Конструкція і принцип роботи двигуна електроінструменту

Почнемо з невеликого екскурсу в шкільний курс фізики і згадаємо принцип роботи найпростішого електромотора традиційної конструкції. Основними деталями класичного колекторного двигуна постійного струму є:

  • статор (індуктор) — це нерухома деталь у вигляді кільця з постійних магнітів або сталевого циліндра, на якому знаходяться обмотки головних і додаткових полюсів (вони виконують функції електромагнітів, які створюють магнітний потік);
  • ротор (якір) — це деталь обертається у вигляді «барабана» з сердечником з феромагнітного матеріалу. В його пазах покладені секції мідної обмотки;
  • колектор — це циліндр, зібраний з безлічі ізольованих один від одного мідних пластинок, кількість яких відповідає числу секцій на роторі;
  • щітки — це невеликі деталі, виготовлені з графіту. Вони підключені до електроланцюга і пружні, щоб забезпечити постійний і щільний ковзний контакт з колектором.
Пристрій колекторного двигуна.

При включенні двигуна струм через щітки надходить на колектор, а звідти — на обмотку якоря. При протіканні струму через обмотку виникає магнітне поле. Взаємодіючи з постійним магнітним полем, яке створює статор, ротор обертається за рахунок того, що однойменні полюси відштовхуються, а різнойменні — притягуються один до одного. При обертанні колектора, який закріплений на одному валу з якорем, щітки «перескакують» з однієї контактної площадки на іншу. При цьому змінюється напрямок струму в обмотках ротора, різнойменні полюси стають однойменними, вони знову відштовхуються один від одного — і обертання триває. Таким чином, колектор — це один з найбільш важливих вузлів колекторного (щіткового) двигуна, тому що він виконує відразу дві функції: перетворює постійний струм в змінний і одночасно є датчиком повороту вала.

Двигуни даної конструкції відносно прості і дешеві. Але колекторно-щітковий вузол — це джерело потенційних проблем. Тертя між деталями і постійне замикання-розмикання пластинчастих контактів призводять до швидкого зносу щіток, іскріння на контактах і надмірного нагрівання двигуна.

Різниця між безщітковими двигунами і звичайними моторами

Вентильні (безщіточні, безколекторні) двигуни працюють за тим же фізичним принципам, але влаштовані інакше. Вони є немов би «вивернутою навиворіт» версією колекторних двигунів: магніти встановлені на роторі, а обмотка — на нерухомому статорі. Таким чином, можна просто паяти дроти живлення до обмотці і позбутися від щіток разом з усіма їх вадами.

Пристрій безщіткового двигуна.

Якщо у колекторного двигуна перемикання напрямку струму здійснюється механічно (при «перескакивании» щітки з однієї контактної пластини на наступну), то в вентильному моторі цим займається електроніка. Отримуючи сигнали від датчика (оптичного, магнітного або заснованого на ефекті Холла), який «читає» кут повороту ротора, електроніка своєчасно перемикає полюса, змінюючи напрям струму. Тобто, комплекс з датчика і керуючої плати виконує функції колектора, але без механічних та електричних втрат за рахунок відсутності фізичного контакту між рухомою і нерухомою частинами електромотора.

Популярні безщіточні шурупокрути

Переваги безщіткових двигунів в теорії

Знаючи, як влаштовані обидва види електромоторів, і в чому полягає різниця між колекторними і безщітковими двигунами, можна зробити висновки про їх переваги та недоліки.

Безщіточні електродвигуни:

  • менше за розміром — відсутність колектора дозволяє скоротити довжину двигуна (при приблизно однаковому діаметрі) і зменшити його вагу;
  • більш надійні — механічний знос відсутня практично повністю, а абразивна пил, що потрапляє всередину корпусу, не так шкідлива через відсутності колекторно-щіткового вузла;
  • менше гріються — під час роботи виділяється значно менше тепла завдяки істотному зменшенню втрат на тертя;
  • більш енергоефективні — електричні втрати на комутацію знижені в рази за рахунок заміни колектора і щіток на електронні ключі. Коефіцієнт корисної дії у безщіткового двигуна досягає 80% – 90% (в порівнянні з 65% – 75% у колекторного двигуна);
  • краще переносять короткі перевантаження — під час роботи під навантаженням залишається деякий «запас міцності», що дозволяє на короткий час підвищити напруга в ланцюзі і збільшити тепловиділення від обмоток без шкоди для двигуна.

Переваги безщіткового інструменту на практиці

Описані вище теоретичні переваги на практиці дають приголомшливий результат. Шурупокрути з безщітковими двигунами:

  • менше і легше — різниця в розмірах і вазі двигунів дозволяє виробникам випускати легкі і компактні пристрої, які значно зручніше в роботі;
  • більш потужний і спритний — заміна механічних вузлів на електронні системи управління дозволяє більш ефективно витрачати енергію і гнучкіше керувати характеристиками двигуна;
  • довше працює на одній зарядці — акумуляторні шурупокрути з безщітковими двигунами працюють від батареї на 30% – 50% довше, ніж пристрої з традиційними електромоторами;
  • не перегрівається — незначне тепловиділення від вентильного двигуна дозволяє робити менше пауз під час роботи для охолодження інструменту;
  • працює тихіше і плавніше — тертя в колекторно-щітковому сайті неминуче викликає шум і підвищену вібрацію, а безщіточні мотори позбавлені цього изьяна;
  • не іскрить — шурупокрути з вентильними двигунами можна використовувати під час роботи поряд з паливними ємностями або кисневими балонами;
  • вимагає менше обслуговування — про проблеми, пов'язаних з підбором, купівлею і заміною графітових щіток, можна повністю забути;
  • рідше виходить з ладу — відсутність пари тертя «щітка-колектор», здатність переносити високі навантаження і стійкість до впливу пилу значно підвищують надійність електроінструменту та істотно збільшують термін його служби.

Наочно про різницю між безщітковими двигунами і звичайними:

Чому безщітковий інструмент такий дорогий

Так чому ж безщітковий шурупокрут коштує значно дорожче, ніж аналогічні пристрої з двигунами традиційної конструкції? Тому є кілька вагомих причин. Висока ціна обумовлена наявністю декількох дорогих деталей та елементів.

  • Потужні неодимові магніти, необхідні для створення компактних роторів безщіткових двигунів, досить дороги. Вони виготовляються по складному технологічному процесу шляхом спікання недешевих рідкоземельних елементів.
  • Вимоги до якості датчиків дуже високі. Вони повинні бути надійними і максимально точними, щоб вмикати і вимикати подачу струму синхронно з рухом магнітів, які знаходяться на роторі, що обертається з величезною швидкістю.
  • Електроніка, здатна керувати безщітковим двигуном, на порядок дорожче, ніж аналогічні модулі колекторних двигунів. Грубо кажучи, роботою безщіткового шурупокрута управляє не примітивна плата, а майже що мікропроцесор, який постійно відстежує безліч параметрів і на льоту їх змінює, залежно від того, яке завдання є найбільш пріоритетною в даний момент (максимальні потужність і момент на валу, оптимальне споживання енергії АКБ або захист від перевантаження).

Сукупність наведених факторів і є тією причиною, чому безщітковий інструмент такий дорогий.

Але у такої складної і високотехнологічної конструкції є і «побічний ефект». Безщітковий інструмент дорогою не тільки у виробництві, але і в ремонті. У разі пошкодження або виходу з ладу основні деталі бесколлекторного двигуна (якір і електронні плати) змінюються тільки цілими вузлами в зборі. Тому ремонт безщіткового інструменту нерідко «влітає в копієчку».

Чи варто купувати інструмент з безщітковим двигуном?

На закінчення можна зробити висновок, що безщітковий двигун — це не маркетинговий хід, а реальна перевага. Але придбання інструменту з таким мотором доцільно не завжди.

Якщо ви плануєте купити акумуляторний інструмент професійного класу, то варто придивитися до безщітковим пристроїв. Незважаючи на різницю в ціні, покупка буде виправданою, оскільки шурупокрути, болгарки, дрилі, реноватори та інша техніка, оснащена сучасними безколекторними моторами, служать довше і не так швидко «вбивають» дорогі акумулятори .

А от при виборі інструменту хобі-класу переплачувати за «новомодний» двигун поки що немає сенсу. При епізодичному використанні і роботі в неспішному темпі будинку або на дачі різниця в характеристиках між безщітковими шурупокрутами і звичайними буде далеко не настільки помітна.