Что такое щетка в двигателе постоянного тока? Направляющая для матового двигателя постоянного тока

В двигателе постоянного тока щетка представляет собой неподвижный электрический контакт, обычно изготовленный из углерода, графита или металлографитового композита, который прижимается к вращающемуся коммутатору для передачи электрического тока между фиксированной внешней цепью и обмотками вращающегося якоря. Кисть – это то, что делает коллекторный электродвигатель постоянного тока механически самопереключающийся : когда ротор вращается, щетки поддерживают постоянный электрический контакт с последовательными сегментами коммутатора, автоматически меняя направление тока в каждой катушке якоря в нужный момент для поддержания вращения. Без щеток ток не попадает в ротор, и двигатель не может работать.

Роль щетки в коллекторном электродвигателе постоянного тока

Чтобы понять, что делает кисть, полезно увидеть ее в контексте полной системы коммутации. Коллекторный электродвигатель постоянного тока имеет четыре ключевых компонента, участвующих в подаче и переключении тока:

• Якорь (ротор) — вращающийся узел, намотанный медными катушками, генерирующими электромагнитный момент при прохождении тока.
• Коммутатор — сегментированное медное кольцо, установленное на валу ротора; каждый сегмент соединяется с одним концом катушки якоря
• Кисти — неподвижные подпружиненные контакты, опирающиеся на поверхность коммутатора; обычно две щетки расположены под углом 180 ° друг от друга для базового двухполюсного двигателя.
• Держатели щеток — механический узел, который позиционирует каждую щетку относительно коллектора под правильным углом и обеспечивает постоянное контактное давление, обычно от 15 до 35 кПа для углеграфитовых марок

По мере вращения ротора каждая щетка скользит от одного сегмента коллектора к другому. При каждом переходе направление тока в катушке, подключенной к этому сегменту, меняется на противоположное — это коммутация. Щетка выполняет эту функцию переключения исключительно за счет своей физической геометрии контакта, без необходимости использования электроники. Именно эта простота делает щеточный двигатель постоянного тока одна из самых простых и широко распространенных архитектур двигателей в истории.

Типы щеток, используемых в двигателях постоянного тока

Не все щетки двигателей постоянного тока изготовлены из одного и того же материала. Состав подбирается исходя из напряжения двигателя, плотности тока, скорости и условий эксплуатации. Существует четыре основные категории материалов кистей:

В частности, в микрощеточных двигателях постоянного тока металлографитовые щетки с высоким содержанием меди (60–80 % Cu) входят в стандартную комплектацию. поскольку низкое рабочее напряжение (обычно от 3 до 24 В) и высокая относительная плотность тока требуют материала с низким контактным сопротивлением. Угольно-графитовые щетки, имеющие более высокое удельное сопротивление, могут вызвать неприемлемое падение напряжения на контакте в цепи микродвигателя 3 В или 5 В.

Как щетка и коммутатор работают вместе, обеспечивая вращение

Процесс физической коммутации стоит проследить шаг за шагом, поскольку он проясняет как основную функцию щетки, так и присущие ей ограничения:

1. Постоянный ток поступает в двигатель через положительную щетку, которая прижимается к сегменту коллектора, соединенному с катушкой якоря А. Ток течет через катушку А, создавая магнитное поле, которое взаимодействует с полем статора для создания крутящего момента.
2. Крутящий момент заставляет ротор вращаться. При этом сегмент коллектора, подключенный к катушке A, отодвигается от положительной щетки, а новый сегмент, подключенный к катушке B, входит в контакт.
3. Одновременно сегмент, ранее подключенный к катушке А, достигает отрицательной щетки, меняя направление тока через катушку А. Это изменение сохраняет электромагнитную силу, действующую в том же направлении вращения, а не замедляет двигатель.
4. Этот цикл непрерывно повторяется по мере вращения ротора, при этом интерфейс щетки-переключателя действует как механический переключатель, который срабатывает точно под правильным углом ротора — примерно каждые 60° в стандартном шестисегментном коммутаторе.

Краткий момент, когда кисть одновременно охватывает два соседних сегмента коммутатора, называется интервал коммутации . В течение этого интервала переключаемая катушка на мгновение замыкается на щетку — правильный выбор материала щетки и геометрия коллектора сводят к минимуму результирующий всплеск тока и вызываемую им электрическую дугу.

Структура щеточного двигателя постоянного тока: все ключевые компоненты

Щеточный двигатель постоянного тока — будь то крупный промышленный агрегат или миниатюрный микрощеточный двигатель постоянного тока — имеет одну и ту же фундаментальную архитектуру. Практически в каждом коллекторном электродвигателе постоянного тока присутствуют следующие компоненты:

Статор (полевая сборка)

Статор создает стационарное магнитное поле. В щеточных двигателях постоянного тока с постоянными магнитами (наиболее распространенный тип в малых и микроприменениях) статор состоит из постоянных магнитов, прикрепленных к внутренней части корпуса двигателя. В более крупных двигателях с возбуждением статор содержит катушки электромагнитов (последовательные, шунтирующие или составные обмотки), которые питаются от того же источника постоянного тока или от отдельного источника возбуждения.

Ротор (Якорь)

Ротор представляет собой ламинированный железный сердечник, намотанный несколькими витками медной проволоки. Ламинирование жилы тонкими изолированными стальными листами ( обычно толщина от 0,35 до 0,65 мм. ) снижает потери на вихревые токи, которые в противном случае привели бы к потере энергии и выделению тепла. Количество пазов якоря и сегментов коммутатора одинаково — большее количество пазов означает более плавный выход крутящего момента и снижение пульсаций.

Коммутатор

Коллектор изготовлен из нагартованных медных сегментов, разделенных слюдяной изоляцией. В микрощеточном двигателе постоянного тока диаметр коллектора может составлять всего несколько миллиметров, тогда как в промышленных двигателях диаметр коллектора может превышать 500 мм. Медную поверхность необходимо поддерживать в пределах Допуск биения ±0,02–0,05 мм для предотвращения подпрыгивания щетки, образования дуги и неравномерного износа.

Кисти и держатели кистей

Щетки удерживаются в подпружиненных щеткодержателях, которые поддерживают постоянное контактное давление на коммутатор по мере изнашивания щетки в течение срока ее службы. Большинство щеточных двигателей постоянного тока имеют индикатор износа — либо отмеченную линию на корпусе щетки, либо указанную минимальную длину — чтобы сигнализировать о необходимости замены. Типичная углеграфитовая щетка для двигателя мощностью 1 кВт запускается при 25–40 мм в длину и подлежат замене при износе до 8–10 мм.

Концевые колокола и подшипники вала

Концевые колокола (торцевые крышки) закрывают корпус двигателя и поддерживают вал ротора посредством шарикоподшипников или подшипников скольжения. Они также обеспечивают точки крепления щеткодержателей, обеспечивая стабильное выравнивание щетки и коллектора под нагрузкой и вибрацией.

Микрощеточный двигатель постоянного тока: миниатюризация и особенности

Микрощеточный электродвигатель постоянного тока применяет те же принципы работы, что и полноразмерный коллекторный электродвигатель постоянного тока, но их диаметр сжимается до размеров, обычно варьирующихся от от 4 мм до 36 мм выходная мощность от милливатт до нескольких ватт. Эта миниатюризация создает инженерные проблемы, которых нет в больших масштабах.

Конструкция щеток в микромоторах

В микрощеточном двигателе постоянного тока щетки часто штампуются или формируются из тонкого листа металлографита или сплава драгоценных металлов, а не из прессованных углеродных блоков. Щетки из драгоценных металлов (сплавы серебра, палладия или золота) используются в самых маленьких двигателях, таких как конструкции без сердечника диаметром 6 и 8 мм, поскольку они обеспечивают чрезвычайно низкое контактное сопротивление (менее 10 мОм) и практически полное отсутствие остатков износа, которые загрязняли бы крошечные внутренние зазоры. Компромисс заключается в стоимости: щетки из драгоценных металлов в 5–20 раз дороже, чем щетки из углерода.

Конструкция ротора без сердечника

Во многих высокопроизводительных микрощеточных двигателях постоянного тока используется ротор без сердечника (без железа) — самонесущая полая медная катушка без железных пластин. Без железного сердечника инерция вращения резко падает, позволяя двигателю ускоряться и замедляться. миллисекунды, а не десятки миллисекунд . Микродвигатели без сердечника являются стандартными в хирургической робототехнике, системах автофокусировки камер и прецизионных устройствах с тактильной обратной связью, где время отклика имеет решающее значение.

Срок службы микрощеточных двигателей постоянного тока

Износ щеток является основным фактором, ограничивающим срок службы любого коллекторного электродвигателя постоянного тока, но он особенно важен для микродвигателей, замена которых часто нецелесообразна. Производители оценивают микрощеточные двигатели постоянного тока с угольными щетками в От 500 до 2000 часов непрерывной работы, а версии со щетками из драгоценных металлов расширяются до От 3000 до 5000 часов при небольших нагрузках. Нагрузка, скорость и влажность окружающей среды существенно влияют на фактический срок службы.

Ключевые характеристики коллекторного двигателя постоянного тока

Коллекторный электродвигатель постоянного тока имеет четко определенный набор эксплуатационных характеристик, которые делают его предсказуемым и простым в управлении:

Одной из наиболее практически полезных характеристик коллекторного электродвигателя постоянного тока является его линейная зависимость между скоростью и приложенным напряжением : удвоение напряжения примерно удваивает скорость холостого хода. Это делает управление скоростью интуитивно понятным и недорогим — простой драйвер ШИМ (широтно-импульсной модуляции) стоимостью несколько долларов может обеспечить плавное управление переменной скоростью от почти нулевой до полной скорости.

Преимущества щеточного двигателя постоянного тока перед бесщеточными конструкциями

Несмотря на распространение бесщеточных двигателей постоянного тока во многих приложениях, коллекторный электродвигатель постоянного тока сохраняет значительные преимущества в определенных контекстах:

• Более низкая стоимость системы — щеточный двигатель постоянного тока не требует электронного коммутационного контроллера; Управление скоростью и направлением может быть достигнуто с помощью одного транзистора или базовой схемы H-моста, что значительно снижает общую стоимость системы в потребительских приложениях большого объема.
• Простое управление скоростью — линейная вольт-скоростная характеристика означает, что переменное напряжение или рабочий цикл ШИМ напрямую задают скорость двигателя без датчиков обратной связи во многих приложениях.
• Высокий пусковой момент — Щеточные двигатели постоянного тока развивают максимальный крутящий момент при остановке (нулевой скорости), что делает их идеальными для применений, требующих высокой пусковой силы, таких как автомобильные окна, регуляторы сидений и приводы клапанов.
• Двунаправленное управление тривиально — для изменения направления вращения двигателя требуется только поменять местами два провода питания, без необходимости перепрограммирования или модификации контроллера.
• Доступность и заменяемость — коллекторные электродвигатели постоянного тока доступны от сотен производителей в огромном диапазоне размеров, напряжений и конфигураций вала; запасные части, включая щетки, стандартизированы и недороги.

Ограничения, вызванные кистью: почему это важно в дизайнерских решениях

Щетка также является основным источником ограничений в коллекторном электродвигателе постоянного тока. Понимание этих ограничений важно при выборе между щеточным двигателем постоянного тока и бесщеточным вариантом:

Механический износ и ограниченный срок службы

Щетки изнашиваются, скользя по коллектору. Скорость износа зависит от плотности тока, давления пружины, скорости и окружающей среды, но ни один щеточный двигатель постоянного тока не позволяет избежать возможной замены щеток. В приложениях, требующих десятки тысяч часов обслуживания (вентиляторы HVAC, насосы, промышленные приводы), бесщеточные конструкции полностью исключают необходимость технического обслуживания.

Электрическая дуга и генерация электромагнитных помех

Событие коммутации — когда щетка переходит между сегментами — генерирует электрическую дугу. Эта дуга создает электромагнитные помехи (EMI), которые могут вывести из строя близлежащую электронику. Коллекторные электродвигатели постоянного тока, используемые в чувствительных средах (медицинские приборы, прецизионные инструменты, радиооборудование), требуют компонентов подавления электромагнитных помех (конденсаторы, ферритовые шарики, демпферные схемы), что увеличивает стоимость и сложность.

Ограничения скорости и плотности мощности

На очень высоких скоростях подпрыгивание щеток и искрение становятся серьезными. Стандартные двигатели постоянного тока с угольными щетками обычно ограничены скоростями поверхности коллектора ниже 25–35 м/с . Выше этого порога механическая коммутация становится непрактичной, и предпочтительны бесщеточные конструкции или конструкции с контактными кольцами. Вот почему высокопроизводительные сервоприводы мощностью выше примерно 10 кВт в значительной степени перешли на бесщеточную технологию.

Непригоден для взрывоопасных или влажных сред.

Возникновение дуги на границе раздела щетка-коллектор делает стандартные коллекторные электродвигатели постоянного тока непригодными для использования в средах с горючими газами, пылью или парами без взрывозащищенных корпусов. Бесщеточные двигатели, не имеющие внутреннего источника дуги, в таких условиях более безопасны.

Где сегодня используются щеточные двигатели постоянного тока

Несмотря на конкуренцию со стороны бесщеточных технологий, коллекторный электродвигатель постоянного тока, включая микрощеточный двигатель постоянного тока, остается доминирующим выбором в широком спектре применений, где сочетание низкой стоимости, простоты и производительности не имеет себе равных:

Уход и замена щеток: практические рекомендации

В коллекторных электродвигателях постоянного тока, где замена щеток целесообразна, соблюдение графика технического обслуживания продлевает срок службы коллектора и предотвращает выход двигателя из строя:

• Проверяйте щетки каждые 500 часов работы. в приложениях с высокой нагрузкой; каждые 1000–2000 часов при периодическом использовании
• Заменяйте щетки до того, как они достигнут минимальной длины, указанной на щетке или указанной в паспорте двигателя — работа изношенных щеток приводит к опусканию подпружиненного держателя вниз, что приводит к внезапная потеря контактного давления и сильное искрение что повреждает коммутатор в течение нескольких минут
• После установки новых щеток дайте период обкатки (посадки) от 1 до 3 часов при небольшой нагрузке перед работой при полной нагрузке; новые щетки имеют плоские контактные поверхности, которые должны соответствовать изогнутой поверхности коллектора для обеспечения полной площади контакта.
• При замене щеток очищайте поверхность коллектора безворсовой тканью, смоченной изопропиловым спиртом; Легкое окисление нормально и на самом деле полезно (тонкий оксидный слой снижает трение), но толстые нагары увеличивают контактное сопротивление.
• Всегда заменяйте щетки подобранными парами — асимметричный износ щеток приводит к неравномерному распределению тока и ускоряет износ коллектора на стороне, обслуживаемой более короткой щеткой.

В микрощеточном двигателе постоянного тока щетки обычно не подлежат обслуживанию пользователем из-за небольшого физического размера. Когда срок службы щеток микродвигателя подходит к концу, его обычно заменяют целиком, что учитывается в общей стоимости владения на этапе проектирования системы.