Бесщеточные двигатели постоянного тока и шаговые двигатели могут привлечь больше внимания, чем классический коллекторный двигатель постоянного тока, но последний все же может быть лучшим выбором в некоторых приложениях.

Большинство проектировщиков, желающих выбрать небольшой двигатель постоянного тока (обычно мощностью менее или дробной мощности), обычно сначала рассматривают только два варианта: бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) или шаговый двигатель.Какой из них выбрать, зависит от применения, поскольку BDLC обычно лучше подходит для непрерывного движения, а шаговый двигатель лучше подходит для позиционирования, возвратно-поступательного движения и остановки/запуска движения.Каждый тип двигателя может обеспечить необходимую производительность при использовании подходящего контроллера, который может представлять собой микросхему или модуль в зависимости от размера и особенностей двигателя.Этими двигателями можно управлять с помощью «умных технологий», встроенных в специальные микросхемы управления движением, или процессора со встроенной прошивкой.

Но посмотрите немного повнимательнее на предложения производителей этих двигателей BLDC, и вы увидите, что они почти всегда также предлагают коллекторные двигатели постоянного тока (BDC), которые существуют «вечно».Эта конструкция двигателя уже давно занимает прочное место в истории движущей силы с электрическим приводом, поскольку это была первая конструкция электродвигателя любого типа.Десятки миллионов этих коллекторных двигателей ежегодно используются в серьезных и нетривиальных приложениях, таких как автомобили.

Первые грубые версии коллекторных двигателей были разработаны в начале 1800-х годов, но обеспечить питание даже небольшого полезного двигателя было непросто.Генераторы, необходимые для их питания, еще не были разработаны, а имеющиеся батареи имели ограниченную емкость, большие размеры и их еще нужно было как-то «пополнять».В конце концов эти проблемы были преодолены.К концу 1800-х годов были установлены и широко использовались коллекторные двигатели постоянного тока мощностью в десятки и сотни лошадиных сил;многие из них используются до сих пор.

Базовый коллекторный двигатель постоянного тока не требует никакой «электроники» для работы, поскольку это самокоммутируемое устройство.Принцип работы прост, что является одним из его достоинств.Коллекторный двигатель постоянного тока использует механическую коммутацию для переключения полярности магнитного поля ротора (также называемого якорем) по сравнению со статором.Напротив, магнитное поле статора создается либо электромагнитными катушками (исторически), либо современными мощными постоянными магнитами (во многих современных реализациях) (рис. 1).

Взаимодействие и повторяющееся изменение магнитного поля между катушками ротора на якоре и постоянным полем статора вызывают непрерывное вращательное движение.Коммутационное действие, которое меняет поле ротора, осуществляется посредством физических контактов (называемых щетками), которые касаются катушек якоря и передают питание.Вращение двигателя не только обеспечивает желаемое механическое движение, но и переключение полярности катушки ротора, необходимое для создания притяжения/отталкивания по отношению к фиксированному полю статора – опять же, никакой электроники не требуется, поскольку источник постоянного тока подается непосредственно на двигатель. обмотки статора (если есть) и щетки.

Базовое управление скоростью осуществляется путем регулирования приложенного напряжения, но это указывает на один из недостатков коллекторного двигателя: более низкое напряжение снижает скорость (что и было задумано) и резко снижает крутящий момент, что обычно является нежелательным последствием.Использование коллекторного двигателя, питаемого непосредственно от шин постоянного тока, обычно приемлемо только в ограниченных или некритических приложениях, таких как управление небольшими игрушками и анимированными дисплеями, особенно если требуется контроль скорости.

Напротив, бесщеточный двигатель имеет набор электромагнитных катушек (полюсов), закрепленных вокруг внутренней части корпуса, а высокопрочные постоянные магниты прикреплены к вращающемуся валу (ротору) (рис. 2).Поскольку на полюса последовательно подается напряжение от управляющей электроники (электронная коммутация – EC), магнитное поле, окружающее ротор, вращается и, таким образом, притягивает/отталкивает ротор с его неподвижными магнитами, который вынужден следовать за полем.

Ток, подаваемый на полюсы двигателя BLDC, может иметь форму прямоугольной волны, но это неэффективно и вызывает вибрацию, поэтому в большинстве конструкций используется нарастающая форма волны, форма которой адаптирована для желаемого сочетания электрического КПД и точности движения.Кроме того, контроллер может точно настроить форму сигнала подачи питания для быстрого, но плавного запуска и остановки без перерегулирования и четкой реакции на переходные процессы механической нагрузки.Доступны различные профили управления и траектории, которые подбирают положение и скорость двигателя в соответствии с потребностями приложения.

Под редакцией Лизы