Конструкция и особенности работы коллекторных двигателей постоянного тока

Для успешного применения коллекторных двигателей постоянного тока необходимо понимать некоторые тонкости их работы, такие как например: графики соотношение момента и скорости, обратная ЭДС, пульсации, конструктивные особенности обмотки. Для более полного понимания данной статьи и теории работы двигателя постоянного тока и коллекторного двигателя мы рекомендуем ознакомиться с базовой статьей "Принцип работы коллекторного двигателя постоянного тока". В этой статье рассматриваются конструкция и особенности работы этого типа двигателей - базовые знания, которые необходимы инженеру для выбора оптимального двигателя, соответствующего требованиям проектируемого устройства.

Простые и экономичные, коллекторные двигатели постоянного тока обеспечивают выходную мощность от милливатт до киловатт и являются наиболее востребованными техническими устройствами в самых разнообразных областях - от инфузионных насосов до сталепрокатных установок. Хорошая линейность этих синхронных устройств облегчает расчет рабочих характеристик заданного двигателя для ряда возможных условий эксплуатации. К примеру, при постоянном напряжении питания скорость двигателя постоянного тока линейно падает с увеличением нагрузки; величина тока будет увеличиваться как функция от нагрузки на валу двигателя. Мы можем использовать эти известные соотношения для определения тока, потребляемого конкретным двигателем при работе с заданной нагрузкой.

Поскольку используемые зависимости являются линейными, нам необходимы всего две точки для построения каждого графика (Рис.1). Мы можем получить график скорости как функцию момента, зная значение скорости ненагруженного двигателя (скорость холостого хода, Nn) и значение момента нагрузки, которая приведет к остановке двигателя (максимальный момент, который может выдать двигатель - Ts). Таким же образом мы можем получить график зависимости тока от момента, который может развить двигатель, зная ток ненагруженного двигателя (ток холостого хода I0) и ток при нагрузке, которая приведет к остановке двигателя (Is). Имея графики зависимости тока и скорости от момента нагрузки, мы всегда можем определить значения тока и скорость вращения для известного заданного значения момента нагрузки.

Поскольку зависимости скорости и тока от момента линейные и не зависят от напряжения, модифицирование графиков для разных значений напряжений настолько же просты, как масштабирование графика (см. рис.2). Очевидно, что это упрощенная модель, которая не учитывает изменение напряжения и потери мощности, но она дает представление о преимуществах двигателей постоянного тока.

Обратная ЭДС двигателей постоянного тока

Учитывая, что ротор состоит из множества спиралей проводника, мы можем представить модель двигателя постоянного тока как электрическую цепь, состоящую из источника питания (батареи) и сопротивления (рис. 3).

По закону Ома:

V_S= IR_M [1]

где VS - напряжение питания, I - ток, RM - сопротивление обмотки.

В случае постоянного значения напряжения питания, потребляемый ток двигателя обратно пропорционален его сопротивлению, которое мы можем приблизительно определить как сопротивление обмотки (достаточно низкое значение). Это означает, что на низких скоростях вращения или при заблокированном роторе двигателя значение тока достаточно для перегорания обмоток двигателя. Существуют и другие факторы в работе двигателя. Якорь состоит из витков, перемещающихся внутри магнитного поля. Как было рассмотрено в предыдущей статье, магнитное поле якоря оказывает воздействие на обмотку и генерирует крутящий момент. В то же время верно и обратное - проводник, перемещающийся в магнитном поле, генерирует электродвижущую силу (ЭДС).

Другими словами, каждый двигатель постоянного тока одновременно работает и как генератор. По закону Ленца направление действия обратной ЭДС противоположно Vs. Это отражено знаком "минус" в выражении выше. Магнитный поток, проходящий через виток, может быть выражен формулой:

Это означает, что для вращающейгося в постоянном магнитном поле B якоря с плотной обмоткой, состоящей из N витков, это выражение может быть представлено следующий образом:

ЭДС двигателя постоянного тока противоположна приложенному напряжению питания и увеличивается при увеличении скорости вращения катушки. Теперь наша эквивалентная электрическая цепь содержит еще один компонент (см. рис.4), и уравнение 1 видоизменяется следующим образом:

Решив уравнение 5 относительно силы тока, получим:

Другими словами, чем выше обратная ЭДС двигателя, тем меньше потребляемый ток и ниже уровень рассеиваемого тепла. Также, выражение 4 говорит нам о том, что чем выше скорость двигателя постоянного тока, тем больше значение обратной ЭДС, которая снижает значение тока. Рассмотрим вариант работы на холостом ходу. Сразу после старта двигателя ток резко возрастает, но обратная ЭДС немедленно начинает увеличиваться и действует в направлении, обратном напряжению питания, заставляя снижаться потребляемый ток. К тому времени, когда двигатель постоянного тока достигает максимальной скорости, обратная ЭДС практически уравновешивает напряжение питания, в результате чего двигатель без нагрузки, работающий на холостом ходу, потребляет совсем небольшой ток. Как только мы добавляем нагрузку, скорость и обратная ЭДС двигателя падают, позволяя току увеличиваться, и двигатель производит полезную мощность.

Это соотношение позволяет использовать обратную ЭДС как инструмент для контроля скорости или проверки работы двигателя.

Пульсация крутящего момента двигателя постоянного тока

Наиболее распространенной конструкцией коллекторных двигателей постоянного тока является вариант с железным сердечником, когда ротор двигателя состоит из шихтованного стального стержня с намотанным проводником, образующим катушки. Коллекторные двигатели постоянного тока со стальным сердечником являются надежными и способны генерировать значительный крутящий момент. Но эти двигатели подвержены такому феномену как колебание крутящего момента. Колебание момента вызывается притяжением между стальными зубчиками ротора и магнитами статора и присутствует даже в то время, когда питание двигателя выключено. Когда зубчики якоря проходят мимо кромок магнитов статора, притяжение между ними создает возмущающее воздействие на вращение и колебание момента. В случае высокомоментной или высокоинерционной нагрузки, это воздействие не создает особых проблем. Но в случае устройств с задачей позиционирования эти колебания могут приводить к возникновению значительных ошибок положения и мешают решению поставленной задачи.

Один из путей решения этой проблемы - смещение зубцов путем скручивания якоря таким образом, чтобы зубчики располагались под углом по отношению к кромкам магнитов. Это смягчает колебания момента, но одновременно имеет и негативный побочный эффект. Скручивание якоря снижает крутящий момент. По некоторым данным, необходимо пожертвовать по крайней мере 3% полезного крутящего момента для того, чтобы иметь возможность получить плавное движение, пригодное для задач позиционирования. Во многих случаях это хороший компромиссный вариант, но он увеличивает конечную стоимость двигателя, так как теперь необходимо осуществлять намотку на отклоненный скрученный стек, а стоимость оборудования для создания такой обмотки несколько выше.

Другой способ избежать колебаний момента - перейти к бесстержневой конструкциии. Ротор таких двигателей состоит из скрученной обмотки без сердечика. Эти двигатели обладают меньшей инерционностью и индуктивностью, колебание момента в них отсутствует. Но минусом такой конструкции без серечника является менее эффективный перенос тепла и возможность перегрева двигателя. Подобные конструкции без сердечника больше подходят для высокоточных прецизионных устройств, предъявляющих высокие требования к эксплуатационным характеристикам двигателя постоянного тока, таких как медицинское оборудование, системы промышленной автоматизации, военные и аэрокосмические системы.

Ротора двигателя постоянного тока

Ротор двигателя постоянного тока - ключевой момент при проектировании двигателя. Напомним, что сопротивление катушки напрямую влияет на потребляемый ток и скорость. Двигатели могут иметь одинаковые размеры и вес, но при изменении диаметра проводника и количества витков обмотки ротора, инженер может добиться совершенно разных выходных характеристик (см. рис.5). С одной стороны, для маленького сопротивления обмотки ротора необходимы большая толщина проводника и небольшое количество витков. Маленькое сопротивление обмотки приведет к большему пусковому току и более высокой рабочей скорости. С другой стороны, большое сопротивление (при более тонком проводнике и большем количестве витков) приведет к меньшему значению пускового тока двигателя и более низкой рабочей скорости.

Оптимальный выбор параметров ротора зависит от конкретного применения двигателя. К примеру, медицинское оборудование, питающееся от аккумуляторов, будет иметь жесткие требования к потребляемому току, лучшим выбором будет двигатель с обмоткой ротора с большим сопротивлением. Для устройств, запитанных от постоянного источника питания, потребляемый ток уже не является настолько значимой характеристикой двигателя. В этом случае важнее могут оказаться, к примеру, размеры двигателя или бесшумность его работы. В таком случае, целесообразнее использовать коллекторный двигатель постоянного тока с более низким значением сопротивления обмотки ротора.

Выбор щеток коллекторного двигателя

Щетки, коммутируя напряжение и поддерживая вращение, играют важную роль в работе коллекторного двигателя постоянного тока. Использование разных материалов щеток приводит к различиям выходных характеристик двигателя. Как и в случае с обмотками, область применения и требования конечного устройства определяют наилучший выбор материала щеток двигателя. Несмотря на то, что наиболее распространенным материалом является графит, щетки могут быть изготовлены и из драгоценных металлов (из золота, серебра, платины, а также из медно-графитового сплава или сплава графита и серебра). Даже при безупречной конструкции двигателя в случае неверного выбора материала щеток проблемы возникнут сразу - щетки сразу износятся. При нормальном токе двигателя и неправильном материале щеток они могут быть механически стерты в течение часа.

Графит является надежным решением, особенно для двигателей диаметром 15мм и более. Но графитовые щетки со временем производят пыль, которая может попасть на коммутирующее устройство, вызывая периодические отказы. Обычно коллекторные двигатели с графитовыми щетками используются на достаточно высоких скоростях (1000 оборотов в минуту и более), при которых графитовая пыль и мусор самостоятельно вылетают. При условии, что графитовая пыль и мусор будут удаляться из коллекторного узла и не будут попадать в коллектор, графитовые щетки являются наиболее удачным и надежным решением.

Щетки из драгоценных металлов являются менее менее прочными по сравнению с графитовыми. Они производят меньше электрических помех и низкочастотного шума, а значит, более пригодны для деликатного и чувствительного оборудования. Щетки из драгоценных металлов занимают меньше места по сравнению с графитовыми щетками, поэтому их часто используются для маленьких (диаметром менее 15 мм) и маломощных двигателей и устройств.

Падение напряжения между коллектором и щетками обычно невелико в случае использования щеток из драгоценных металлов, поэтому такие двигатели могут использоваться в низковольтных системах. В отличие от графитовыхщеток, щетки из драгоценных металлов не самосмазывающиеся, и со временем могут сильнее изнашиваться. Поэтому для таких щеток обычно добавляется смазка.

Существуют и другие аспекты, которые влияют на правильный выбор и конструкцию щеток двигателя для конкретной области применения. Щетки коллекторного двигателя могут работать с определенной ограниченной плотностью тока; если не учитывать этот аспект, щетки могут перегореть. Скорость двигателя может вызывать проблемы механического характера - щетки могут слететь с коллектора. Коллекторным двигателям, разработанным для работы на большой высоте над уровнем моря, требуются специальные щетки, которые допускают или компенсируют работу при низкой влажности и разреженном воздухе окружающей среды, например, легированные дисульфидом молибдена (уменьшающим отвод тепла) или карбонатом лития.

Несовершенство коллекторного узла также может вызывать проблемы. Когда щетки проходят над зазором между двумя половинами коллектора, энергия аккумулированная в обмотке двигателя, вызывает электрическую дугу между щеткой и сегментом коллектора. Чем выше скорость вращения двигателя, тем быстрее в результате будет износ щеток.

Как избежать ошибок

Выбор двигателя с правильными параметрами начинается с определения целей, для которых он будет использован. Для систем позиционирования существуют очень специфичные требования к зависимостям между скоростью и моментом. Характер нагрузки является ключевым параметром. Также важными являются условия окружающей среды. Инженеры должены быть в курсе тонкостей влияния температуры на выходные характеристики и поведения смазочного материала при низких температурах или при длительном нахождении в условиях повышенной температуры. Вооруженные этой информацией, они могут взвесить все преимущества и недостатки или модифицировать конструкцию двигателя для точного соответствия требованиям устройства.

Обычно все возвращается к вопросу о нагрузке, так как если значение нагрузки известно, можно рассчитать, подходит ли двигатель при наихудших условиях эксплуатации. Если значение нагрузки неизвестно заранее, регулирование параметров двигателя возможно за счет модификации обмотки - изменения количества витков или размера обмоточного провода. Также можно корректировать многие физические параметры двигателя (размер или тип магнитов, длина якоря). Все эти способы позволяют производителю изготавливать двигатели постоянного тока для обеспечения соответствия требованиям заказчика.

Пользователям необходимо иметь реалистичные взгляды в плане своих ожиданий. Это может казаться очевидным, но даже в случае идеальной конструкции двигатель может генерировать лишь ограниченные скорость и момент при заданных значениях напряжения и тока. И хотя использование двигателя часто происходит на повышенной скорости для достижения желаемых характеристик конечного оборудования, это является компромиссом, снижающим срок службы и потенциально ухудшающим точность.

Также важно помнить, что в случае, если двигатель используется с установленным редуктором, его заявленная максимальная скорость будет ниже. В случае установки на двигатель редуктора пользователь обычно хочет использовать его на пониженной скорости. И если впоследствии необхоимо повысить скорость, пользователь решает использовать напряжение выше номинального значения, тем самым достигая нужного уровня выходной скорости на редукторе. Однако, даже если такой вариант окажется приемлемым для самого двигателя, входная скорость на редукторе может оказаться слишком высокой.

Инерция и точность позиционирования тоже представляют собой два конкурирующих фактора. Двигатель с большим ротором может обеспечить больший крутящий момент. Однако, инерция ротора имеющая биквадратичную зависимость от его размеров, может существенно снизить точность позиционирования.

Подбор подходящих параметров двигателя является многофакторным процессом. Упомянутые выше нюансы являются лишь стартовыми моментами и базируются на некоторых упрощениях и допущениях. Заказчик должен тесно работать с производителем двигателя постоянного тока, чтобы получить правильное и наилучшее решение. Используя преимущества разных вариантов конструкции (изменение обмотки, материала щеток и пр.), можно получить точное соответствие выходных параметров заявленным требованиям.