Содержание:
Виды КД
В зависимости от типа питания классифицируют:
Коллекторные двигатели , работающие от источника постоянного тока,Универсальные - работают как от постоянного тока, так и от переменного.
Устройство и принцип работы двигателя постоянного тока
Коллекторный двигатель постоянного тока состоит из двух основных частей – ротора и статора. Ротор - вращающаяся часть двигателя – несёт на себе обмотку и коллектор. Статор – неподвижная часть двигателя – включает в себя источник постоянного магнитного поля – постоянный магнит или обмотку возбуждения, щётки и корпус.
Обмотка на роторе является одной из основных частей электрического двигателя постоянного тока. По ней течёт ток нагрузки. Обмотка состоит из нескольких сегментов. Их электрические выводы подключены к пластинам коллектора.
Коллектор – представляет собой набор металлических пластин, уложенных параллельно друг другу по цилиндрической поверхности, но не касающихся друг друга. К каждой пластине подключён вывод обмотки ротора. При вращении двигателя коллекторные пластины помогают переключать ток на всё новые секции обмотки, что приводит к дальнейшему вращению двигателя.
Коллекторный мотор с сердечником
Коллекторный мотор без сердечника
Щётки производят переключение секций обмотки по мере вращения электродвигателя и обеспечивают возможность подключения обмотки двигателя на роторе к выводам на корпусе мотора. В зависимости от материала конструкция щёток отличается: графитовые щётки, выполненные в виде прямоугольных брусков или металлические щётки в виде тонких пластин.
Конструкция неподвижной части двигателя – статора – отличается в зависимости от разновидности электродвигателя постоянного тока. У двигателей постоянного тока с обмоткой возбуждения на статоре располагается обмотка возбуждения, чаще всего выполненная на сердечнике из стальных пластин. У двигателей постоянного тока с постоянными магнитами, на статоре расположен постоянный магнит, создающий магнитное поле двигателя.
Обмотка ротора и коллектор установлены на валу, который опирается на подшипники, установленные в боковых фланцах корпуса.
Корпус выступает несущей конструкцией, куда устанавливаются остальные части двигателя, а также может выступать в роли наружной оболочки, защищающей мотор от пыли, грязи и механических воздействий.
Варианты конструкции двигателя
Типы обмоток
Обмотка без стального сердечника
Обмотки ротора отличаются между собой по конструкции. Применяются обмотки классической конструкции, намотанные на стальной сердечник, широко распространены полые обмотки без стального сердечника. Кроме того, ротор может иметь печатную обмотку плоской или цилиндрической конструкции. Ротор двигателя классической конструкции, со стальным сердечником, имеет значительный момент инерции, большую индуктивность обмотки и дополнительные потери в стали сердечника ротора. Двигатели с полым ротором и с печатным ротором отличаются низкой инерцией и малыми потерями.
Обмотки отличаются по своему устройству: толщина провода и схема намотки (например наличие параллельных ветвей в обмотке и их количество). Это даёт возможность изготавливать электродвигатели работающие при разном номинальном напряжении и токе.
Обмотки отличаются друг от друга по температурной стойкости, которая обеспечивается выбором соответствующего типа изоляции. Повышенная температурная стойкость позволяет обмотке нагреваться до более высокой температуры, не теряя работоспособности, что даёт возможность мотору работать при более высокой температуре окружающей среды или выдерживать более высокую токовую нагрузку.
Различные материалы магнитов
За время пока существуют электрические двигатели, было разработано и применено на практике немало различных материалов для постоянных магнитов. Ферриты, AlNiCo, SmCo, NdFeB. Основная разница между ними – в их мощности (т.е. в удельной энергии) и температурной стойкости. В настоящее время в высокопроизводительных малогабаритных двигателях с постоянными магнитами чаще всего применяется NdFeB из-за своей высокой мощности и SmCo из-за высокой рабочей температуры.
Типы щёток
Графитовые щётки
Металлические щётки
В настоящее время распространены два материала щёток – графитовые и металлические. Графитовые щётки изготавливаются из медно-графитового сплава и работают с коллектором из медных пластин. Они хорошо работают на больших токах, хорошо переносят частые пуски, но являются источником сильных электромагнитных шумов. Металлические щётки делают из благородных металлов, и они работают коллектором, в котором также применены благородные металлы. Они хорошо работают на небольших токах при малых изменениях скорости вращения и испускают гораздо меньше помех чем графитовые щётки.
Варианты подшипников
Два основных типа подшипников, применяемых в малогабаритных двигателях постоянного тока – шарикоподшипники и подшипники скольжения. В случае применения шарикоподшипников, для снижения осевого биения вала может применяться их предварительное поджатие
Преимущества и недостатки коллекторных двигателей
Простота управления. Коллекторный двигатель достаточно прост в управлении, особенно когда речь идёт о двигателях с постоянными магнитами. Для того чтобы заставить его вращаться необходим один источник постоянного напряжения. Математическая модель такого мотора достаточно проста, но с её помощью можно реализовывать достаточно сложные алгоритмы управления современными быстродействующими приводными системами. Сопоставимая по возможностям система управления, например, асинхронным двигателем гораздо сложнее математически и требует заметно больше ресурсов при реализации.
Низкая надёжность. Щёточно-коллекторный узел – это скользящий электрический контакт, который серьёзно ограничивает надёжность коллекторных двигателей постоянного тока по сравнению с бесколлекторными.
Отсутствие электронных компонентов. Коллекторные двигатели не содержат электронных компонентов – как например датчики Холла в бесколлекторных моторах, которые необходимы для их работы. Это может давать коллекторным двигателям преимущество при работе, например, в условиях высокой радиации.
Ограничение скорости вращения. Когда щётки перемещаются по пластинам коллектора очень быстро, то начинается искрение, которое сокращает срок службы коллектора и щёток. Для того чтобы искрения не происходило должны быть ограничена скорость перемещения щёток по коллектору и нагрузка на щётки (ток). Максимально допустимая линейная скорость перемещения щёток по коллектору определяется материалами, применёнными для изготовления щёток и коллектора. И именно она является причиной различия в скорости у двигателей с графитовыми щётками и со щётками из благородных металлов.
Области применения
Несмотря на то, что во многих областях происходит активная замена коллекторных двигателей постоянного тока на бесколлекторные, в ряде применений продолжают использоваться коллекторные двигатели:
Во многих применениях с жёсткими требованиями по стоимости решения, которые ограничивают применение сложной и дорогой управляющей электроники
В системах, работающих в жёстких условиях (например, высокая температура или радиация) или в которых имеются жёсткие ограничения по размерам.
