Электрический мотор - важнейший механизм, необходимый для функционирования различного рода устройств: от дрелей и вентиляторов до автомобилей и станков.
Электродвигатели делятся на два вида в зависимости от своего строения: коллекторные и бесколлекторные. Однако "базой" каждого мотора являются одни и те же детали: статор и ротор.
Статор (индуктор) - неподвижная часть двигателя, создающая магнитное поле. В наиболее распространённой конфигурации статор представляет собой полый цилиндр, внутри которого расположен ротор. Статор бывает двух видов: с постоянными магнитами и с обмотками возбуждения. Постоянные магниты дают больший КПД, а схема с обмотками возбуждения даёт возможность регулирования мощности.
Ротор (якорь) - вращающаяся часть двигателя. Обычно ротор расположен внутри полости статора. Ротор содержит вал, к которому присоединяется нагрузка. Именно вал ротора передаёт нагрузке крутящий момент. Важно учесть, что в коллекторном двигателе используется ротор с обмотками, а в бесколлекторном двигателе - с постоянным магнитом.
Чтобы ротор не испытывал трение о статор, необходимо, чтобы между ними был зазор воздуха. Чтобы вращение было устойчивым, между статором и ротором используются подшипники.
Чтобы обеспечить вращение мотора, требуется обеспечить своевременное переключение режима магнитного поля. И вот здесь уже есть два подхода: с коллекторно-щёточным узлом или без него.
Коллекторные двигатели
В данном случае на валу якоря закреплён коллекторно-щёточный узел. Коллектор представляет собой цилиндр из изолированных медных пластин. Щётки - небольшие проводящие пластины, которые прижимаются к коллектору и обеспечивают своевременную подачу тока на нужную обмотку ротора (вспомним, что в коллекторных моторах на роторе обязательно должны быть обмотки). Коллектор переключает направление тока в обмотках и поддерживая непрерывное вращение якоря.
Коллекторные двигатели имеют более простое устройство из-за отсутствия электроники, а также они могут работать как от постоянного, так и от переменного тока. Они применяются в бытовой технике, насосах, электроинструментах, а также в станкостроении и служат приводом для различных механизмов (например, шлагбаум). Также такие моторы можно использовать в качестве генераторов.
Бесколлекторные двигатели (BLDC)
В данном устройстве ротор имеет не обмотки, а постоянный магнит. Коллекторно-щёточный узел отсутствует. Вместо него используется специальная цепочка электроники. Рассмотрим её подробнее. Непосредственно к двигателю подключается регулятор оборотов (регулятор мощности, ESC). Он отвечает за частоту вращения ротора. Для определения положения ротора используется датчик Холла: он изготовлен из полупроводникового материала. В магнитном поле на датчике образуется разность потенциалов, и на основании этого формируется сигнал, который далее передаётся на микроконтроллер. Микроконтроллер анализирует этот сигнал и подаёт напряжение на нужную обмотку через ESC.
Бесколлекторные моторы более дорогие и сложные в устройстве, но более эффективные в сложных системах. Они дают более высокую частоту обращения. Также у них более высокий КПД из-за отсутствия щёток. Однако такие двигатели труднее ремонтировать. Сегодня больше распространены коллекторные двигатели из-за своей простоты и практичеости. Однако бесколлекторныемоторы всё больше захватывают популярность. Они применяются в приводах жёстких дисков, сервоприводах на станках, а также в беспилотных летательных аппаратах - везде, где требуются высокие обороты, мощность и устойчивость при высоких нагрузках.
BLDC - золотая жила?!
Сегодня бесколоекторные двигатели - это стремительно растущий рынок с большим спросом. В этой области сейчас очень много перспективных разработок, направленных на удешевление и массовость производства таких моторов. Мы видим, как растёт рынок БПЛА, а значит, растёт и рынок деталей для БПЛА, в том числе BLDC. Да и в станкостроении бесколлекторные моторы вытесняют классические электродвигатели с коллекторно-щёточным узлом. Будущее за бесколлекторными моторами: это ставка на высокий КПД и устойчивость к нагрузкам. Однако моторы с коллекторно-щёточным узлом сохранят свою нишу: бытовая техника, электроинструменты и др.
А как вы думаете, действительно ли будущее за бесколлекторными двигателями? Каковы перспективы рынка в ближайшие 10 лет?