Традиційні колекторні двигуни постійного струму (які зазвичай використовуються в електричних іграшках та вентиляторах) базуються на механічному ковзному контакті між нерухомими щітками та обертовим колектором. Це автоматично змінює напрямок струму в обмотках ротора під час його обертання, створюючи безперервний електромагнітний момент.
Статор нерухомий. У простому двигуні постійного струму він складається з постійних магнітів з обох боків корпусу (N-полюс/червоний ліворуч, S-полюс/синій праворуч), які створюють горизонтальне магнітне поле, спрямоване зліва направо.
Ротор — це обертовий вузол у центрі, на який намотаний мідний дріт. Під час подачі напруги ці обмотки діють як електромагніт. Їхні магнітні полюси взаємодіють з магнітами статора («однойменні полюси відштовхуються, різнойменні — притягуються»), змушуючи ротор обертатися.
Дві напівкруглі мідні пластини колектора на валу з'єднані з кінцями обмоток. Дві нерухомі вугільні щітки з обох боків з'єднані з джерелом живлення постійного струму. Під час обертання ротора пластини колектора по черзі контактують зі щітками, автоматично змінюючи напрямок струму в обмотці під час проходження через вертикальну мертву точку для підтримки безперервного обертання!
У цій інтерактивній моделі ліва частина показує фізичний поперечний переріз колекторного двигуна постійного струму, а права частина — підключене коло живлення. Коли двигун підключений до джерела постійного струму, струм тече через нерухомі щітки в обмотки ротора, створюючи електромагнітний момент. Ротор обертається під дією магнітного притягання. Щоразу, коли ротор повертається на 180° і проходить центральну лінію, зазори між пластинами колектора проходять повз щітки, змінюючи полярність струму, що надходить в обмотки. Це забезпечує незмінність напрямку обертального моменту протягом усього циклу обертання.
Завантаження...
| Крок | Кут ротора | Контакт щітки (+) | Контакт щітки (-) | Електромагнітний момент | Струм обмотки |
|---|
Колектор — це набір мідних контактних пластин (дві пластини в цій спрощеній моделі), встановлених на валу ротора, що обертаються разом з ним. Щітки — це нерухомі вугільні блоки, притиснуті пружинами до колектора. Під час обертання ротора щітки по черзі контактують з різними пластинами. Оскільки одна щітка позитивна, а інша — негативна, напрямок струму через обмотки механічно реверсується щоразу, коли ротор проходить вертикальну середню точку. Це гарантує, що магнітні полюси ротора завжди відштовхуються та притягуються до магнітів статора так, що створюється безперервний обертальний момент за годинниковою стрілкою.
Це найбільша перевага колекторних двигунів постійного струму! Комутація повністю забезпечується механічним шляхом за допомогою інтерфейсу «щітка-колектор», який діє як фізичний перемикач. Достатньо просто подати постійну напругу на клеми, щоб двигун працював безперервно. Йому не потрібні мікроконтролери (MCU), мікросхеми драйверів (MOSFET) або алгоритми визначення положення ротора, що робить систему надзвичайно дешевою та простою.
Існує три основні недоліки:
• Знос щіток і короткий термін служби: Постійне тертя ковзання між щітками та колектором з часом зношує вугільні щітки, що вимагає регулярного технічного обслуговування або їх заміни.
• Іскріння та електромагнітні перешкоди (EMI): Коли щітки перемикають контакти, через індуктивність котушки виникає електрична дуга. Це створює крихітні іскри (неприпустимо для вибухонебезпечних середовищ) і генерує значний електричний шум, який заважає роботі сусідньої електроніки.
• Погане відведення тепла та низька ефективність: Обмотки, що виділяють тепло, розташовані на роторі, що обертається, через це важко передавати тепло безпосередньо на зовнішній корпус, що обмежує питому потужність двигуна.
Фундаментальний принцип ідентичний. Однак, щоб запобігти заклинюванню двигуна у вертикальній мертвій точці 90° (звідки він не зможе запуститися з нерухомого стану), на практиці в іграшкових двигунах зазвичай використовується 3-полюсний ротор (три зуби осердя та три пластини колектора). Така конструкція гарантує, що принаймні дві фази завжди під напругою під будь-яким кутом, що дозволяє двигуну надійно самостійно запускатися з будь-якого статичного положення та працювати з більш плавним і рівномірним обертальним моментом.