Бесщеточный шуруповерт - плюсы и минусы

В аккумуляторные шуруповерты в качестве привода устанавливают двигатель постоянного тока. Классическая конструкция этой электрической машины предусматривает наличие так называемого коллектора на валу ротора, ее единственной вращающейся детали. Коллектор представляет собой набор медных пластин, равномерно расположенных на поверхности цилиндра из диэлектрика, насаженного на вал ротора. К ним припаиваются выводы роторных обмоток, формируемых на металлическом сердечнике.

Фактически это клеммы, к которым подводится питающее напряжение. Сложность такой коммутации заключается в том, что ротор вращается, и контакт может быть только скользящим. В момент изобретения двигателя постоянного тока он обеспечивался набором медных жил, собранных в пучок, из-за чего этот элемент и назвали щетками. В последующем их заменил брусок из электротехнического графита, который обеспечивал более плотное прилегание к пластинам коллектора и позволял передать электрическую энергию на обмотки ротора с меньшими потерями. Однако название прижилось.

Недостатком такого весьма простого и эффективного конструктивного решения являлось то, что контакт, им создаваемый, имел не только большое электрическое, но и механическое сопротивление. Перескакивая с пластины на пластину, щетки искрят и изнашиваются. Часть энергии батареи расходуется впустую. А электрическую машину надо время от времени ставить на профилактику и заменять щетки. Тем не менее, с таким положением дел мирились на протяжении почти всего XX века, поскольку альтернативы коллектору не было.

Бесщеточный двигатель стал возможен благодаря тому же эффекту электромагнитной индукции, который лежит в основе принципа работы любой электрической машины. Дело в том, что если металлический предмет перемещать в магнитном поле, то по нему потечет электрический ток. Просто на то, чтобы совместить одно с другим и поставить это на службу, человеческой мысли понадобилось какое-то время.

Приборы, регистрирующие магнитное поле – магнитометры, появились еще в двадцатых годах прошлого века. И, как обычно, сначала их стали использовать в качестве элементов оружия. Например, устанавливать во взрыватели морских донных мин.

Необходимость в двигателях постоянного тока, которые бы не требовали технического обслуживания, возникла в момент появления компьютерной техники. Дело в том, что многим элементам схемы необходимо охлаждение, а реализовать это можно было только с помощью вентиляторов.

Для этого и была создана электрическая машина, названная бесщеточной или бесколлекторной. По той причине, что изменение знака магнитного поля производилось иным способом, бесконтактным. Интересно то, что полученное устройство является аналогом традиционного двигателя постоянного тока, но как бы вывернутого наизнанку. Выглядит это следующим образом:

1. Вращающаяся часть, ротор, находится снаружи.
2. Неподвижная часть, статор, устанавливается внутри.

Конструктивно ротор представляет собой цилиндр, на внутренней поверхности которого закреплены постоянные магниты, причем их полярность чередуется. Для установки рабочих органов (лопасти) используется внешняя сторона цилиндра, как это делается на компьютерных вентиляторах. Или шток, закрепленный на торцевой стенке изнутри – эта схема используется для установки шпинделей шуруповертов.

Статор представляет собой набор из нескольких обмоток, сформированных на металлических сердечниках. Он устанавливается внутрь ротора, ось которого пронизывает его насквозь.

Сам принцип работы бесщеточного электродвигателя не имеет отличий от моделей с подачей питания щетками через коллектор. Он основан на эффекте, что разноименные полюса магнитов притягиваются, а одноименные отталкиваются.

В коллекторном двигателе изменение полярности происходит во время поворота ротора, в результате которого к неподвижным щеткам подключаются другие концы его обмотки. А в бесщеточном этот процесс осуществляют магнитометры, которые реагируют на прохождение мимо них постоянных магнитов ротора.

В настоящее время в качестве таких приборов наиболее широко используются так называемые датчики Холла, хотя есть и иная схема. Она заключается в том, что попадание обмотки статора в магнитное поле ротора сопровождается изменением направления тока, проходящего по ней – так называемая противо-ЭДС. Этот эффект регистрируется и используется электронной схемой управления.

Стоит отметить и то, что в традиционных электрических машинах постоянного тока магнитное поле ротора отталкивается от неподвижного поля статора. А в бесщеточных электродвигателях все происходит наоборот – неподвижное магнитное поле ротора тянется вращающимся полем статора.

Электрическая машина постоянного тока, в которой отсутствует коллекторный узел, обладает рядом преимуществ перед традиционной конструкцией со щетками. Они определены следующими факторами:

• Существенно сниженным или даже полным отсутствием механического износа.
• Возможностью регулировать частоту вращения без потери мощности.
• Большим крутящим моментом.
• Повышенным КПД.
• Возможностью регулирования параметров инструмента в ходе работы.
• Меньшие габариты и вес.

Коллекторный узел со скользящими контактами испытывает большое механическое сопротивление во время работы. Потому что его металлические ламели, разделенные диэлектриком, имеют рельеф, и они прочнее, чем угольные щетки, что приводит к их изнашиванию и возникновению необходимости периодической замены.

1. Есть два способа регулировать скорость вращения ротора двигателя постоянного тока: Увеличивать или уменьшать питающее напряжение. 
2. Изменять в большую или меньшую сторону время, в течение которого полярность магнитного поля постоянная.

Первый реализуется в коллекторных двигателях. Однако это ведет к потере мощности. И потому диапазон регулирования невелик.

В бесщеточных электродвигателях питание обмоток ротора осуществляется контроллером, генерирующим прямоугольные импульсы разной полярности. Их длительность можно менять, оставляя номинал напряжения неизменным. Чем чаще следуют импульсы, и чем они короче, тем выше частота смены полярности статорных обмоток и, соответственно, скорость вращения ротора.

Больший крутящий момент (до 30%) достигается за счет конструкции обмоток статора, а также геометрических размеров ротора. В коллекторном двигателе всего одна рабочая обмотка, остальные бездействуют до переключения. В бесщеточной машине их три и они объединены по схеме Звезда (как правило) или Треугольник. Поэтому генерируемое вращающееся магнитное поле более устойчиво. Что можно проиллюстрировать на примере асинхронных двигателей переменного тока. Для запуска однофазных требуется дополнительная обмотка или устройство, смещающее фазы на 900. А в трехфазных электромоторах вращение начинается без дополнительных ухищрений.

Ротор, расположенный снаружи, имеет больший диаметр и потому обладает повышенным крутящим моментом. Ведь величина этого параметра зависит от геометрических размеров и массы тела вращения.

Скользящие контакты при замыкании и размыкании искрят. Это вызывает бесполезную потерю электроэнергии батареи. Поэтому КПД у традиционных коллекторных машин не превышает 80%. А бесщеточные электродвигатели имеют близкое к 95%.

Контроллеры, подающие напряжение на катушки статора, легко управляются. Электроника может, например, регулировать число оборотов, поддерживая их вне зависимости от нагрузки. А также следит за равномерным расходом энергии батареи. Благодаря этому, инструмент становится взаимосвязанным комплексом, а не разобщенным набором элементов. Повышается его производительность и надежность.

Отсутствие коллекторного узла уменьшает геометрические размеры машины и ее вес. Легким и компактным инструментом гораздо проще работать.

Есть ли недостатки у бесщеточных шуруповёртов? Да, они имеются. Например, кинематическая схема электродвигателя у них предусматривает не два, а один опорный подшипник вала шпинделя, что делает его более склонным к биениям и вибрациям.

Электронная схема управления сложна и капризна. Хотя этот недостаток в настоящее время практически полностью изжит. Даже в самых дешевых китайских моделях она вполне работоспособна и не доставляет владельцам неприятностей в течение всего срока работы инструмента.

Главный недостаток бесщеточного инструмента – цена. Они значительно дороже традиционного инструмента, как и любые запасные части или комплектующие к ним. 

Если вы работаете дома, периодически и в охотку, то ответ на вопрос: «что лучше – щеточный или бесщеточный шуруповерт», – находится в плоскости личных предпочтений. Скорее всего, вы не заметите разницы между тем и другим. Гораздо актуальнее он для профессионалов. Бесщеточный инструмент настолько эффективен, что любые затраты на его приобретение и обслуживание окупаются довольно быстро.

Жесткая конкуренция заставит производителей, в конце концов, снизить цену на свою продукцию. При этом бесщеточные шуруповёрты непрерывно совершенствуются, благодаря чему эффективность аккумуляторного инструмента становится сравнимой с сетевым. Вероятно, наступит момент, когда они вытеснят традиционный коллекторный полностью.