Традиционные коллекторные двигатели постоянного тока (обычно используемые в электрических игрушках и вентиляторах) основаны на механическом скользящем контакте между неподвижными щетками (обычно угольными) и вращающимся коллектором. Это автоматически переключает направление тока в обмотках ротора во время вращения, создавая непрерывный электромагнитный крутящий момент.
Статор неподвижен. В простом двигателе постоянного тока он состоит из постоянных магнитов по обе стороны корпуса (северный полюс N/красный слева, южный полюс S/синий справа), создающих горизонтальное магнитное поле, направленное слева направо.
Ротор — это вращающийся узел в центре, обмотанный медной проволокой. При подаче питания эти обмотки работают как электромагнит. Их магнитные полюса взаимодействуют с магнитами статора («одноименные полюса отталкиваются, разноименные притягиваются»), заставляя ротор вращаться.
Два медных полукольца коллектора на валу соединены с концами катушек. Две неподвижные угольные щетки с каждой стороны подключены к источнику постоянного тока. При вращении ротора пластины коллектора поочередно касаются щеток, автоматически меняя направление тока в катушке при прохождении вертикальной мертвой точки для поддержания непрерывного вращения.
В этой интерактивной модели на левой панели показано физическое сечение коллекторного двигателя постоянного тока, а на правой — схема его подключения. При подключении двигателя к источнику постоянного тока ток течет через неподвижные щетки в обмотки ротора, создавая электромагнитный крутящий момент. Ротор вращается под действием магнитного притяжения. Каждый раз, когда ротор поворачивается на 180° и пересекает центральную линию, зазоры между пластинами коллектора проходят мимо щеток, меняя полярность тока, текущего в обмотки. Это обеспечивает постоянство направления крутящего момента на протяжении всего вращения.
Загрузка...
| Шаг | Угол ротора | Контакт щетки (+) | Контакт щетки (-) | Электромагнитный крутящий момент | Ток в катушке |
|---|
Коллектор представляет собой набор медных контактных пластин (два полукольца в этой упрощенной модели), установленных на валу ротора и вращающихся вместе с ним. Щетки представляют собой неподвижные угольные блоки, прижимаемые к коллектору пружинами. При вращении ротора щетки поочередно контактируют с разными пластинами. Поскольку одна щетка является положительной, а другая — отрицательной, направление тока через обмотки механически меняется на противоположное каждый раз, когда ротор проходит вертикальную среднюю точку. Это гарантирует, что магнитные полюса ротора всегда отталкиваются и притягиваются к магнитам статора таким образом, чтобы создавать непрерывный крутящий момент по часовой стрелке.
В этом главное преимущество коллекторных двигателей! Коммутация осуществляется полностью механически за счет интерфейса щетка-коллектор, выполняющего роль физического переключателя. Простая подача напряжения постоянного тока на клеммы заставляет двигатель работать непрерывно. Для этого не требуются микроконтроллеры (MCU), микросхемы драйверов (MOSFET) или алгоритмы определения положения ротора, что делает систему чрезвычайно дешевой и простой.
Есть три основных недостатка:
• Износ щеток и короткий срок службы: Постоянное трение скольжения между щетками и коллектором со временем изнашивает угольные щетки, требуя регулярного обслуживания или замены.
• Искрение и электромагнитные помехи (EMI): При переключении контактов щеток возникает электрическая дуга из-за индуктивности катушки. Это создает крошечные искры (непригодные для взрывоопасных сред) и генерирует значительные электрические помехи, мешающие работе близлежащей электроники.
• Плохой отвод тепла и низкий КПД: Тепловыделяющие обмотки находятся на вращающемся роторе, что затрудняет прямую передачу тепла на внешний корпус, ограничивая удельную мощность двигателя.
Фундаментальный принцип идентичен. Однако, чтобы предотвратить застревание двигателя в вертикальной мертвой точке 90° (где он не может запуститься с места), в реальных игрушечных моторах обычно используется 3-полюсный ротор (три зубца сердечника и три пластины коллектора). Такая конструкция гарантирует, что как минимум две фазы всегда находятся под напряжением при любом угле, что позволяет двигателю надежно запускаться из любого статического положения и работать с более плавным и равномерным крутящим моментом.