Краткая базовая информация
Одними из самых распространенных с точки зрения конструкции и простоты управления являются двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов.
В таких двигателях обмотка располагается на роторе, а постоянные магниты устанавливаются на статор.
Обмотка много-сегментная, каждый сегмент подключается к соответствующим пластинам токосъемного узла – коллектора. В статоре двигателя жестко закреплены подвижные подпружиненные щетки, контактные поверхности которых упираются в те же пластины коллектора, к которым подключены части обмотки, таким образом реализуется коммутация тока от статора на обмотку ротора. При вращении ротора, вращается и коллектор, закрепленный на его валу, и в контакт со щетками входят последовательно различные пластины коллектора, подключая питание к разным сегментам обмотки.
При работе двигателя, после подключения постоянного напряжения на клеммы, установленные в корпус статора, начинает протекать по цепи щётки-коллектор-сегмент обмотки. Этот ток вызывает взаимодействие обмотки ротора с магнитным полем статора, создаваемым постоянными магнитами. Так создается крутящий момент, под воздействием которого ротор поворачивается на небольшой угол. Этого вращения достаточно для того, чтобы в контакт со щетками вступили другие пластины коллектора, и возникший в другом сегменте обмотки ток, вызвал дальнейшее вращение вала. Таким образом, постоянно протекающий через различные сегменты обмотки, ток, приводит к возникновению постоянного крутящего момента.
Если величина напряжения, поданного на такой двигатель, неизменна, то скорость вращения ротора остается постоянной. В этом заключается одно из преимуществ коллекторных двигателей – простота управления, скорость вращения управляется изменением напряжения на клеммах двигателя.
Особенности конструкции
С технологической точки зрения, коллекторные двигатели могут создаваться на базе различных конструкций. Например, различные обмотки: существуют двигатели с классическими обмотками, изготовленными путем намотки медного провода на стальной каркас – сердечник, также изготавливаются двигатели с обмоткой в виде полого цилиндра, не имеющей сердечника.
Такие обмотки, помимо технологических отличий, обеспечивают различные параметры. Классическая обмотка за счет наличия массивного сердечника характеризуется значительно более высокими постоянной времени и момента инерции. Это напрямую влияет на динамику двигателя, требуя применения различных дополнительных фильтрующих элементов в схеме управления и тщательного подбора двигателя к характеру нагрузки. Также у двигателей, изготовленных по такой технологии более высокий момент магнитной фиксации и ниже КПД. Двигатели с полой обмоткой лишены этих недостатков.
Еще одним отличием служит материал щеток – обычно это либо графит, либо металл.
Щетки, называемые графитовыми изготавливаются из сплава меди и графита. Сплав достаточно пластичный за счет этого щеткам можно придавать сложную форму.
Графитовые щетки хорошо работают с медным коллектором и позволяют коммутировать большие токи в тяжелых режимах работы, однако, у такого коллекторного узла много электрических помех, а также достаточно высокие значения тока холостого хода и потерь.
Для производства металлических щеток используются в том числе благородные металлы. В качестве основного материала применяется бронза, на которую в области контакта с коллектором, напыляется сплав из благородных металлов. Таким щеткам придается форма плоской пластины для обеспечения упругости и плотного прижатия к коллектору. Металлические щетки хорошо зарекомендовали себя в приложениях с постоянными нагрузками, при этом они отличаются низким уровнем шумов, но очень чувствительны к резким и большим броскам тока.
Коллекторный узел, работая при постоянном трении щеток о пластины коллектора подвергается сильному износу, что ограничивает срок службы и максимальную скорость коллекторных двигателей.
Несмотря на описанные недостатки коллекторные двигатели широко применяются в самых разных отраслях, благодаря простоте управления – не требуются сложные специализированные контроллеры и подключения к управляющей электронике - необходимо двухпроводное подключение.