Как работают коллекторные электродвигатели постоянного тока? Руководство по микрощеточным двигателям постоянного тока

Краткий ответ: коллекторный двигатель постоянного тока работает, пропуская ток через вращающуюся катушку (ротор) через неподвижные угольные или металлические контакты, называемые щетками, которые прижимаются к вращающемуся сегментированному кольцу, называемому коммутатором. Когда ротор вращается, коммутатор автоматически меняет направление тока в катушке в нужный момент, сохраняя магнитную силу, действующую в том же направлении вращения — именно это действие самопереключения позволяет коллекторному двигателю непрерывно вращаться от простого, нерегулируемого источника питания постоянного тока. Для его поворота не требуется никаких внешних схем. , именно поэтому коллекторные двигатели постоянного тока, в том числе микрощеточные двигатели постоянного тока диаметром всего 4 мм, остаются одним из наиболее широко используемых и экономически эффективных способов преобразования электрической энергии во вращательное движение. В оставшейся части этого руководства подробно описан механизм, что находится внутри микрощеточного двигателя и что следует учитывать при выборе его для проекта.

Основные компоненты коллекторного двигателя постоянного тока

Каждый коллекторный электродвигатель постоянного тока , от игрушечного агрегата до промышленного мотор-редуктора, состоит из одних и тех же четырех основных частей.

Стандартным материалом щетки является углерод или графит, а не твердый металл, поскольку углерод является самосмазывающимся и преимущественно изнашивается – это означает, что щетка постепенно изнашивается с течением времени, в то время как более дорогая поверхность коллектора остается практически неповрежденной. Такая схема износа намеренно удобна в обслуживании: заменить изношенную щетку гораздо проще и дешевле, чем заменить поврежденный коллектор.

Как на самом деле вращается двигатель: шаг за шагом

Принцип работы основан на двух физических концепциях: законе электромагнитной индукции Фарадея и силе Лоренца. На практике цикл выглядит так:

1. Напряжение постоянного тока подается на две клеммы щеток, и ток течет от щеток в сегменты коллектора, которых они касаются.
2. Ток, проходящий через катушку ротора, превращает ее в электромагнит, генерирующий собственное магнитное поле.
3. Это поле ротора взаимодействует с фиксированным полем постоянных магнитов статора — полюса отталкиваются, противоположные полюса притягиваются — создавая крутящий момент, который заставляет ротор вращаться.
4. Когда ротор приближается к полю статора (примерно каждые 180 градусов вращения), щетки скользят к следующему сегменту коллектора, что меняет направление тока в катушке на противоположное.
5. Изменение направления тока меняет магнитную полярность ротора точно в нужный момент, поэтому магнитный толчок продолжается в том же направлении вращения, а не останавливается.
6. Этот цикл переключения и нажатия повторяется непрерывно, обеспечивая плавное и непрерывное вращение до тех пор, пока подается питание.

В каждом цикле есть короткий момент, когда щетки замыкают два сегмента коммутатора и на мгновение закорачивают часть обмотки — это источник небольших искр, видимых внутри работающего коллекторного двигателя, а также источник большей части электрического шума, который генерируют эти двигатели.

Что отличает микрощеточный двигатель постоянного тока

Микрощеточный двигатель постоянного тока использует точно такой же принцип коммутации, описанный выше, только в значительно уменьшенном масштабе. Промышленные источники обычно классифицируют любой двигатель диаметром менее 30 мм как микродвигатель, а самые маленькие коммерчески доступные щеточные агрегаты имеют размер всего лишь 4 мм в диаметре , используемый в таких приложениях, как микродроны и миниатюрные запорные механизмы.

Микродвигатели без сердечника против микродвигателей с железным сердечником

В большинстве микрощеточных двигателей используется конструкция ротора без сердечника (без железа), а не традиционный якорь с железным сердечником, который можно найти в более крупных двигателях. Вместо обмоток, намотанных на железный сердечник, катушка представляет собой самонесущую полую конструкцию. Это устраняет потери в железе и заедание (резкое сопротивление, ощущаемое при ручном вращении двигателя с железными зубьями), что дает микродвигателям без сердечника очень низкая вращательная инерция и быстрое ускорение — значительное преимущество в таких устройствах, как пипетки, механизмы фокусировки камеры или небольшие насосы, где важен быстрый и точный запуск и остановка.

Типичные характеристики

Технические характеристики сильно различаются в зависимости от производителя и предполагаемого использования, но в таблице ниже показаны репрезентативные значения для распространенных диаметров микродвигателей, чтобы проиллюстрировать диапазон.

С другой стороны, некоторые коллекторные микродвигатели без сердечника достигают эффективности до 90% , хотя этот пик достигается только на высокой скорости и падает при низкой скорости или большой нагрузке. Многие микродвигатели также работают в паре с коробкой передач, позволяющей обменивать чистые обороты на более высокий полезный крутящий момент, что часто встречается в таких приложениях, как прецизионные весы, приводы клапанов и небольшие роботизированные соединения.

Управление скоростью и направлением

Одним из определяющих преимуществ коллекторных двигателей постоянного тока является простота управления по сравнению с бесщеточными альтернативами.

• Скорость примерно пропорциональна приложенному напряжению: увеличьте напряжение, и двигатель будет вращаться быстрее, уменьшите его, и двигатель замедлится, при этом для базового приложения включения/выключения не требуется никакой дополнительной электроники.
• Направление меняется на противоположное простым изменением полярности двух выводов питания, поскольку это меняет направление тока, между которым переключается коммутатор.
• Для приложений с регулируемой скоростью стандартным методом управления является широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Вместо постоянного изменения напряжения питание включается и выключается быстро, а соотношение времени включения и времени выключения устанавливает эффективное среднее напряжение, которое видит двигатель.
• Частота ШИМ особенно важна для микродвигателей: работа на частотах ниже примерно 20 кГц может вызвать слышимую ультразвуковую вибрацию ротора, поэтому производители обычно рекомендуют частоты в диапазоне 40–120 кГц чтобы сохранить пульсацию тока на низком уровне и продлить срок службы щеток.

Такое поведение, пропорциональное напряжению, также является причиной того, что коллекторные двигатели идеально подходят для устройств с батарейным питанием: простого линейного регулятора или базового ШИМ-драйвера достаточно, чтобы получить удобный контроль скорости, без специальной коммутационной электроники, которая необходима бесщеточному двигателю только для вращения.

Продолжительность жизни и что на самом деле изнашивается

Интерфейс щетки-коллектора является одновременно функцией, которая упрощает управление коллекторными двигателями, и компонентом, который в конечном итоге ограничивает их срок службы. Одновременно действуют два механизма износа: механическое трение от щетки, скользящей по коллектору, и электроэрозия от небольших искр, возникающих каждый раз, когда щетка замыкается между сегментами.

Для сравнения, бесщеточные двигатели постоянного тока могут достигать десятков тысяч часов работы потому что нет контакта щетки с коммутатором, который мог бы изнашиваться - вместо этого их ограничивающим фактором смещается износ подшипников. Этот разрыв в сроке службы является самым большим компромиссом, который следует учитывать при выборе между щеточными и бесщеточными двигателями: коллекторные двигатели стоят дешевле на начальном этапе и ими проще управлять, но они требуют периодической замены щеток в условиях непрерывной работы, в то время как бесщеточные двигатели изначально стоят дороже, но в значительной степени избегают этого цикла обслуживания.

Где на самом деле используются коллекторные и микрощеточные двигатели

Несмотря на конкуренцию со стороны бесщеточных конструкций, коллекторные двигатели постоянного тока остаются распространенными, поскольку их низкая стоимость, простота управления и высокий пусковой момент — это именно то, что нужно во многих приложениях, особенно там, где непрерывные рабочие циклы или сверхдлительный срок службы не являются приоритетом.

• Электроинструменты и мелкая бытовая техника, для которых высокий пусковой момент и низкая себестоимость важнее максимального срока службы.
• Игрушки, радиоуправляемые транспортные средства и дроны для хобби, где бессердечниковые микродвигатели диаметром 8–20 мм обеспечивают высокую скорость вращения в легком корпусе.
• Автомобильные вспомогательные системы, такие как подъемники окон, регуляторы сидений и небольшие насосы.
• В медицинских и лабораторных инструментах — пипетках, платформах для обработки проб и прецизионных весах — часто используются небольшие щеточные двигатели без сердечника в сочетании с редуктором и энкодером для контролируемого, повторяемого движения.
• Робототехника и автоматизация производства для недорогих соединений или приводов, где периодическая замена щеток является приемлемым элементом технического обслуживания.

Выбор микрощеточного двигателя постоянного тока: ключевые факторы

Выбор подходящего микрощеточного двигателя постоянного тока для проекта сводится к сопоставлению нескольких характеристик с реальными ограничениями вашего приложения, а не просто к выбору самого маленького или самого дешевого варианта.

1. Сопоставьте напряжение питания с вашим источником питания — номинальное напряжение микродвигателя составляет от 1,5 до 24 В, поэтому убедитесь, что номинальное напряжение двигателя соответствует вашей батарее или источнику питания.
2. Проверьте доступное пространство по диаметру и длине двигателя, поскольку обычно доступны микродвигатели диаметром от 4 до 24 мм и более.
3. Решите, что важнее: чистая скорость или крутящий момент: двигатель без сердечника без коробки передач предпочитает высокие обороты и быстрое ускорение, а установка коробки передач меняет максимальную скорость на значительно более высокий полезный крутящий момент.
4. Оцените рабочий цикл и требуемый срок службы — потребительское устройство, используемое с перерывами, может с комфортом использовать более дешевый щеточный двигатель, в то время как приложение для непрерывной работы может оправдать более высокие первоначальные затраты на бесщеточный двигатель.
5. Учитывайте чувствительность к электрическому шуму — если двигатель будет использовать общую схему с чувствительной электроникой, заложите в бюджет базовое подавление электромагнитных помех, поскольку щеточная коммутация по своей сути генерирует электрический шум, которого избегают бесщеточные конструкции.