Описание коллекторного ДПТ

По некоторым мнениям этот двигатель можно еще назвать синхронной машиной постоянного тока с самосинхронизацией. Простейший двигатель (рис. 1), являющийся машиной постоянного тока, состоит из постоянного магнита на индукторе (статоре), одного электромагнита с явно выраженными полюсами на якоре (двухзубцового якоря с явно выраженными полюсами и с одной обмоткой), щёточноколлекторного узла с двумя пластинами (ламелями) и двумя щётками.

Простейший двигатель имеет два положения ротора (две «мёртвые точки»), из которых невозможен самозапуск, и неравномерный крутящий момент. В первом приближении магнитное поле полюсов статора равномерное (однородное) и равно:

,

где — число витков обмотки ротора,

— индукция магнитного поля полюсов статора,

— ток в обмотке ротора [А],

— длина рабочей части витка обмотки [м],

— расстояние от оси ротора до рабочей части витка обмотки ротора (радиус) [м],

— синус угла между направлением северный-южный полюс статора и аналогичным направлением в роторе [рад],

— угловая скорость [рад/сек],

— время [сек].

Из-за наличия угловой ширины щёток и углового зазора между пластинами (ламелями) коллектора в двигателе этой конструкции имеются динамически постоянно короткозамкнутые щётками части обмотки ротора. Число короткозамкнутых частей обмотки ротора равно числу щёток. Эти короткозамкнутые части обмотки ротора не участвуют в создании общего крутящего момента.

Суммарная короткозамкнутая часть ротора в двигателях с одним коллектором равна:

,

где — число щёток,

— угловая ширина одной щётки [радиан].

Без учёта короткозамкнутых щётками частей крутящего момента средний крутящий момент рамок (витков) с током за один оборот равен площади под интегральной кривой крутящего момента, делённой на длину периода (1 оборот = ):

.

Рис. 2 Коллекторный двухполюсный двигатель постоянного тока с тремя зубцами на роторе

Двигатель, показанный на рис. 2, состоит из одного электромагнита на статоре (двухполюсного статора) с явно выраженными полюсами и с одной обмоткой, ротора с тремя зубцами и, соответственно, с тремя обмотками (обмотки ротора при такой конструкции могут быть включены звездой (в столь маломощной машине условия коммутации допускают такое соединение) или треугольником), щёточноколлекторного узла с тремя пластинами (ламелями) и с двумя щётками. Самозапуск возможен из любого положения ротора. Имеет меньшую неравномерность крутящего момента, чем двигатель с двухзубцовым ротором (рис. 1).

ДПТ являются обратимыми электрическими машинами, то есть в определённых условиях способны работать как генераторы постоянного тока.

Сокращение ДПТ (двигатель постоянного тока) является неудачным, так как название «двигатель переменного тока» имеет то же сокращение — ДПТ. Но так как двигатели переменного тока разделяются на асинхронные (АД) и синхронные (СД), сокращение ДПТ относят к двигателям постоянного тока.

Статор (индуктор)

На статоре ДПТ располагаются, в зависимости от конструкции, или постоянные магниты (микродвигатели), или электромагниты с обмотками возбуждения (катушками, наводящими магнитный поток возбуждения).

В простейшем случае статор имеет два полюса, то есть один магнит с одной парой полюсов. Но чаще ДПТ имеют две пары полюсов. Бывает и более. Помимо основных полюсов на статоре (индукторе) могут устанавливаться добавочные полюса, которые предназначены для улучшения коммутации на коллекторе.

Ротор (якорь)

Рис. 3 Ротор

Минимальное число зубцов ротора, при котором самозапуск возможен из любого положения ротора — три. Из трёх, кажущихся явно выраженными, полюсов, на самом деле один полюс всё время находится в зоне коммутации, то есть ротор имеет две пары полюсов (как и статор, так как в противном случае работа двигателя невозможна).

Ротор любого ДПТ состоит из многих катушек, на часть которых подаётся питание, в зависимости от угла поворота ротора, относительно статора. Применение большого числа (несколько десятков) катушек, необходимо для уменьшения неравномерности крутящего момента, для уменьшения коммутируемого (переключаемого) тока, и для обеспечения оптимального взаимодействия между магнитными полями ротора и статора (то есть для создания максимального момента на роторе).

При вычислении момента инерции ротора его, в первом приближении, можно считать сплошным однородным цилиндром с моментом инерции, равным:

,

где — масса цилиндра (ротора),

а — радиус цилиндра (ротора).

Коллектор

Основная статья: Щёточно-коллекторный узел

Коллектор (щёточно-коллекторный узел) выполняет одновременно две функции: является датчиком углового положения ротора и переключателем тока со скользящими контактами.

Конструкции коллекторов имеют множество разновидностей.

Выводы всех катушек объединяются в коллекторный узел. Коллекторный узел обычно представляет собой кольцо из изолированных друг от друга пластин-контактов (ламелей), расположенных по оси (вдоль оси) ротора. Существуют и другие конструкции коллекторного узла.

Рис. 4 Графитовые щётки

Щёточный узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе и переключения тока в обмотках ротора. Щётка — неподвижный контакт (обычно графитовый или медно-графитовый).

Щётки с большой частотой размыкают и замыкают пластины-контакты коллектора ротора. Как следствие, при работе ДПТ происходят переходные процессы, в обмотках ротора. Эти процессы приводят к искрению на коллекторе, что значительно снижает надёжность ДПТ. Для уменьшения искрения применяются различные способы, основным из которых является установка добавочных полюсов.

При больших токах в роторе ДПТ возникают мощные переходные процессы, в результате чего искрение может постоянно охватывать все пластины коллектора, независимо от положения щёток. Данное явление называется кольцевым искрением коллектора или «круговой огонь». Кольцевое искрение опасно тем, что одновременно выгорают все пластины коллектора и срок его службы значительно сокращается. Визуально кольцевое искрение проявляется в виде светящегося кольца около коллектора. Эффект кольцевого искрения коллектора недопустим. При проектировании приводов устанавливаются соответствующие ограничения на максимальные моменты (а следовательно и токи в роторе), развиваемые двигателем.

Принцип работы

Принципу работы электродвигателя постоянного тока может быть дано два описания:

1. подвижная рамка (два стержня с замкнутыми концами) с током в магнитном поле статора

или

2. взаимодействие магнитных полей статора и ротора.

Рамка с током, в однородном магнитном поле полюсов статора с индукцией , на два стержня рамки длиной , и с током , действует сила Ампера , постоянной величины, равные:

и направленные в противоположные стороны.

Эти силы прикладываются к плечам , равным:

, где — радиус рамки;

и создают крутящий момент , равный:

.

Для двух стержней рамки, суммарный крутящий момент равен:

.

Практически (из-за того, что угловая ширина щётки (в радианах) немного меньше угловой ширины зазора , между пластинами (ламелями) коллектора, чтобы источник питания не замыкался накоротко) четыре небольших части под кривой крутящего момента, равные:

, где ,

не участвуют в создании общего крутящего момента.

При числе витков в обмотке равном , крутящий момент будет равен:

.

Наибольший крутящий момент будет при угле поворота рамки равном: , то есть при угле 90°.

При этом угле поворота рамки с током, вектора магнитных полей статора и ротора (рамки) будут перпендикулярны друг к другу, то есть под углом 90°. При угле поворота ротора (рамки) равном 180°, крутящий момент равен нулю (из-за нулевого плеча), но силы не равны нулю и это положение ротора (рамки), при отсутствии переключения тока, весьма устойчиво и подобно одному шагу в шаговом двигателе.

Без учёта короткозамкнутых щётками частей крутящего момента средний крутящий момент за один оборот (период) равен площади под интегральной кривой крутящего момента, делённой на длину периода :

.

При витков в обмотке:

.