Коллекторные двигатели постоянного тока: принцип работы, плюсы, минусы и обслуживание

Что такое коллекторный двигатель постоянного тока

A коллекторный двигатель постоянного тока — электродвигатель, преобразующий постоянный ток во вращательное движение с помощью механической системы коммутации — набор угольных или медно-графитовых щеток, обеспечивающих скользящий контакт с вращающимся коллектором подавать ток к обмоткам якоря в правильной последовательности. Это самая старая и механически простая форма двигателя постоянного тока, которая по-прежнему широко используется там, где низкая стоимость и простота управления имеют большее значение, чем максимальная эффективность или срок службы.

Определяющей особенностью, которая отличает его от бесщеточного двигателя, является именно система щеток и коммутатора: реверс тока происходит автоматически посредством физического контакта и механического переключения, а не с помощью внешнего электронного контроллера.

Матовый двигатель постоянного тока Принцип работы

Ток течет от источника питания через щетки в коммутатор, который направляет его в обмотки якоря. Этот ток создает магнитное поле вокруг якоря, которое взаимодействует с постоянным полем двигателя (от постоянных магнитов или обмоток возбуждения). , создавая крутящий момент, который вращает вал. Когда якорь вращается, сегменты коллектора вращаются мимо неподвижных щеток, автоматически меняя направление тока в каждой обмотке в нужный момент, чтобы поддерживать крутящий момент, действующий в постоянном направлении вращения.

Это механическое переключение делает коллекторные двигатели самокоммутирующими — не требуется никакой внешней электроники, чтобы определить, когда реверсировать ток, в отличие от бесщеточного двигателя, который зависит от датчиков и контроллера для выполнения той же функции в электронном виде.

Объяснение компонентов коллекторного двигателя постоянного тока

Для чего используются коллекторные двигатели постоянного тока

• Экономически чувствительные потребительские товары: электроинструменты, игрушки, мелкая бытовая техника и электроника для хобби.
• Автомобильные аксессуары: стеклоподъемники, регуляторы сидений, электродвигатели стеклоочистителей и электродвигатели вентиляторов системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
• Простое промышленное управление: малоцикловые насосы, небольшие конвейерные приводы и базовые системы позиционирования.
• Устройства с батарейным питанием, в которых достаточно простого управления напряжением ШИМ, а стоимость перевешивает проблемы эффективности.

Преимущества коллекторных двигателей постоянного тока

• Простое и недорогое управление: Скорость и крутящий момент регулируются напрямую с помощью приложенного напряжения с использованием базовой схемы ШИМ.
• Меньшая первоначальная стоимость: более простая конструкция и отсутствие необходимости в электронном регуляторе скорости
• Высокий пусковой момент: эффективен для применений, требующих высокого крутящего момента с места
• Легко устранить неполадки и отремонтировать: точки механического износа легко осмотреть и заменить

Недостатки Матовый двигатель постоянного токаs

• Износ щеток: физический контакт между щетками и коммутатором со временем изнашивается, что требует периодической замены.
• Более низкая эффективность: Трение и электрическая дуга на контакте щетки создают потери энергии, которых нет в бесщеточных конструкциях.
• Электрический шум (ЭМИ): искрение на контакте щетки-коллектора создает электрический шум, который может помешать работе чувствительной близлежащей электроники.
• Накопление тепла: Потери на трение и резистивные потери на щетках генерируют дополнительное тепло по сравнению с бесщеточными конструкциями.
• Меньший срок службы: Износ щеток в конечном итоге ограничивает общий срок службы больше, чем большинство других компонентов двигателя.

Срок службы и техническое обслуживание коллекторного двигателя постоянного тока

Износ щеток является основным фактором, ограничивающим срок службы коллекторного двигателя постоянного тока, и он ускоряется при более высоком потреблении тока, более высокой скорости, а также в более пыльных или грязных условиях эксплуатации. Типичный срок службы щеток составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч часов. в зависимости от рабочего цикла, нагрузки и материала щетки, двигатели работают с перерывами при небольшой нагрузке и работают значительно дольше, чем двигатели, работающие непрерывно при большой нагрузке.

• Периодически проверяйте щетки на предмет длины и равномерности износа; замените до того, как они изнашиваются до такой степени, что теряют контактное давление пружины.
• Очистите поверхность коллектора от отложений (углеродистая пыль, окисление) для поддержания постоянного электрического контакта.
• Проверьте коллектор на наличие задиров или точечной коррозии, которые ускоряют дальнейший износ щеток после его начала.
• Не допускайте попадания в корпус двигателя пыли и мусора, поскольку находящиеся в воздухе частицы увеличивают износ щеток и коллектора.
• Избегайте длительной работы при перегрузке по току, которая увеличивает искрение и ускоряет деградацию как щеток, так и коллектора.

Как управлять коллекторным двигателем постоянного тока

Коллекторные двигатели постоянного тока управляются в основном посредством регулировка напряжения , поскольку скорость примерно пропорциональна приложенному напряжению, а крутящий момент примерно пропорционален потребляемому току. Наиболее распространенным методом управления является широтно-импульсная модуляция (ШИМ), при которой контроллер быстро включает и выключает полное напряжение питания, а соотношение времени включения и времени выключения (рабочий цикл) определяет эффективное среднее напряжение, воспринимаемое двигателем.

Управление направлением осуществляется через схему H-моста, которая позволяет току течь через двигатель в любом направлении путем переключения, какие клеммы питания подключаются к каким клеммам двигателя. Сочетание управления скоростью ШИМ с управлением направлением H-моста обеспечивает полное управление скоростью и направлением с помощью простой и недорогой схемы драйвера, что является одной из причин, почему коллекторные двигатели остаются популярными в экономичных приложениях.

Как повысить эффективность коллекторного двигателя постоянного тока

• Используйте качественный материал кисти: угольные или медно-графитовые щетки более высокого качества снижают контактное сопротивление и потери на дугу.
• Поддерживайте правильное натяжение пружины щетки: слишком слабое натяжение увеличивает сопротивление искрению и контакту; слишком много ускоряет износ
• Содержите коммутатор в чистоте и гладкости: наросты или точечная коррозия увеличивают контактное сопротивление и выделение тепла
• Избегайте работы при напряжении ниже номинального в течение длительного времени: работа при пониженном напряжении увеличивает потребление тока при заданном крутящем моменте, увеличивая резистивные потери
• Правильно подберите двигатель для нагрузки: Двигатель слишком большой мощности, работающий значительно ниже номинальной мощности, снижает эффективность по сравнению с правильно подобранным двигателем