В отечественной классификации двигатели, о которых пойдёт речь ниже, обычно называют двигателями постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Вообще говоря, двигатели постоянного тока могут иметь различную конструкцию (например, с возбуждением от обмотки возбуждения), но среди двигателей малой мощности, массово применяемых в сервоприводах в основном применяются именно двигатели с постоянными магнитами.
Как работает коллекторный двигатель?
Коллекторный двигатель постоянного тока имеет обмотку на роторе и постоянный магнит на статоре. Обмотка ротора состоит из нескольких сегментов, которые подключены к пластинам коллектора. Щётки, перемещающиеся по коллектору, обеспечивают передачу электрического тока между статором и ротором, а также переключение сегментов обмотки при вращении ротора. При подаче постоянного напряжения к выводам двигателя электрический ток протекает через щётки и коллектор в сегменты обмотки, подключённые к пластинам коллектора на которых в настоящий момент стоят щётки. Ток, протекающий по обмотке ротора, взаимодействует с магнитным полем постоянных магнитов, создавая крутящий момент, который поворачивает ротор. При вращении ротора сегменты коллектора переключаются, позволяя току протекать через другие участки обмотки. Ток, протекающий через постоянно поворачивающиеся секции обмотки ротора, постоянно создаёт крутящий момент. При приложении к обмотке постоянного напряжения коллекторный двигатель вращается с постоянной скоростью.
Возможные варианты и специальные случаи
Выпускаемые сейчас бесколлекторные двигатели могут иметь самую разную конструкцию.
Коллекторные двигатели постоянного тока могут выпускаться с различной технологией изготовления обмотки. Есть двигатели с классической обмоткой, намотанной на стальной сердечник, и двигатели с полой цилиндрической обмоткой без стального сердечника. С точки зрения параметров имеется определённая разница между обмотками различных типов. Во-первых, классическая обмотка имеет существенно большую индуктивность, чем полая цилиндрическая обмотка, и соответственно большую постоянную времени. По этой причине, полая цилиндрическая обмотка допускает более динамичное изменение тока (момента), однако при работе от контроллера двигателя с невысокой частотой ШИМ модуляции для сглаживания пульсаций тока требуются фильтрующие дроссели большей индуктивности (а соответственно и большего размера). Во-вторых, классическая обмотка имеет большой момент инерции. При расположении обмотки на роторе, момент инерции ротора увеличивается, что отрицательно сказывается на динамике двигателя, особенно в случае работы на малоинерционную нагрузку. Кроме того, классическая обмотка, как правило, имеет заметно больший момент магнитной фиксации, а также меньший КПД, чем полая цилиндрическая обмотка.
Коллекторные двигатели могут также отличаться материалом, использованным при изготовлении щёток. В настоящее время при изготовлении коллекторных двигателей малой мощности применяются главным образом две технологии – графитовые и металлические щётки. Графитовые щётки изготавливаются из медно-графитового сплава и представляют собой бруски сложной формы, прижимаемые к коллектору пружинами. Коллектор в этом случае изготавливается из меди. Такие щётки хорошо работают с большими токами и в тяжёлых режимах (старт-стоп, реверс). При этом они создают больше помех и приводят к большим значениям тока холостого хода двигателя и к несколько более высоким потерям. Металлические щётки изготавливаются с использованием благородных металлов. В качестве материала для щёток применяется бронза с напылением в области контакта с коллектором. Щётки имеет форму плоской пластины, которая пружинит при прижатии к коллектору. В качестве материала для коллектора используется сплавы благородных металлов. Эти щётки плохо выдерживают большие токи и резкие броски тока, но хорошо работают на постоянных нагрузках и имеют низкие шумы.
Отличия от других типов двигателей
Одно из основных отличий коллекторного двигателя от бесколлекторных ДПТ и от синхронных двигателей с постоянными магнитами – это наличие щёточно-коллекторного узла. Эта часть двигателя отличается повышенным износом, поскольку представляет собой электрическое соединение подвижных частей. Щёточно-коллекторный узел – это один из факторов ограничивающих срок службы и скорость коллекторного двигателя. С другой стороны, коллекторные двигатели выгодно отличаются простотой управления.
Когда нужен коллекторный двигатель?
Несмотря на срок службы и удельную мощность меньшие, чем у бесколлекторных двигателей, коллекторные двигатели по-прежнему представлены в каталогах производителей и продолжают применяться в различных проектах.
В тех случаях, когда в системе предполагается использование управления двигателем без использования обратной связи, коллекторный двигатель имеет очевидные преимущества: для его работы в таком случае можно обойтись без специализированного контроллера – достаточно обычного источника питания. Если двигатель подключается к управляющей электронике более или менее длинным кабелем, то будет существенна разница по количеству проводов, требуемых для подключения двигателя: 2 у коллекторного против 8 у бесколлекторного (с учётом датчиков Холла). В проектах, где пользователь управляющую электронику разрабатывает самостоятельно, может быть существенно то, что для коллекторного двигателя структура её программной части и аппаратная часть могут быть несколько проще.