Принцип работы двигателя постоянного тока

Принцип работы коллекторного двигателя постоянного тока

Простые и надежные, коллекторные двигатели постоянного тока обеспечивают высокий момент на небольших скоростях и являются хорошей базой для создания приводов и готовых сервосистем с обратной связью.

Коллекторные двигатели постоянного тока — рабочие лошадки промышленности. Они простые, надежные, экономичные. Эти двигатели обеспечивают хорошую регулировку на малых оборотах и, что более важно, высокий крутящий момент на низких скоростях. В связи с этим, при добавлении закрытого контура обратной связи, они могут успешно использоваться при решении задач управления движением.

Давайте взглянем ближе на базовую теорию коллекторных двигателей постоянного тока. Для более удобного и легкого восприятия статья разбита на две части. В этой первой части рассмотрены базовые законы электродинамики, которые лежат в основе работы коллекторных двигателей постоянного тока.

Простая модель — принцип двигателя постоянного тока

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).

Рис.1а. Магнитное поле проводника с током.

Если вместо одиночного витка проводника мы используем многовитковую катушку (соленоид), поля, генерируемые витками, складываются в более сильное, равномерно распределённое однородное магнитное поле. Линии этого поля ориентированы практически параллельно центральной оси соленоида. Таким образом работают электромагниты.

Рис. 1б. Магнитное поле соленоида.

В простейшем варианте, поворотные двигатели постоянного тока состоят из неподвижного элемента (статора) и вращающегося элемента (ротора — якоря двигателя постоянного тока). И хотя на практике существует множество вариаций, включая вращающийся статор и неподвижный якорь, для упрощения понимания в данной статье мы будем подразумевать цилиндрический внутренний ротор и внешний статор, генерирующий магнитное поле за счет постоянных магнитов. Мы рассмотрим электродвигатель, приводимый в движение за счет взаимного воздействия полей, генерируемых ротором и статором.

От теории к практике — как создать электродвигатель

Каким образом применить имеющиеся знания к созданию реального двигателя? Давайте начнем с простого примера — двухполюсного коллекторного двигателя постоянного тока. Такой мотор включает в себя ротор (якорь) и статор, сформированным двумя разнополюсными постоянными магнитами. Якорь состоит из свободно вращающейся перекладины (рамки), установленной на центральный стержень, который в свою очередь установлен на подшипниках, прикрепленных к корпусу двигателя. Вместо рассмотренного ранее одиночного витка возьмем проводник и обернем его вокруг якоря несколько раз, чтобы сформировать обмотку с обеих сторон, но в разных направлениях. В результате при подключении проводника к источнику питания две обмотки создадут электромагнитные поля с противоположными полярностями.

Магнит можно рассматривать как собрание дипольных моментов, направленных в одну сторону. Подобная модель применима как к постоянным магнитам, так и электромагнитам. Магнитное поле вызывает усилие, направленное по вектору дипольных моментов соленоида. Другими словами, когда мы помещаем якорь в магнитное поле, индуцированное магнитами статора, это поле создает усилие и генерирует момент, вызывающий вращение якоря относительно своей центральной оси.

Рис.2. Схематичное изображение двухполюсного двигателя постоянного тока.

Приведенная простая модель имеет некоторые проблемы. Хотя сила остается постоянной при условии неизменности силы тока и магнитного поля, момент меняется как функция угла поворота θ. Так как якорь двигателя стремится повернуться таким образом, чтобы выровнять полюса обмотки в соответствии с полюсами статора, значение угла θ и sin(θ) падает, в конечном счете приводя момент к нулю. С практической стороны это означает, что якорь останавливается, когда его полюса выравниваются с полюсами магнитов статора. Имея существеннную массу, якорь может проскользнуть положение идеального выравнивания полюсов, но в этом случае образуется отрицательный момент, который вызовет движение в обратную сторону. Возникнет колебание вокруг положения равновесия, и в конечном итоге остановка.

В любом случае, запомним, что направление силы, возникающей по действием магнитного поля, будет определяться направлением тока. Это означает, что реверсирование направления тока в проводнике вызовет реверс действия силы и позволит магнитному полю опять создать момент. Если мы сможем переключить направление тока в момент, когда виток достигнет перпендикулярного положения, то сразу после того, как он отклонится далее под действием силы инерции мимо перпендикулярного положения, поле статора заставит виток поворачиваться далее, генерируя крутящий момент (рис.2). Таков принцип работы двигателя постоянного тока.

Чтобы заставить работать подобную модель, мы должны найти способ изменять направление тока в проводнике. В случае двигателя постоянного тока мы можем осуществить такое преключение добавив в электрический контур коммутатор (преключатель, или коллекторный узел), который будет переключать направление тока. Такой коммутатор состоит из разомкнутого кольца, закрепленного на оси якоря таким образом, чтобы оно двигалось вместе с осью якоря и соединялось с обмотками двигателя (рис.3). Чтобы подключить коммутатор к источнику питания используются щетки. Фактически эти элементы не являются щетками, это пластины из проводящего материала (в большинстве случаев графитовые, но иногда используются также и золотые или серебряные). Эти пластины закрепляются напротив коммутатора с помощью плоских пружин. При повороте якоря двигателя направление тока изменяется на противоположное через каждые 180°, позволяя двигателю продолжать вращение.

Рис.3. Коллектор двигателя постоянного тока

Во второй части статьи «Коллекторные двигатели постоянного тока — реализация моделей» рассмотрены варианты моделей двигателей — их преимущества и недостатки в зависимости от конструктивных исполнений. В частности, рассмотрены отличия двухполюсного и трехполюсного коллекторных двигателей.

Электродвигатели постоянного тока YALU: принцип работы и широкие возможности применения

Среди изготовителей электродвигателей постоянного тока (ДПТ) особое место занимает компания YALU, одна из лидеров в своей сфере. ДПТ — незаменимая запасная часть для электрического транспорта и промышленных приводов, требующих точной регулировки частоты вращения. Сегодня на рынке представлен широкий выбор ДПТ с разнообразными характеристиками, позволяющими подобрать агрегат вне зависимости от поставленных задач.

В чём плюсы электродвигателей YALU

Основная функция электродвигателей постоянного тока — преобразование электрической энергии постоянного тока в механическое непрерывное угловое вращение. В отличие от двигателей переменного тока они обладают возможностью регулировки частоты оборотов в большом диапазоне.

В основе работы ДПТ лежит явление электромагнитной индукции, когда на проводник в магнитном поле действует сила Ампера, вызывающая возникновение крутящего момента, который определяется током, проходящим через обмотки двигателя. Этот момент и используют в практических целях для вращения насосов, вентиляторов, колёс, компрессоров и пр.

Основными деталями ДПТ выступают статор (неподвижная часть) и ротор (вращающаяся часть). Скорость вращения определяется приложенным напряжением постоянного тока. Она может варьироваться от нескольких до тысячи оборотов в минуту. Это расширяет возможности применения ДПТ, которые можно использовать в робототехнике, электронике, автомобилестроении.

Набор для «электрификации» велотранспорта

Электродвигатели YALU обладают всеми преимуществами, которые свойственны ДПТ.

К плюсам агрегатов относятся:

• компактные размеры, особенно у двигателей на постоянных магнитах;
• быстрый запуск за счёт большой величины пускового момента;
• простая эксплуатация, связанная с практически линейными регулировочными и механическими характеристиками;
• плавная регулировка скорости вращения вала;
• возможность применения не только в качестве двигателя, но и как генератора тока.

Важной характеристикой ДПТ выступает мощность, от которой зависит КПД агрегата. Для слабых двигателей КПД составляет около 40 %, а для более мощных (1 МВт) может достигать 96 %.

Сферы применения электродвигателей постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока — наиболее часто используемые приводы для создания непрерывного движения с регулируемой скоростью вращения. Они могут приводить в движение транспортные средства: от игрушечных автомобилей-аттракционов с аккумулятором 12 В до электричек и троллейбусов, где точность регулировки оборотов наглядно демонстрируется плавным разгоном техники. Агрегаты на постоянных магнитах имеют особенно большую плотность мощности, поэтому часто используются в оборонительной отрасли.

Электрический транспорт — одна из самых распространённых сфер применения ДПТ. На них основана работа:

• метро,
• трамваев,
• троллейбусов,
• электровозов,
• пригородных электрических дорог.

Другую сферу применения ДПТ составляют подъёмные механизмы, включая электрические подъёмные краны. Ввиду отсутствия жёстких ограничений по размерам электродвигатели часто остаются незамеченными. Их используют в автомобилестроении: на грузовом транспорте устанавливаются агрегаты с рабочим напряжением от 24 В, а на легковом — 12 В. Здесь ДПТ работают от генератора или АКБ и отвечают за разные функции:

• поднятие-опускание стёкол;
• поддержание в салоне заданной температуры;
• позиционирование сидений;
• управление зеркалами и пр.

Использование электродвигателя на постоянном токе для автоматизированной очистки стёкол

Для применения ДПТ в качестве генератора тока необходимо поменять полярность питания постоянного тока, подаваемого на соединения агрегата. Т. е., нужно изменить направление тока в якоре или обмотке возбуждения. В результате вал будет вращаться в противоположном направлении. Самым простым и недорогим способом управления вращением вала остаются переключатели.

При использовании ДПТ учитывается одна из важнейших характеристик — способ подключения обмотки возбуждения:

• независимый,
• параллельный,
• последовательный,
• смешанный.

В ДПТ с последовательной схемой возбуждения при необходимости можно уменьшить скорость вращения в 2 раза. За это отвечает переменный резистор, который при необходимости включают в цепь возбуждающей обмотки реостата. В двигателях с параллельной схемой для уменьшения оборотов в 2 раз тоже применяют реостат, а для повышения в 4 раза подключают сопротивление.

В двигателях с параллельной схемой для уменьшения оборотов в 2 раз тоже применяют реостат, а для повышения в 4 раза подключают сопротивление

Широкие возможности с электродвигателями постоянного тока

Ввиду разнообразия ассортимента сегодня возможны стабильные поставки электродвигателей постоянного тока YALU для самодвижущейся техники, электротранспорта и других видов техники и промышленного оборудования. В зависимости от задач можно подобрать один мотор или все комплектующие, необходимые для проекта.

Среди ДПТ представлены агрегаты, рассчитанные на напряжение от 12 до 48 В и силу тока до 39 А. Если вам необходима консультация по поводу выбора, обратитесь к представителям «ВКС» через онлайн-форму или свяжитесь по телефону.

Электродвигатели постоянного тока. Устройство и работа. Виды

Электрические двигатели, приводящиеся в движение путем воздействия постоянного тока, применяются значительно реже, по сравнению с двигателями, работающими от переменного тока. В бытовых условиях электродвигатели постоянного тока используются в детских игрушках, с питанием от обычных батареек с постоянным током. На производстве электродвигатели постоянного тока приводят в действие различные агрегаты и оборудование. Питание для них подводится от мощных батарей аккумуляторов.

Устройство и принцип работы

Электродвигатели постоянного тока по конструкции подобны синхронным двигателям переменного тока, с разницей в типе тока. В простых демонстрационных моделях двигателя применяли один магнит и рамку с проходящим по ней током. Такое устройство рассматривалось в качестве простого примера. Современные двигатели являются совершенными сложными устройствами, способными развивать большую мощность.

Главной обмоткой двигателя служит якорь, на который подается питание через коллектор и щеточный механизм. Он совершает вращательное движение в магнитном поле, образованном полюсами статора (корпуса двигателя). Якорь изготавливается из нескольких обмоток, уложенных в его пазах, и закрепленных там специальным эпоксидным составом.

Статор может состоять из обмоток возбуждения или из постоянных магнитов. В маломощных двигателях используют постоянные магниты, а в двигателях с повышенной мощностью статор снабжен обмотками возбуждения. Статор с торцов закрыт крышками со встроенными в них подшипниками, служащими для вращения вала якоря. На одном конце этого вала закреплен охлаждающий вентилятор, который создает напор воздуха и прогоняет его по внутренней части двигателя во время работы.

Принцип действия такого двигателя основывается на законе Ампера. При размещении проволочной рамки в магнитном поле, она будет вращаться. Проходящий по ней ток создает вокруг себя магнитное поле, взаимодействующее с внешним магнитным полем, что приводит к вращению рамки. В современной конструкции мотора роль рамки играет якорь с обмотками. На них подается ток, в результате вокруг якоря создается магнитное поле, которое приводит его во вращательное движение.

Для поочередной подачи тока на обмотки якоря применяются специальные щетки из сплава графита и меди.

Выводы обмоток якоря объединены в один узел, называемый коллектором, выполненным в виде кольца из ламелей, закрепленных на валу якоря. При вращении вала щетки по очереди подают питание на обмотки якоря через ламели коллектора. В результате вал двигателя вращается с равномерной скоростью. Чем больше обмоток имеет якорь, тем равномернее будет работать двигатель.

Щеточный узел является наиболее уязвимым механизмом в конструкции двигателя. Во время работы медно-графитовые щетки притираются к коллектору, повторяя его форму, и с постоянным усилием прижимаются к нему. В процессе эксплуатации щетки изнашиваются, а токопроводящая пыль, являющаяся продуктом этого износа, оседает на деталях двигателя. Эту пыль необходимо периодически удалять. Обычно удаление пыли выполняют воздухом под большим давлением.

Щетки требуют периодического их перемещения в пазах и продувки воздухом, так как от накопившейся пыли они могут застрять в направляющих пазах. Это приведет к зависанию щеток над коллектором и нарушению работы двигателя. Щетки периодически требуют замены из-за их износа. В месте контакта коллектора со щетками также происходит износ коллектора. Поэтому при износе якорь снимают и на токарном станке протачивают коллектор. После проточки коллектора изоляция, находящаяся между ламелями коллектора стачивается на небольшую глубину, чтобы она не разрушала щетки, так как ее прочность значительно превышает прочность щеток.

Виды

Электродвигатели постоянного тока разделяют по характеру возбуждения:

Независимое возбуждение

При таком характере возбуждения обмотка подключается к внешнему источнику питания. При этом параметры двигателя аналогичны двигателю на постоянных магнитах. Обороты вращения настраиваются сопротивлением обмоток якоря. Скорость регулируют специальным регулировочным реостатом, включенным в цепь обмоток возбуждения. При значительном снижении сопротивления или при обрыве цепи ток якоря повышается до опасных величин.

Электродвигатели с независимым возбуждением запрещается запускать без нагрузки или с небольшой нагрузкой, так как его скорость резко возрастет, и двигатель выйдет из строя.

Параллельное возбуждение

Обмотки возбуждения и ротора соединяются параллельно с одним источником тока. При такой схеме ток обмотки возбуждения значительно ниже тока ротора. Параметры двигателей становятся слишком жесткими, их можно применять для привода вентиляторов и станков.

Регулировка оборотов двигателя обеспечивается реостатом в последовательной цепи с обмотками возбуждения или в цепи ротора.

Последовательное возбуждение

В этом случае возбуждающая обмотка подключается последовательно с якорем, в результате чего по этим обмоткам проходит одинаковый ток. Обороты вращения такого мотора зависят от его нагрузки. Двигатель нельзя запускать на холостом ходу без нагрузки. Однако такой двигатель обладает приличными пусковыми параметрами, поэтому подобная схема используется в работе тяжелого электротранспорта.

Смешанное возбуждение

Такая схема предусматривает применение двух обмоток возбуждения, находящихся парами на каждом полюсе двигателя. Эти обмотки можно соединять двумя способами: с суммированием потоков, либо с их вычитанием. В итоге электродвигатель может обладать такими же характеристиками, как у двигателей с параллельным или последовательным возбуждением.

Чтобы заставить двигатель вращаться в другую сторону, на одной из обмоток изменяют полярность. Для управления скоростью вращения мотора и его запуском используют ступенчатое переключение разных резисторов.

Особенности эксплуатации

Электродвигатели постоянного тока отличаются экологичностью и надежностью. Их главным отличием от двигателей переменного тока является возможность регулировки оборотов вращения в большом диапазоне.

Такие электродвигатели постоянного тока можно также применять в качестве генератора. Изменив направление тока в обмотке возбуждения или в якоре, можно изменять направление вращения двигателя. Регулировка оборотов вала двигателя осуществляется с помощью переменного резистора. В двигателях с последовательной схемой возбуждения это сопротивление расположено в цепи якоря и позволяет уменьшить скорость вращения в 2-3 раза.

Этот вариант подходит для механизмов с длительным временем простоя, так как при работе реостат сильно нагревается. Повышение оборотов создается путем включения в цепь возбуждающей обмотки реостата.

Для моторов с параллельной схемой возбуждения в цепи якоря также применяются реостаты для уменьшения оборотов в два раза. Если в цепь обмотки возбуждения подключить сопротивление, то это позволит повышать обороты до 4 раз.

Применение реостата связано с выделением тепла. Поэтому в современных конструкциях двигателей реостаты заменяют электронными элементами, управляющими скоростью без сильного нагревания.

На коэффициент полезного действия мотора, работающего на постоянном токе, влияет его мощность. Слабые электродвигатели постоянного тока обладают малой эффективностью, и их КПД около 40%, в то время, как электродвигатели мощностью 1 МВт могут обладать коэффициентом полезного действия до 96%.

Электродвигатель постоянного тока. Принцип действия и устройство.

На рис. 1-1 представлена простейший электродвигатель постоянного тока, а на рис. 1-2 дано его схематическое изображение в осевом направлении. Неподвижная часть двигателя, называемая индуктор, состоит из полюсов и круглого стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в электродвигателе основного магнитного потока. Индуктор изображенной на рис. 1-1 имеет два полюса 1 (ярмо индуктора на рис. 1-1 не показано).
Вращающаяся часть электродвигателя состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря 2 и коллектора. 3. Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в показанном на рис. 1-1 и 1-2 простейшем электродвигателе имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. На коллектор налегают две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.
Основной магнитный поток в нормальных электродвигателях постоянного тока создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу. Сердечники полюсов и ярмо также изготовляются из ферромагнитных материалов.

Рис. 1-1. Простейший электродвигатель постоянного тока
Рис. 1-2. Работа простейшего электродвигателя постоянного тока в режиме генератора (а) и двигателя (б).

Генератор постоянного тока.

Рассмотрим сначала работу электродвигателя в режиме генератора.

Предположим, что якорь электродвигателя (рис. 1-1 и 1-2, а) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется Э. Д. С., направление которой может быть определено по «правилу правой руки» и показано на рис. 1-1 и 1-2, а. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта Э. Д. С. индуктируется только вследствие вращения якоря и называется Э. Д. С. вращения. В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые Э. Д. С., которые по контуру витка складываются. Частота Э. Д. С. f в двухполюсном электродвигателе равна скорости вращения якоря n, выраженной в оборотах в секунду:
f = n,
а в общем случае, когда машина имеет р пар полюсов с чередующейся полярностью:
f = pn

Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

Двигатель постоянного тока.

Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы и возникнет электромагнитный момент. Величины силы и момента определяются как и для генератора. При достаточной величине Мэм якорь электродвигателя придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент Мэм при этом является движущим и действует в направлении вращения.
Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направления вращения генератора (рис. 1-2, а) и двигателя (рис. 1-2, б) были одинаковы, то направление действия а следовательно, и направление тока у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором (рис. 1-2, б).
В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве механического инвертора тока.
Принцип обратимости. Из изложенного выше следует, что каждый электродвигателя постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью.
Для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно, при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря.
Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.
Аналогичным образом может происходить изменение режима работы также в электродвигателях переменного тока.

Еженедельные отправки по всей России:

Контакты отдела продаж:

Телефон/факс:

+7 (4922) 53-95-25
+7 (4922) 53-96-26
+7 (4922) 53-95-40
Электронная почта:
info@motors33.ru

Принцип работы двигателя постоянного тока и его динамические характеристики

Новости

Обмотка возбуждения ДПТ, расположенная на статоре, находится под постоянным напряжением, чаще всего 110 или 220 В. Оно формирует магнитное поле возбуждения. Правильно рассчитанное поле возбуждения — это основа надежной работы двигателя постоянного тока. Вращающий момент электродвигателя создается при помощи силы Ампера. В зависимости от способа возбуждения, двигатели делятся на несколько категорий. Наиболее простой вариант предусматривает питание обмотки от независимого источника. Второй вариант – параллельный способ возбуждения. В этом случае речь идет о том, что обмотка возбуждения подключается параллельно источнику питания якорной обмотки.

Отличие последовательного типа возбуждения от параллельного заключается в способе подключения обмотки. Завершает список существующих способов возбуждения — смешанное возбуждение. Вне зависимости от модели, запуск двигателя постоянного тока требует определенного превышения стартового напряжения над номинальным. Снизить вероятность преждевременного выхода устройства из строя поможет ступенчатый реостат. Он обеспечивает плавность запуска. Более современным способом обеспечения плавности пуска, управления и регулировкой скорости является тиристорный регулятор оборотов двигателя постоянного тока Если говорить о электродвигателях постоянного тока в целом, список их преимуществ выглядит следующим образом:

• линейный тип характеристик;
• частота вращения зависит от нагрузки на валу и величины напряжения якоря;
• возможность регулировать частоту вращения;
• значительный пусковой момент;
• незначительные габариты.

Для того, чтобы в полной мере оценить преимущества и возможности электродвигателя постоянного тока, необходимо совместно с ним использовать качественный тиристорный привод. Такие производит, например, фирма «Звезда Электроника» www.zvezda-el.ru

Также необходим грамотный подбор электродвигателя. Определенную помощь в этом окажут следующие рекомендации. Класс изоляции – не должен быть ниже F. Повышенное внимание уделяется разрешенному температурному диапазону. Это значит, что для слишком жаркой или холодной температуры окружающей среды нельзя использовать идентичную модель. Помимо этого, значение имеют следующие характеристики:

• высота оси;
• номинальное напряжение якоря;
• номинальная мощность и момент;
• номинальное напряжение и ток возбуждения;
• максимальная частота вращения;
• предельная скорость работы;
• КПД;
• высота установки;
• тип установленной системы охлаждения.

Перед тем как сделать выбор в пользу той или иной модели, формируется техническое задание. В нем перечисляются все требования к двигателю постоянного тока. На основании составленного документа осуществляется подбор агрегата. Его номинальная мощность должна на 15-20% превышать показатели, указанные в техническом задании. Это снизить вероятность преждевременной поломки.

Двигатель постоянного тока

Необходимые знания: Mootorite moodul, Digitaalsed sisendid-väljundid,
Mootorid, Viide

Теория

Двигатели постоянного тока с постоянным магнитом широко распространены в различных приложениях, где важны маленькие размеры, большая мощность и низкая цена. В связи с относительно большой скоростью вращения, их часто используют вместе с редуктором для достижения низкой скорости и увеличения крутящего момента.

Двигатели постоянного тока с постоянным магнитом — это двигатели с простым строением и элементарным управлением. Не смотря на то, что управление легкое, скорость их вращения точно не определяется управляющим сигналом, так как она зависит от многих факторов, прежде всего от нагрузки, прилагаемой на вал и напряжения питания. Соотношение идеального крутящего момента двигателя постоянного тока и скорости — линеарное, что означает, что чем больше нагрузка на вал, тем медленнее скорость и тем больше проходящий в обмотке ток.

HДвигатели постоянного тока со щетками работают на постоянном токе и, в принципе, не нуждается в отдельной управляющей электронике, т.к. вся необходимая коммутация происходит внутри двигателя. Во время работы двигателя на вращающемся коммутаторе ротора скользят две статические щетки и держат обмотки под напряжением. Направление движения вращения устанавливается полярностью напряжения питания. Если управлять двигателем нужно только в одну сторону, то питающий ток можно подать через реле или другим простым включением, а если в обе стороны, то используется электросхема называемая H-мостом.

В H-мосте ток, нужный для вращения двигателя, направляют четыре транзистора (или их группа). Электросхема H-моста напоминает букву H — отсюда и название. Особенность H-моста заключается в возможности применения обоих полярностей двигателя. На рядом находящейся картинке приведена принципиальная схема H-моста на примере выключателей. Если в этой схеме замкнуть два диагонально расположенных выключателя, двигатель начнет работать. Направление вращения зависит от того, в какой диагонали выключатели замыкаются. В реальном H-мосте вместо выключателей используются, конечно, транзисторы, которые выбраны в соответствии с током и напряжением двигателя.

С помощью H-моста можно помимо направления вращения изменять так же и скорость вращения двигателя — для этого следует непрерывно открывать и закрывать транзисторы широтно-импульсной модуляцией (PWM) так, чтобы суммарная энергия, подводимая к двигателю, была где-то между выключенным состоянием и полной мощностью. Открытое время на протяжении всего периода PWM, называют рабочим циклом (в английском языке duty cycle), и обозначают процентами. 0% означает, что транзистор закрыт, т.е. не проводит ток, 100% означает, что транзистор открыт или проводит ток. Частота PWM должна быть достаточно высокой, чтобы избежать вибрации вала двигателя. При низкой частоте двигатель создает так же шум и поэтому в основном используют частоту модуляции выше 20 kHz. С другой стороны эффективность H-моста не настолько хороша при очень высоких частотах. Так же испытывает большую эффективность H-моста при очень большой частоте. Вибрацию вала двигателя так же уменьшают инерция ротора и индуктивность обмотки двигателя.

Для управления маленькими токами имеются H-мосты в виде интегрированного компонента или драйвера, для больших токов используют специальные мощные транзисторы (Power MOSFET). H-мосты и входящую в них электронику называют так же контроллером двигателя.

Примечание: Не путать RC (радиоуправляемый серводвигатель) PWM сигнал с сигналом обычного PWM.

Практика

Используемый в Домашней Лаборатории драйвер L293D двигателя постоянного тока содержит в себе два интегрированных H-моста и защитных диода. Двигатель управляется тремя дигитальными сигналами, одним из которых является общий, разрешающий работу сигнал (на английском языке enable). Два других сигнала обозначают состояние транзисторов H-моста. Два вертикальных транзистора не могут быть никогда открыты, т.к. это замкнет источник питания. Таким образом, драйвер сделан сверхнадежным и выбрать можно только то, который из транзисторов (низкий или высокий) с одной стороны H-моста (полумоста) открыт. Другими словами выбирается полярность с двумя ведущими сигналами, которая прилагается к обоим концам обмотки двигателя.

На плате модуля «Двигатели» Домашней Лаборатории есть возможность подключить до четырех двигателей постоянного тока. Схемы и обучение по подключению находятся в главе модуля «Двигатели». По существу, для каждого двигателя есть H-мост, который управляется двумя дигитальными выходными выводами микроконтроллера, т.к. вывод разрешения постоянно высокий. Если у обоих ведущих выводах одинаковое значение, то двигатель не работает, если значения отличаются, то двигатель вращается в соответствующем направлении. Состояние H-моста характеризует следующая таблица:

Двигателями постоянного тока можно управлять напрямую, манипулируя выводами микроконтроллера входные выводы драйвера двигателя, но в библиотеке Домашней Лаборатории имеются для этого упрощающие функции.

В библиотеке определяются управляющие выводы четырёх микроконтроллеров массивом dcmotor_pins. Перед управлением двигателем нужно вызвать функцию dcmotor_init вместе с цифровым (от 0 до 3) параметром микроконтроллера, который настраивает соответствующие выводы выходом. Для управления имеется функция dcmotor_drive, с помощью которой дается выбранному двигателю негативным параметром direction одно направление вращения, а позитивным параметром другое направление и в случае 0 двигатель останавливается.

Далее приведен пример программы, который управляет первым и вторым двигателем постоянного тока таким образом, что они изменяют направление вращения каждую секунду. Скорость можно изменять, если один управляющий вывод модулировать PWM сигналом.

Бесколлекторный двигатель постоянного тока: особенности и принцип работы

Как работает бесколлекторный двигатель?

Бесколлекторный двигатель постоянного тока имеет на статоре трёхфазную обмотку, и постоянный магнит на роторе. Вращающееся магнитное поле создаётся обмоткой статора, при взаимодействии с которым магнитный ротор приходит в движение. Для создания вращающегося магнитного поля на обмотку статора подаётся система трёхфазных напряжений, которая может иметь различную форму и формируется различными способами. Формирование питающих напряжений (коммутация обмоток) для бесколлекторного двигателя постоянного тока производиться специализированными блоками электроники – контроллером двигателя.

В простейшем случае обмотки попарно подключаются к источнику постоянного напряжения и по мере того как ротор поворачивается в направлении вектора магнитного поля обмотки статора производится подключение напряжения к другой паре обмоток. Вектор магнитного поля статора при этом занимает другое положение и вращение ротора продолжается. Для определения нужного момента подключения следующих обмоток используется датчик положения ротора, чаще других используются датчики Холла.

Возможные варианты и специальные случаи

Выпускаемые сейчас бесколлекторные двигатели могут иметь самую разную конструкцию.

По исполнению статорной обмотки можно выделить двигатели с классической обмоткой, намотанной на стальной сердечник, и двигатели с полой цилиндрической обмоткой без стального сердечника. Классическая обмотка обладает значительно большей индуктивностью, чем полая цилиндрическая обмотка, и соответственно большей постоянной времени. Из-за этого с одной стороны, полая цилиндрическая обмотка допускает более динамичное изменение тока (а, следовательно, и момента), с другой стороны при работе от контроллера двигателя, использующего ШИМ-модуляцию невысокой частоты для сглаживания пульсаций тока, требуются фильтрующие дроссели большего номинала (а соответственно и большего размера). Кроме того, классическая обмотка, как правило, имеет заметно больший момент магнитной фиксации, а также меньший КПД, чем полая цилиндрическая обмотка.

Ещё одно отличие, по которому разделяются различные модели двигателей – это взаимное расположение ротора и статора – существуют двигатели с внутренним ротором и двигатели с внешним ротором. Двигатели с внутренним ротором, как правило, имеют более высокие скорости и меньший момент инерции ротора, чем модели с внешним ротором. Благодаря этому двигатели с внутренним ротором имеют более высокую динамику. Двигатели с внешним ротором часто имеют несколько больший номинальный момент при том же наружном диаметре двигателя.

Отличия от других типов двигателей

Отличия от коллекторных ДПТ. Размещение обмотки на роторе позволило отказаться от щёток и коллектора и избавиться тем самым от подвижного электрического контакта, который значительно снижает надёжность ДПТ с постоянными магнитами. По этой же причине скорость у бесколлекторных двигателей, как правило, значительно выше, чем у ДПТ с постоянными магнитами. С одной стороны это позволяет увеличить удельную мощность бесколлекторного двигателя, с другой стороны не для всех применений такая высокая скорость является действительно необходимой

Отличия от синхронных двигателей с постоянными магнитами. Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе очень похожи на бесколлекторные ДПТ по конструкции, однако есть и ряд различий. Во-первых термин синхронный двигатель объединяет в себе много различных видов двигателей, часть из которых предназначены для непосредственной работы от стандартной сети переменного тока, другая часть (например синхронные серводвигатели) может работать только от преобразователей частоты (контроллеров двигателей). Бесколлекторные двигатели, хотя и имеют на статоре трёхфазную обмотку, не допускают непосредственную работу от сетевого напряжения, и обязательно требуют наличия соответствующего контроллера. Кроме того синхронные двигатели предполагают питание напряжением синусоидальной формы в то время как бесколлекторные двигатели допускают питание переменным напряжением ступенчатой формы (блочная коммутация) и даже предполагают его использование в номинальных режимах работы.

Когда нужен бесколлекторный двигатель?

Ответ на этот вопрос достаточно прост – в тех случаях, когда он имеет преимущество перед остальными типами двигателей. Так, например, практически невозможно обойтись без бесколлекторного двигателя в применениях, где требуются большие скорости вращения: свыше 10000 об/мин. Оправдано применение бесколлекторных двигателей также и в тех случаях, когда требуется высокий срок службы двигателя. В тех случаях, когда требуется применять сборку из двигателя с редуктором, однозначно оправдано применение низкоскоростных бесколлекторных двигателей (с большим числом полюсов). Высокоскоростные бесколлекторные двигатели в этом случае будут иметь скорость выше, чем предельно допустимая скорость редуктора, и по этой причине не будет возможности использовать их мощность полностью. Для применений, где требуется максимально простое управление двигателем (без использования контроллера двигателя) естественным выбором будет коллекторный ДПТ.

С другой стороны, в условиях повышенной температуры или повышенной радиации проявляется слабое место бесколлекторных двигателей – датчики Холла. Стандартные модели датчиков Холла имеют ограниченную стойкость к радиации и диапазон рабочих температур. Если в подобном применении всё же имеется необходимость использовать бесколлекторный двигатель, то неизбежными становятся заказные исполнения с заменой датчиков Холла на более стойкие к указанным факторам, что увеличивает цену двигателя и сроки поставки.