Бесщеточный вентилятор что это
Сегодня при выборе электроинструмента в характеристиках часто указывают тип двигателя, который бывает щеточным или бесщеточным. Мы и сами, когда пишем статьи про электроинструменты или составляем рейтинги, отмечаем этот момент. Но еще не все знают, в чем разница между этими двумя типами двигателя и почему модели с бесщеточным стоят дороже. Чаще всего этим интересуются, когда выбирают шуруповерты или гайковерты, но такие двигатели ставят и в другие электроинструменты. В этой статье мы подробно разберемся, в чем разница между щеточным и бесщеточным двигателем, стоит ли переплачивать за последний и какие у них плюсы и минусы.
Устройство щеточного двигателя
Щеточный двигатель также называют коллекторным. Коллекторный электродвигатель сам по себе бывает разных типов, но мы вдаваться в такие подробности не будем, в любом случае, принцип работы и устройство у них отличаются не слишком сильно. А основные различия в способе возбуждения (создания магнитного потока), что в нашем случае особого значения не имеет (применимо к электроинструментам). Устройство достаточно простое:
Якорь (ротор), который собственно вращается, преобразовывая электрическую энергию в механическую.
Обмотка – медные провода, которыми обмотан якорь. По проводам проходит электричество, что создает магнитное поле, которое и заставляет ротор вращаться.
Коммутатор позволяет изменять направления вращения (он осуществляет переключение между обмотками). Также его называют коллектор, отсюда и пошло название этого типа электрических двигателей.
Но в том, что эти щетки изнашиваются, ничего страшного нет. Их можно легко заменить и сделать это самостоятельно. Более того, во многих моделях электроинструментов конструкция такова, что позволяет очень быстро заменить щетки. Главное лишь купить подходящие, с чем обычно не возникает никаких трудностей, а цена комплекта из двух штук редко превышает 200 рублей.
Все элементы установлены в статор, который является неподвижным, а в нем может быть как вторая катушка, так и магнит. Как видно, устройство и принцип работы щеточного двигателя предельно просты. А теперь перейдем к достоинствам и недостаткам.
Использование щеточного двигателя позволяет снизить как размер, так и вес электроинструмента.
Простоту конструкции тоже можно отнести к плюсам. Да, щетки изнашиваются, но другие поломки встречаются редко.
Цена таких двигателей гораздо ниже и это не только потому, что их используют в дешевых моделях. Бесщеточные двигатели встречаются также и в дорогих моделях, но в любом случае они будут дешевле щеточных аналогов.
Коэффициент полезного действия ниже, обычно около в пределах шестидесяти процентов. То есть, при одинаковом потреблении энергии, инструменты с бесщеточным двигателем обладают меньшей производительностью.
При повышении оборотов трение на щетки увеличивается, а некоторые даже начинают искрить. Кстати, это подразумевает проверку отсутствия рядом легковоспламеняющихся материалов. Ну а работа на максимальных оборотах способствует быстрому износу инструментов.
Пыль от стертых графитовых щеток может стать причиной засорения коллектора, что также приведет инструмент в негодность и его придется чистить, хотя это случается не очень часто.
В мощных инструментах щеточные двигатели не используют, так как они не могут выдавать очень высокие обороты, это достаточно серьезное ограничение.
Устройство бесщеточного двигателя
Бесщеточный двигатель (также называется бесколлекторным) также имеет статор и ротор, однако не имеет коллектора и щеток. Вместо них используется датчик Холла, а также контролер. Принцип действия такого двигателя основан на электромагнитной индукции: электрическая энергия преобразовывается в механическую благодаря изменению полярности. Это упрощенное объяснение, при желании вы можете самостоятельно узнать устройство бесщеточного двигателя более подробно на специализированных сайтах. Но в целом, его устройство также достаточно простое.
Стоит отметить, что бесщеточные двигатели делятся на синхронные и асинхронные, впрочем, производители электроинструментов указывают это редко, найти информацию можно только в документации. Разница проста: в синхронном бесщеточном двигателе частота вращения магнитного поля такая же, как и частота вращения ротора. Один оборот делается за одно прохождение тока через катушку. В асинхронном ток проходит значительно быстрее, поэтому ротор вращается медленнее. А теперь поговорим про их плюсы и минусы.
В контексте сравнения с щеточными можно сразу сказать, что у бесщеточных электродвигателей нет множества проблем, которые присущи другому типу. В частности нет искрения и трения, нет загрязнения из-за разрушения щеток.
Могут работать на куда более высоких оборотах, кроме того, разгоняются значительно быстрее. Это актуально в том случае, если предстоят большие объемы работы: экономит время.
Коэффициент полезного действия значительно выше и может достигать 90%. А это экономит и энергию.
Существует возможность регулировать обороты и крутящий момент, при чем в достаточно широком диапазоне. Впрочем, хотя такая возможность и существует, но производители добавляют ее далеко не во все электроинструменты.
К плюсам можно отнести надежную конструкцию.
Разрядные токи несколько меньше, что продлевает работу аккумулятора. Это не слишком значительно, но все равно это можно записать в плюсы.
Инструменты с бесщеточным двигателем будут тяжелее и имеют большие габариты. Впрочем, бывают исключения, особенно если сравнивать модели из разных ценовых категорий.
Стоимость таких инструментов гораздо выше, если сравнивать модели с одинаковыми характеристиками и от одного производителя.
Хотя конструкция и надежна, но поломки могут быть и тут. Бесщеточные двигатели починить гораздо сложнее, хотя это и зависит от того, что именно вышло из строя.
Таким образом получается, что для рядового потребителя основным фактором будет цена. Если есть готовность заплатить за более высокую надежность, то выбор стоит делать в пользу бесщеточных двигателей. Кроме того, такой выбор придется сделать и в том случае, если для работы требуются высокие обороты. Ну а для бытовых целей можно купить инструмент с щеточным двигателем. Замена щеток не является сложной задачей, про их стоимость мы уже писали, а использование в быту не подразумевает частой работы, поэтому щетки придется менять достаточно редко.
Вообще, не стоит думать, что щетки изнашиваются очень быстро. Такой стереотип есть, но он ошибочный. Конечно, все зависит от материала, из которого их сделали, но например в отзывах на шуруповерты нередко можно найти информацию, что замена потребовалась после закрутки нескольких сотен тысяч шуруповертов. То есть, если вы покупаете инструмент для постройки дома, то щеток для этого хватит совершенно точно.
BLDC двигатель, он же вентильный двигатель - это бесколлекторный синхронный двигатель постоянного тока на постоянных магнитах. Функцию коллектора в данном случае выполняет электронный контроллер, как если бы двигатель был коллекторный - контроллер переключает обмотки в зависимости от положения ротора с магнитами, определяемого датчиками Холла, установленными в мотор. Если двигатель застопорить, то контроллер будет подавать ток в те две фазы, которые должны его стронуть в нужную сторону. Контроллер не будет переключать фазы, пока ротор стоит. Дополнительно в отличие от механических коллекторов,это обеспечивает работу большого количества магнитных пар,чем может быть обеспечен значительно больший момент.
По сути, BLDC – это коллекторный двигатель с "электронным коллектором", но лишенный его недостатков в виде механического износа щеток и постоянного обслуживания щеточного узла для удаления нагара и загрязнений.
- BLDC — Brushless DC electric motor (бесколлекторный электродвигатель постоянного тока).
- PMSM — Permanent Magnet Synchronous Motor (синхронный двигатель с постоянными магнитами).
Конструкция:
В роторе двигателя размещаются постоянные магниты, создающие магнитное поле, которые чередуются + - + -. В зависимости от количества магнитов, двигатель имеет соответствующее количество полюсов. Роторы линейки Golden Motor 3-5-10-20кВт имеют 8 магнитов, т.е. 4 пары магнитов.
Статор сделан из электротехнической стали и медной обмотки, уложенной в пазы сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. Для вращения необходимы 3 фазы. Обычно ВД трёхфазные, в Golden Motor в т.ч.
BLDC двигатель так же имеет более высокие эксплуатационные характеристики по сравнению с асинхронными двигателями. Он обладает лучшей удельной мощностью (мощность на килограмм массы), лучшим КПД, особенно на низких оборотах и на старте, более простое управление (асинхронным двигателям требуется чистый синус).
Сегодня, 29 апреля, на краудфандинговой площадке Xiaomi был представлен новый вентилятор Mijia по цене 299 юаней (примерно 3100 рублей).
Это первый вентилятор башенного типа, выпущенный Xiaomi. По сравнению с другими аналогичными устройствами, эта модель обладает несомненными плюсами: трехмерная подача воздуха с широким углом распространения и небольшие габариты устройства экономят пространство в помещении. Еще одним преимуществом является тот факт, что новый вентилятор безопасный, поскольку у него относительно низкий центр тяжести, что усложняет возможность его уронить, и у него нет внешних лопастей и довольно тонкая решетка воздуховодов.
Все это исключает случайные травмы у детей.
Новый вентилятор изготовлен в едином стиле экосистемы Xiaomi. Дизайн внешнего вида и сама конструкция устройства выглядит довольно простой и красивой. Основные части корпуса изготовлены из ABS материалов с защитой от воздействия ультрафиолета, что позволяет им почти не желтеть после длительного воздействия солнечного света.
В отличие от обычных вентиляторов, в которых обычно используются двигатели переменного тока, в новой модели Mijia установлен высокопроизводительный бесщеточный мотор инверторного типа, работающий на постоянном токе, что, в сочетании с алгоритмом случайного моделирования естественного ветра, открывает множество преимуществ.
Качество обдува становится успокаивающим, подача воздуха стабильной и тихой, а натуральное ощущение ветра - неповторимым.
За счет нового мотора, работа вентилятора очень тихая и он потребляет значительно меньше электроэнергии, в отличие от классических моделей. Уровень шума составляет всего 34,68 дБ, что делает помещение комфортным, наполненным прохладной, и без лишнего внешнего шума.
Максимальная производительность вентилятора Mijia достигает 541 кубометров в час. Он поддерживает широкоугольную подачу воздуха с углом до 150 градусов. Плюс ко всем "фишкам", новый вентилятор можно использовать совместно с кондиционером, для обеспечения конвекции воздуха.
Он идеально подходит для семей с пожилыми людьми или детьми. А так как его форма существенно экономит пространство, его можно вместить в любой интерьер.
Что касается возможностей управления, то новый вентилятор Mijia поддерживает голосовое управление через умные динамики Xiaoai, а также может быть связан с большим количеством продуктов экосистемы умного дома Xiaomi через приложение Mi Home.
Мы будем говорить о шуруповертах как о наиболее востребованном электроинструменте в арсенале домашнего мастера (кто крутил саморезы отверткой, тот поймет). Но тезисы материала безоговорочно распространяются на весь электроинструмент, оснащенный бесщеточными двигателями.
Конструкция и принцип действия
Классический коллекторный двигатель
Щеточный узел — это механическая контактная часть якоря электродвигателя. С помощью него через пластины коллектора подается напряжение на обмотку якоря. Электрический ток, протекая по проводнику, вызывает электромагнитное поле. Магнитное поле обмотки якоря, взаимодействуя с постоянным магнитным полем статорных обмоток, приводит к возникновению крутящего момента на валу электродвигателя и его вращению. Чтобы вращение вала сохранялось постоянно, напряжение на отдельные проводники якорной обмотки нужно подавать в определенной последовательности. Электрический ток должен протекать по рамкам якорной обмотки в нужный момент, а электромагнитное поле, наводимое в проводниках, взаимодействовало с постоянным магнитным полем обмоток статора. В двигателе постоянного тока эту функцию выполняет коллекторный узел на якоре электродвигателя.
В бесщеточном электродвигателе коллектор и щетки отсутствуют, но принцип взаимодействия постоянного магнитного поля якоря с электромагнитным полем обмоток статора остается неизменным. Только в BLDC моторе нужно подавать постоянное напряжение на обмотки статора в определенные интервалы времени, имитируя работу коллектора.
Как правило, в конструкции статора бесщеточного мотора используются три пары обмоток, и напряжение на них подается поочередно. При подаче напряжения на первую пару обмоток якорь с постоянными магнитами поворачивается, выравнивая свое положение в соответствии с направлением силовых линий возникшего магнитного поля. В этот момент напряжение с первой пары обмоток снимается и подается на вторую пару. Поскольку якорь электродвигателя обладает определенным моментом инерции, он не останавливается моментально, а продолжает свое вращение, и его магниты начинают взаимодействовать со следующим магнитным полем. Так продолжается до тех пор, пока на обмотки статора поочередно подается напряжение.
Для определения, на какие пары катушек нужно подать напряжение и какой полярности, в системе установлен датчик положения ротора. Он состоит из трех датчиков Холла, дающих контроллеру сигнал о необходимости формирования напряжения на каждой из пар катушек статора.
На видео наглядно проиллюстрирована работа бесщеточного двигателя:
Плюсы и минусы бесщеточного шуруповерта
Производители пишут, что основная изюминка бесщеточного шуруповерта — не нужно менять щетки, которых нет. Это на самом деле так, но так ли сложно поменять щетки?
Вот по-настоящему значимые преимущества бесщеточного инструмента:
- Высокий КПД. У бесщеточного двигателя он составляет порядка 90 %, в то время как у коллекторного мотора — на уровне 60 %. Это обусловлено отсутствием потерь на трение и искрообразование, и, как следствие, повышением температуры коллекторного узла якоря мотора.
- Быстрый выход на номинальную скорость вращения двигателя. В этом опять же заслуга высокого КПД BLDC мотора.
- При тех же массогабаритных показателях, с вала бесщеточного электродвигателя снимается большая мощность, а это влечет получение большего крутящего момента.
- Лучшая энергоэффективность. Благодаря отсутствию потерь в коллекторе и щеточном узле и более высокому КПД бесщеточный шуруповерт сделает больше полезной работы на одном заряде аккумулятора. Это важно профессионалам, для которых время — деньги. Эффективность бесщеточного шуруповерта в среднем выше на 25–40 % в сравнении с его коллекторным аналогом.
- Возможность использования во взрыво- и пожароопасных средах ввиду отсутствия искр на щеточном узле.
- Грамотная защита от перегрузки. Плата управления электродвигателем просто не позволит нагрузить инструмент сверх меры, а вот коллекторный шуруповерт при должном старании можно перегреть и получить дымок из вентиляционных отверстий.
Но бесщеточным инструментам присущи и некоторые недостатки:
- Высокая цена. Наличие в конструкции дорогой силовой платы управления BLDC мотором ощутимо увеличивает стоимость шуруповерта.
- Плохая ремонтопригодность. В бесщеточном шуруповерте плата управления, кнопка включения инструмента и статор электродвигателя обычно идут единым блоком. Стоимость запчасти — от 2/3 до 3/4 стоимости нового инструмента. Если поломка произойдет по истечении гарантийного срока, то ремонтировать такой шуруповерт вряд ли целесообразно. В отличие от коллекторных экземпляров, где можно заменить кнопку или электродвигатель отдельно, и стоить это будет на порядок дешевле.
Перспективы бесщеточных шуруповертов на рынке электроинструмента
Переход на бесщеточные инструменты неизбежен, поскольку они выгодны в первую очередь самим производителям ввиду унификации производственных процессов, уменьшению количества составных частей и улучшения технических характеристик выпускаемых моделей. Конечному пользователю такой переход абсолютно ничем не грозит. Шуруповерты как закручивали винты и саморезы, так и будут, исходя из своих технических возможностей.
Для профессиональной деятельности однозначно стоит смотреть в сторону бесщеточных моделей. Они экономичней, шустрее и надежней. Каждый рубль, вложенный в их покупку, окупится сторицей.
Читайте также: