Как работают коллекторные двигатели? Объяснение коллектора, щеток и кривой крутящего момента

Короткий ответ: ток катушки меняется на противоположное при повороте.

A матовый двигатель имеет две магнитные части и один вращающийся переключатель. Поле стационарное, создается постоянными магнитами в корпусе или отдельной обмоткой возбуждения. Рабочие катушки находятся в якоре, намотанными на железный сердечник, прикрепленный к валу и свободно вращающийся.

Постоянный ток достигает этих катушек через щетки. Каждая щетка прижимается к коллектору — цилиндру из изолированных медных сегментов. Ток входит через положительную щетку, пересекает сегмент под ней, проходит через одну катушку якоря и выходит через противоположный сегмент и щетку. Поскольку эта катушка теперь несет ток внутри магнитного поля, каждая сторона ее испытывает силу, расположенную под прямым углом как к полю, так и к току, и эти две силы действуют на противоположные стороны вала. Якорь поворачивается.

Загвоздка в том, что катушка с фиксированным током будет выравниваться с полем и останавливаться там. Коммутатор этому препятствует. Когда якорь вращается, каждая щетка скользит от одного сегмента к другому, меняя направление тока в этой катушке, когда она пересекает нейтральную плоскость. Полярность катушки меняется, поэтому сила продолжает толкать ротор в том же направлении. Для каждой катушки это разворот происходит дважды за оборот, а время определяется только геометрией: шириной сегмента, шириной щетки и положением щетки.

Что делает каждая часть и какой симптом указывает на нее

Когда коллекторный двигатель работает недостаточно эффективно, неисправность обычно возникает в одном из пяти мест, и каждое из них оставляет свой отпечаток пальца.

Контактная поверхность имеет такое же значение, как и сами детали. Тонкая, ровная, темная пленка на коллекторе сохраняет низкую дугу; блестящая сухая медь обычно означает, что щетки слишком абразивные или что двигатель работает слишком слабо в течение длительного времени.

Почему ток меняет направление дважды за оборот

1. Ток питания поступает через положительную щетку в сегмент коллектора, касаясь ее.
2. Этот сегмент пропускает ток через одну катушку якоря, которая становится электромагнитом с северным и южным концами.
3. Его северный конец отталкивается северным полюсом статора и притягивается к южному полюсу статора, поэтому якорь поворачивается.
4. В нейтральной плоскости щетка пересекает изолированный зазор между сегментами, и ток в эту катушку на короткое время прерывается.
5. Следующий сегмент вступает во владение, и направление тока через катушку теперь меняется на противоположное.
6. Полюса катушки поменялись местами, поэтому сила продолжает действовать в том же направлении вращения, а не тормозит вал.

Коллекторный двигатель представляет собой вращающийся переключатель, вокруг которого закреплен магнит. Пыль от щеток, срок службы щеток, радиочастотный шум и практический потолок скорости — все это зависит от этого переключателя, как и низкая цена.

Четвертый шаг – это то, куда направляются инженерные усилия. Во время кратковременного прерывания индуктивность катушки пытается поддерживать протекание тока, и эта энергия должна куда-то идти: небольшая дуга на поверхности щетки, небольшое количество тепла или всплеск напряжения, который поглощает подавляющий конденсатор. Класс щеток, давление пружины и расстояние между сегментами выбираются так, чтобы дуга была достаточно маленькой и выдерживала тысячи часов.

Скорость, крутящий момент и противо-ЭДС: правильное чтение чисел

Вращающаяся катушка внутри магнитного поля также является генератором. Напряжение, которое он производит, противодействует источнику питания и называется обратной ЭДС, и оно растет со скоростью. Арифметику легко увидеть.

Возьмем коллекторный двигатель на 12 В с сопротивлением якоря 1,2 Ом. В момент замыкания ключа ротор неподвижен, обратная ЭДС равна нулю, а обмотка может тянуть около 10 А. Долю секунды спустя, при скорости около 3000 об/мин, обратная ЭДС может подняться примерно до 10,5 В, оставляя на сопротивлении только 1,5 В, или около 1,25 А. Пусковой ток и рабочий ток - это разные величины, и источник питания, рассчитанный только на рабочее число, будет гаснуть при каждом запуске.

• Скорость свободного хода измеряется без каких-либо предметов на валу; скорость, указанная на странице каталога, обычно соответствует значению при номинальной нагрузке, которая ниже.
• Допуски реальны. Окно плюс-минус 10 процентов на скорости холостого хода является нормальным, и оно меняет поток воздуха, потребление тока и шум в готовом устройстве.
• Крутящий момент сваливания - это пиковый показатель максимум в течение нескольких секунд. Это полезно для определения размера предохранителя, а не для описания непрерывного режима работы.

Где коллекторные двигатели по-прежнему выигрывают в дизайне бытовой техники

Коммутация без электроники дает определенный набор преимуществ, и они по-прежнему имеют значение для чувствительных к стоимости продуктов:

• Самая низкая удельная стоимость на ватт мощности на валу, особенно от 5 Вт до 150 Вт.
• Надежный пусковой момент; мотор тяжело тянет с нулевой скорости без контроллера.
• Управление скоростью с помощью одной ступени ШИМ, последовательного резистора или переменного источника питания.
• Изменение направления путем замены двух отведений.
• Грамотное поведение при просадке напряжения аккумулятора.

Эта комбинация позволяет использовать коллекторные двигатели в настольных вентиляторах охлаждения, испарительных воздухоохладителях, небольших тепловентиляторах, недорогих кухонных вытяжках, водяных насосах и в длинном списке автомобильных аксессуаров.

Производители бытовой техники, сравнивающие приводы движения воздуха, прежде чем зафиксировать конструкцию, обычно оценивают оба типа. Например, охладители с принудительной конвекцией и настольные вентиляторы теперь имеют альтернативы постоянного тока, которые работают с переменной скоростью.

Износ щеток, нагрев и электрический шум: честный компромисс

Срок службы щеток — это первое, что необходимо оценить количественно, поскольку он определяет обязательства по техническому обслуживанию, которые вы можете дать. Маленькие угольные щетки в двигателях бытовой техники обычно служат где-то от 500 до 2000 часов работы, и диапазон широк по уважительной причине: двигатель, который запускается и останавливается весь день, изнашивается быстрее, чем тот, который работает непрерывно, потому что большая часть потерь щеток происходит в пусковой дуге.

Тепло – вторая проблема. Потери появляются в меди, в железе и на поверхности щетки, а ротор имеет худший путь к наружному воздуху. Класс изоляции обмотки, а не температура корпуса, устанавливает реальный предел продолжительной работы. Электрический шум является третьим: каждая дуга на поверхности щетки представляет собой небольшой широкополосный передатчик, поэтому коллекторные двигатели часто поставляются с уже установленными подавляющими конденсаторами или дросселями.

Выбор коллекторного двигателя: контрольный список для практичного покупателя

Два поставщика могут указать «12 В, 3000 об/мин» и при этом поставлять двигатели, которые ведут себя по-разному в одном и том же устройстве, поскольку одно значение указано без нагрузки, а другое — с определенным крутящим моментом. Запросите точку нагрузки в письменном виде.

• Номинальное напряжение плюс диапазон, который фактически будет видеть приложение.
• Скорость холостого хода и ток холостого хода.
• Скорость, крутящий момент и ток в заданной рабочей точке.
• Крутящий момент срыва с ограничением по времени, как долго он может удерживаться.
• Целевой срок службы щетки в часах при вашем реальном рабочем цикле.
• Непрерывный или прерывистый режим работы и ожидаемое количество пусков в час.
• Класс изоляции и максимальная температура обмотки.
• Установленные компоненты подавления и стандарты выбросов, которым они соответствуют.
• Диаметр, длина и допуск вала, а также расположение фланцев и винтов.
• Акустический шум в дБ(А) в точке нагрузки на указанном расстоянии.
• Сертификаты, необходимые на целевом рынке.

Это также помогает работать с поставщик небольших электродвигателей который строится по чертежу или образцу, а не только поставляет элементы из каталога, потому что два миллиметра длины вала или другой класс щеток часто являются разницей между подходящим двигателем и неподходящим. Как коллектор и щеточный узел поведение при реальной нагрузке, стоит проверить перед подписанием чертежа.

Матовый или бесщеточный: выбор без сожаления

Решение обычно сводится к рабочему циклу и требованиям к управлению, а не к чистой производительности.

Вентиляция кухни ясно показывает этот сдвиг: вытяжки работают в течение длительного и нерегулярного периода времени и оцениваются по шуму на низкой скорости, поэтому приводы постоянного тока с регулируемой скоростью занимают все большую долю этого рынка.