Коллекторные двигатели постоянного тока - реализация моделей

Это вторая часть вводной статьи, дающей представление о принципах работы коллекторных двигателей постоянного тока. Первая часть "Принцип работы коллекторного двигателя постоянного тока" рассматривает базовые принципы электродинамики, в основе которых лежит работа всех коллекторных двигателей постоянного тока. В этой второй части статьи рассмотрены варианты исполения и конструктивные особенности, приводящие к отличиям работы двигателей постоянного тока.

Реальные двигатели - от модели к реализации

Закон Ампера говорит нам о том, что проводник с током генерирует магнитное поле (B-поле), ориентацию которого можно определить по правилу правой руки: если расположить правую руку так, чтобы большой палец указывал вдоль проводника по направлению тока, и согнуть остальные пальцы, то они будут огибать проводник в направлении линий магнитной поля (см. рис.1).

Рассмотренный в первой части статьи двухполюсный коллекторный двигатель постоянного тока - полезная модель для понимания конструкции и принципа работы двигателя постоянного тока. Они даже могут применяться в определенных устройствах. Но как правило, эти двигатели не очень практичны. В зависимости от относительной ширины щеток, они могут создать короткое замыкание во время скольжения над промежутками между двумя частями коммутатора (коллектора). Расширение зазора таким образом, чтобы щетки не могли перекрыть его, могло бы помочь устранить эту проблему. Но этот способ рассеивает мощность двигателя, так в это время - в момент переключения - система по существу только расходует энергию, не производя при этом никакой полезной работы. Хотя инерция позволяет двигателю продолжать вращение при прохождении точки нулевого момента, если якорь двигателя остановится в этой позиции, он более не сможет стартовать.

Помимо работы коллекторного узла, существуют другие проблемы в основах работы этого типа двигателя. Выходной момент меняется по синусному закону, что означает, что эта величина непостоянная и нелинейная. Вместо генерирования постоянного крутящего момента двигатель выдает циклические колебания (рис.4). В устройствах, чувствительных к точности положения и скорости, таких как устройства управления перемещениями и устройства позиционирования, колебания момента могут представлять существенную проблему.

Решение проблемы - отказ от двухполюсной модели коллекторного двигателя постоянного тока в пользу большего числа полюсов. К примеру, в трехполюсных двигателях все три катушки намотаны в одном направлении, и две из трех обмоток всегда запитаны. Как результат, двигатель может стартовать из любого положения. Такая конструкция двигателя уже не является уязвимой к коротким замыканиям на токосъемнике (скользящем кольце) коллектора, двигатель не расходует энергию не производя полезной работы. Таким образом, увеличив количество полюсов и изменив обмотки, разработчики коллекторных двигателей постоянного тока могут добиться нужных параметров и генерировать магнитные поля, производящие именно такой крутящий момент, который требуется для конкретного устройства.

Вернуться к первой части статьи "Принцип работы коллекторного двигателя постоянного тока".