Перейти к содержанию

Коллекторный двигатель постоянного тока

Моторчики в игрушках, вентиляторах и мотор-редукторах для роботов чаще всего коллекторные: подал постоянное напряжение — вал крутится, поменял полярность — крутится в другую сторону. Драйвер им не обязателен, но нужен для управления скоростью.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Коллекторный двигатель постоянного тока (brushed DC, BDC) — электродвигатель, в котором ток в обмотках вращающегося ротора (якоря) переключается механически: угольные или металлические щётки скользят по коллектору — разрезной медной гильзе на валу. Переключение обмоток, коммутация, происходит само по мере поворота, поэтому двигатель вращается от простого постоянного напряжения.

Устройство

По Microchip AN905 любой коллекторный двигатель состоит из четырёх частей: статора, создающего неподвижное магнитное поле, ротора с обмотками, щёток и коллектора. Полюса ротора притягиваются к противоположным полюсам статора, а коллектор вовремя переключает обмотки, чтобы ротор не останавливался. Щётки и коллектор трутся друг о друга и изнашиваются больше всего. maxon добавляет, что именно коллекторный узел ограничивает максимальную скорость: на высоких оборотах быстрее механический износ и электроэрозия от вибрации щёток и искрения.

Типы по способу возбуждения

ТипКак создано поле статораОсобенность по AN905
PMDCпостоянные магнитысамый распространённый; скорость линейно зависит от напряжения, ток — от момента
Параллельного возбуждения (SHWDC)обмотка параллельно якорюхорошая регулировка скорости, мощные двигатели
Последовательного возбуждения (SWDC)обмотка последовательно с якорембольшой момент под нагрузкой, плохая регулировка скорости
Смешанного возбуждения (CWDC)обе обмоткикомпромисс между двумя предыдущими

В электронике почти всегда встречается PMDC: моторчики игрушек, вентиляторов, мотор-редукторов. Его поведение описывают механическая характеристика и постоянные двигателя.

Управление

Для вращения в одну сторону хватает одного MOSFET-ключа на нижней или верхней стороне и диода параллельно двигателю: при размыкании ключа обмотка даёт выброс, и диод его гасит. Для реверса нужен H-мост. Скорость регулируют ШИМ — AN905 называет это гораздо более экономичным способом, чем резистор последовательно с двигателем. Во вращающемся двигателе возникает противо-ЭДС, пропорциональная скорости, и именно она ограничивает ток на ходу; на старте её нет, и maxon подчёркивает, что пусковой момент и пусковой ток во много раз больше рабочих. Схемы и выбор драйвера — в статье «Управление двигателями постоянного тока».

Частые вопросы

Чем коллекторный двигатель отличается от бесколлекторного?

В коллекторном двигателе ток в обмотках ротора переключают щётки, скользящие по коллектору, поэтому для вращения достаточно подать постоянное напряжение. В бесколлекторном (BLDC) обмотки на статоре, и переключать их должен электронный контроллер по положению ротора. Зато у BLDC нет изнашиваемых щёток.

Зачем диод параллельно коллекторному двигателю?

AN905 объясняет: когда ключ размыкается, обмотка ещё хранит энергию и создаёт обратный выброс, который может повредить MOSFET. Диод замыкает этот ток на себя, поэтому его выбирают по току двигателя.

Как регулировать скорость коллекторного двигателя?

Широтно-импульсной модуляцией напряжения через транзисторный ключ или H-мост. AN905 называет ШИМ гораздо более экономичным способом, чем последовательный переменный резистор, на котором рассеивается лишняя мощность. У двигателя с постоянными магнитами скорость почти линейно зависит от напряжения.

Источники

  1. Microchip. AN905 Brushed DC Motor Fundamentals, DS00905B (2010) — все коллекторные двигатели состоят из статора, ротора (якоря), щёток и коллектора; коммутация механическая — медная разрезная гильза на валу, угольные щётки; щётки и коллектор изнашиваются больше всего; PMDC — самый распространённый тип, магниты со временем теряют свойства, характеристика напряжение — скорость очень линейна, ток линейно зависит от момента; параллельное возбуждение (SHWDC) — отличная регулировка скорости, от 5 л. с.; последовательное (SWDC) — большой момент, плохая регулировка скорости; смешанное (CWDC); ШИМ эффективнее последовательного переменного резистора; ключ на нижней или верхней стороне, диод параллельно двигателю от выброса ЭДС; реверс — H-мост
  2. maxon motor. Key information: maxon DC motor and maxon EC motor (May 2009 edition) — ток холостого хода соответствует моменту трения в подшипниках и коллекторном узле; наибольший момент и ток — при пуске, во много раз больше рабочих; у обмоток с малым сопротивлением допустимый длительный ток может ограничивать щёточный узел; у графитовых щёток потери на трение резко растут с оборотами; максимальная скорость DC-двигателя ограничена в первую очередь коллектором: быстрее механический износ и электроэрозия от вибрации щёток и искрения

Нашли ошибку?

Смотрите также