.

• Подтвердите требуемый крутящий момент и скорость при нагрузке, включая запас для пусковых и пиковых условий.
• Подберите напряжение к имеющемуся источнику питания, избегая значительного понижения или повышенного напряжения.
• Оцените ожидаемый рабочий цикл и срок службы в зависимости от номинального срока службы щеток двигателя.
• Проверьте тепловые характеристики в условиях непрерывной и прерывистой работы.
• Учитывайте воздействие окружающей среды — пыль и влага ускоряют износ щеток и коллектора.

Расчет крутящего момента и скорости коллекторного двигателя постоянного тока

Расчет крутящего момента и скорости для коллекторного двигателя постоянного тока основан на тех же принципах, что и при любом расчете двигателя постоянного тока: определите крутящий момент нагрузки на выходе (сила × радиус для вращательных нагрузок или сила ÷ механическое преимущество для линейных нагрузок), добавьте запас прочности примерно 20–50 % для пусковых и пиковых условий и подтвердите требуемую скорость на выходном валу после учета любого уменьшения редуктора.

Требуемая мощность напрямую зависит от крутящего момента и скорости (мощность = крутящий момент × угловая скорость), и этот показатель следует сверять с номинальной номинальной мощностью двигателя, а не с его пиковой или номинальной мощностью срыва, поскольку продолжительная работа, близкая к моменту срыва, приводит к чрезмерному нагреву в обмотках якоря коллекторного двигателя и ускоряет износ щеток из-за более высокого потребления тока.

Применение коллекторных двигателей постоянного тока с высоким крутящим моментом

Коллекторные двигатели постоянного тока, особенно конфигурации с последовательной обмоткой, обеспечивают высокий пусковой момент относительно своего размера и стоимости, что делает их практичным выбором для применений, требующих высокий крутящий момент с места, а не длительную работу на высокой скорости. К распространенным применениям щеточных двигателей с высоким крутящим моментом относятся автомобильные стартеры, лебедки, приводы электроинструментов и линейные приводы. — все случаи, когда кратковременная, интенсивная потребность в крутящем моменте имеет большее значение, чем эффективность в непрерывном режиме.

Коллекторные двигатели постоянного тока для промышленного оборудования, робототехники и автоматизации

В промышленности и автоматизации коллекторные двигатели постоянного тока обычно используются для малоцикловых, чувствительных к затратам приложений, где можно контролировать нагрузку по техническому обслуживанию, связанную с периодической заменой щеток — простые приводы, секции конвейеров с низкой нагрузкой и основные задачи позиционирования, которые не требуют точности или долговечности бесщеточной сервосистемы.

В робототехнике коллекторные двигатели по-прежнему используются в недорогих любительских и образовательных платформах, в прототипах и некритических приводах, где бюджет перевешивает потребность в точном управлении или увеличенном сроке службы. Производственная робототехника и оборудование, которые, как ожидается, будут работать непрерывно в сложных рабочих циклах, вместо этого обычно переходят на бесщеточные двигатели, где более высокие первоначальные затраты компенсируются меньшими затратами на техническое обслуживание и большей точностью контроля над сроком службы оборудования.