Что такое коллекторный двигатель: Коллекторный двигатель: виды, принцип работы, схемы

Содержание

Коллекторный двигатель: виды, принцип работы, схемы

В бытовом электрооборудовании, где используются электродвигатели, как правило, устанавливаются электромашины с механической коммутацией. Такой тип двигателей называют коллекторными (далее КД). Предлагаем рассмотреть различные виды таких устройств, их принцип действия и конструктивные особенности. Мы также расскажем о достоинствах и недостатках каждого из них, приведем примеры сферы применения.

Что такое коллекторный двигатель?

Под таким определением подразумевается электромашина, преобразовывающая электроэнергию в механическую, и наоборот. Конструкция устройства предполагает наличие хотя бы одной обмотки подсоединенной к коллектору (см. рис. 1).

Рисунок 1. Коллектор на роторе электродвигателя (отмечен красным)

В КД данный элемент конструкции используется для переключения обмоток и в качестве датчика, позволяющего определить положение якоря (ротора).

Виды КД

Классифицировать данные устройства принято по типу питания, в зависимости от этого различают две группы КД:

  1. Постоянного тока.
    Такие машины отличаются высоким пусковым моментом, плавным управлением частоты вращения и относительно простой конструкцией.
  2. Универсальные. Могут работать как от постоянного, так и переменного источника электроэнергии. Отличаются компактными размерами, невысокой стоимостью и простотой управления.

Первые, делятся на два подвида, в зависимости от организации индуктора он может быть на постоянных магнитах или специальных катушках возбуждения. Они служат для создания магнитного потока, необходимого для образования вращательного момента. КД, где используются катушки возбуждения, различают по типам обмоток, они могут быть:

  • независимыми;
  • параллельными;
  • последовательными;
  • смешанными.

Разобравшись с видами, рассмотрим каждый из них.

КД универсального типа

На рисунке ниже представлен внешний вид электромашины данного типа и ее основные элементы конструкции. Данное исполнение характерно практически для всех КД.

Конструкция универсального коллекторного двигателя

Обозначения:

  • А – механический коммутатор, его также называют коллектором, его функции были описаны выше.
  • В – щеткодержатели, служат для крепления щеток (как правило, из графита), через которые напряжение поступает на обмотки якоря.
  • С – Сердечник статора (набирается из пластин, материалом для которых служит электротехническая сталь).
  • D – Обмотки статора, данный узел относится к системе возбуждения (индуктору).
  • Е – Вал якоря.

У устройств данного типа, возбуждение может быть последовательным и параллельным, но поскольку последний вариант сейчас не производят, мы его не будем рассматривать. Что касается универсальных КД последовательного возбуждения, то типовая схема таких электромашин представлена ниже.

Схема универсального коллекторного двигателя

Универсальный КД может работать от переменного напряжения благодаря тому, что когда происходит смена полярности, ток в обмотках возбуждения и якоря также меняет направление.

В результате этого вращательный момент не изменяет своего направления.

Особенности и область применения универсальных КД

Основные недостатки данного устройства проявляются при его подключении к источникам переменного напряжения, что отражается в следующем:

  • снижение КПД;
  • повышенное искрообразование в щеточно-коллекторном узле, и как следствие, его быстрый износ.

Ранее КД широко применялись, во многих бытовых электроприборах (инструмент, стиральные машины, пылесосы и т.д.). На текущий момент производители практически престали использовать данный тип двигателей отдав предпочтение безколлекторным электромашинам.

Теперь рассмотрим коллекторные электромашины, работающие от источников постоянного напряжения.

КД с индуктором на постоянных магнитах

Конструктивно такие электромашины отличаются от универсальных тем, что вместо катушек возбуждения используются постоянные магниты.

Конструкция коллекторного двигателя на постоянных магнитах и его схема

Этот вид КД получил наибольшее распространение по сравнению с другими электромашинами данного типа. Это объясняется невысокой стоимостью вследствие простоты конструкции, простым управлением скорости вращения (зависит от напряжения) и изменением его направления (достаточно изменить полярность). Мощность двигателя напрямую зависит от напряженности поля, создаваемого постоянными магнитами, что вносит определенные ограничения.

Основная сфера применения – маломощные приводы для различного оборудования, часто используется в детских игрушках.

КД на постоянных магнитах с игрушки времен СССР

К числу преимуществ можно отнести следующие качества:

  • высокий момент силы даже на низкой частоте оборотов;
  • динамичность управления;
  • низкая стоимость.

Основные недостатки:

  • малая мощность;
  • потеря магнитами своих свойств от перегрева или с течением времени.

Для устранения одного из основных недостатков данных устройств (старения магнитов) в системе возбуждения используются специальные обмотки, перейдем к рассмотрению таких КД.

Независимые и параллельные катушки возбуждения

Первые получили такое название вследствие того, что обмотки индуктора и якоря не подключаются друг к другу и запитываются отдельно (см. А на рис. 6).

Рисунок 6. Схемы КД с независимой (А) и параллельной (В) обмоткой возбуждения

Особенность такого подключения заключается в том, что питание U и UK должны отличаться, в противном случае н возникнет момент силы. Если невозможно организовать такие условия, то катушки якоря и индуктора подключается параллельно (см. В на рис. 6). Оба вида КД обладают одинаковыми характеристиками, мы сочли возможным объединить их в одном разделе.

Момент силы у таких электромашин высокий при низкой частоте вращения и уменьшается при ее увеличении. Характерно, что токи якоря и катушки независимы, а общий ток является суммой токов, проходящих через эти обмотки. В результат этого, при падении тока катушки возбуждения до 0, КД с большой вероятностью выйдет из строя.

Сфера применения таких устройств – силовые установки с мощностью от 3 кВт.

Положительные черты:

  • отсутствие постоянных магнитов снимает проблему их выхода из строя с течением времени;
  • высокий момент силы на низкой частоте вращения;
  • простое и динамичное управление.

Минусы:

  • стоимость выше, чем у устройств на постоянных магнитах;
  • недопустимость падения тока ниже порогового значения на катушке возбуждения, поскольку это приведет к поломке.

Последовательная катушка возбуждения

Схема такого КД представлена на рисунке ниже.

Схема КД с последовательным возбуждением

Поскольку обмотки включены последовательно, то ток в них будет равным. В результате этого, когда ток в обмотке статора становится меньше, чем номинальный (это происходит при небольшой нагрузке), уменьшается мощность магнитного потока. Соответственно, когда нагрузка увеличивается, пропорционально увеличивается мощность потока, вплоть до полного насыщения магнитной системы, после чего эта зависимость нарушается. То есть, в дальнейшем рост тока в обмотке катушки якоря не приводит к увеличению магнитного потока.

Указанная выше особенность проявляется в том, что КД данного типа непозволительно запускать при нагрузке на четверть меньше номинальной. Это может привести к тому, что ротор электромашины резко увеличит частоту вращения, то есть, двигатель пойдет «в разнос». Соответственно, такая особенность вносит ограничения на сферу применения, например, в механизмах с ременной передачей. Это связано с тем, что при ее обрыве электромашина начинает работать в холостом режиме.

Указанная особенность не распространяется на устройства, чья мощность менее 200 Вт, для них допустимы падения нагрузки вплоть до холостого режима работы.

Преимущества КД с последовательной катушкой, такие же, как у предыдущей модели, за исключением простоты и динамичности управления. Что касается минусов, то к ним следует отнести:

  • высокую стоимость в сравнении с аналогами на постоянных магнитах;
  • низкий уровень момента силы при высокой частоте оборотов;
  • поскольку обмотки статора и возбуждения подключены последовательно, возникают проблемы с управлением скоростью вращения;
  • работа без нагрузки приводит к поломке КД.

Смешанные катушки возбуждения

Как видно из схемы, представленной на рисунке ниже, индуктор на КД данного типа обладает двумя катушками, подключенных последовательно и параллельно обмотке ротора.

Схема КД со смешанными катушками возбуждения

Как правило, одна из катушек обладает большей намагничивающей силой, поэтому она считается, как основная, соответственно, вторая – дополнительная (вспомогательная). Допускается встречное и согласованное включение катушек, в зависимости от этого интенсивность магнитного потока соответствует разности или сумме магнитных сил каждой обмотки.

При встречном включении характеристики КД становятся близкими к соответствующим показателям электромашин с последовательным или параллельным возбуждением (в зависимости от того, какая из катушек является основной). То есть, такое включение актуально, если необходимо получить результат в виде неизменной частоты оборотов или их увеличению при возрастании нагрузки.

Согласованное включение приводит к тому, что характеристики КД будут соответствовать среднему значению показателями электромашин с параллельными и последовательными катушками возбуждения.

Единственный недостаток такой конструкции – самая высокая стоимость в сравнении с другими типами КД. Цена оправдывается благодаря следующими положительными качествами:

  • не устаревают магниты, за отсутствием таковых;
  • малая вероятность выхода из строя при нештатных режимах работы;
  • высокий момент силы на низкой частоте вращения;
  • простое и динамичное управление.

Коллекторный двигатель: устройство, управление, регулирование

Мы часто встречаемся с электродвигателями. Они обеспечивают работу бытовой и строительной техники, являются составной частью производственного оборудования. Немалая часть устройств имеет в составе коллекторный двигатель. Это один из простых и недорогих движков, который имеет хорошие характеристики. Именно этим, да ещё невысокой ценой, обусловлена его популярность. 

Содержание статьи

Что такое коллекторный двигатель и его особенности

Коллектором называют часть двигателя, контактирующую со щётками. Этот узел обеспечивает передачу электроэнергии в рабочую часть агрегата. Коллекторным называется двигатель, у которого хотя бы одна обмотка ротора соединена со щётками и коллектором. Коллекторные электродвигатели бывают:

  • постоянного тока;
  • переменного тока;
  • универсальные.

Коллекторный двигатель может быть постоянного и переменного тока. Есть универсальные модели, которые могут работать от источника напряжения любого типа

Последние универсальные, работают как от постоянного, так и от переменного тока. Они сохраняют популярность, даже несмотря на то, что наличие щёток отрицательный момент, так как щётки стираются и искрят. За этим узлом требуется постоянное наблюдение, техническое обслуживание. К плюсам коллекторных двигателей относят возможность плавной регулировки скорости в широких пределах, невысокую стоимость.

Как и другие электромоторы, коллекторный состоит из статора и ротора (часто называют «якорь»). Его отличительной чертой является наличие на валу коллекторного узла, через который на машину передаётся электропитание. Устройство коллекторных моторов постоянного и переменного тока похожи, но имеют определённые отличия, потому рассмотрим подробнее их по отдельности.

Общее устройство коллекторных двигателей

Как и любой электродвигатель, коллекторный преобразует электрическую энергию в механическую. Он состоит из неподвижной части – статора и подвижной – ротора. В статоре располагаются обмотки возбуждения, ротор отвечает за передачу возникающей механической энергии. Одна из составляющих частей ротора – вал. С одной стороны, на валу размещён коллекторный узел, с помощью которого на обмотки ротора передаётся электрическая энергия.

Коллекторный двигатель: устройство

Статор состоит из корпуса, который защищает компоненты мотора от повреждений. Сверху и снизу корпуса крепятся магнитные полюса. Они необходимы для поддержания магнитного потока между статором и ротором.

Ротор коллекторного двигателя

Ротор коллекторного двигателя состоит из вала, на который насаживается сборный магнитопровод. С одной стороны, на вал крепится коллекторный узел, с другой, лопасти вентилятора. Для обеспечения лёгкого вращения и для фиксации в корпусе на вал с двух сторон надеваются подшипники. Для нормальной работы электродвигателя, необходимо чтобы ротор был отлично сбалансирован. Потому к изготовлению этой части подходят особенно скрупулёзно.

Подвижная (вращающаяся) часть

Роторная обмотка

Сердечник ротора собирается из металлических пластин, отштампованных из магнитного металла. Толщина пластин 0,35-0,5 мм, каждая из них залита слоем диэлектрического лака, для избавления от паразитных токов. Пластины по внешнему краю имеют пазы, в которые затем укладываются витки медной проволоки. Эти пластины насаживаются на вал и закрепляются на нём, собирается пакет требуемого размера. Эта система является магнитопроводом.

Так выглядит ротор коллекторного двигателя

В пазы магнитопровода укладывается витки медного обмоточного провода. Выходы обмоток выводятся на коллекторный узел, где и происходит их переключение.

Как устроен коллекторный узел и как он работает

Коллекторный узел стоит рассмотреть подробнее. Иначе понять, как вращается ротор, сложно. Коллектор имеет цилиндрическую форму и набран из медных пластин (иногда называют ламелями), которые изолированы друг от друга слюдяными или текстолитовыми прокладками. Нет электрического контакта и с осью вала, к которому  он крепится.

Коллектор имеет вид цилиндра, который набран из медных пластин. Пластины сделаны в виде секторов, разделены диэлектрическими прокладками

Получается, коллектор собран из медных секторов и без обмотки электрически друг с другом не связанных. К каждой пластине коллектора крепится вывод одной рамки обмотки ротора. К плоскости двух противоположных рамок коллектора прижимается две щетки. Они плотно прилегают к поверхности медной пластины коллектора, что даёт хороший контакт. На эти щётки подаётся потенциал, который и передаётся в тот виток обмотки ротора, который подключён к этим пластинам.

К парным пластинам коллектора прижимаются графитовые щетки

Так как ротор с некоторой скоростью вращается, одна пара пластин сменяется другой. Таким образом, напряжение передаётся на все обмотки ротора. При этом возникающие друг за другом поля поддерживают вращение ротора, «проталкивая» его в нужном направлении.

Принцип работы

Вот теперь, после того как рассмотрели устройство ротора, можно поговорить о том, как работает коллекторный двигатель. Собственно, принцип действия не отличается от других моторов, ротор начинает вращаться в магнитном поле благодаря наведенным на нём токам. Но как именно и почему эти тока наводятся? Для понимания надо вспомнить, как возникает электродвижущая сила в постоянном магнитном поле. Если в поле постоянного магнита ввести прямоугольную рамку, под действием возникающего в ней тока она начинает вращение. Направление вращения определяется по правилу буравчика. Для постоянного поля оно гласит так, если ввести правую руку в поле так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, вытянутые пальцы укажут направление движения.

Иллюстрация к пояснению принципа работы коллекторного двигателя постоянного тока

Если посмотреть на устройство ротора, то видим, что каждая обмотка представляет собой такую рамку. Только состоит она не из одного провода, а из нескольких, но сути это не меняет. При помощи коллекторного узла, в какой-то момент времени, обмотка подключается к питанию, по ней протекает ток и вокруг проводника возникает магнитное поле. Оно взаимодействует с полем статора. В зависимости от типа, стоят там постоянные магниты или тоже протекает постоянный ток в обмотках, генерируя на полюсах собственное магнитное поле. Поля ротора и статора рассчитаны так, что при взаимодействии они «проталкивают» ротор в нужном направлении. Вот, коротко и без особых подробностей описание работы коллекторного двигателя постоянного тока.

Обмотки на роторе подключаются к пластинам коллектора. Когда с пластинами контактируют щетки, получаем замкнутый контур, по которому течет ток

Если немного вдуматься, можно понять, почему коллекторный двигатель позволяет легко и плавно регулировать скорость. Чем больше напряжение подается на обмотки ротора, тем более мощное поле генерирует статор, тем сильнее их взаимодействие и быстрее крутится ротор, так как его толкают с большей силой. Если напряжение уменьшить, взаимодействие меньше, результирующая скорость вращения тоже. Так что все что нужно регулировать напряжение, а это может даже простой потенциометр (переменное сопротивление).

Достоинства и недостатки

Как водится, начнём с перечисления плюсов. Достоинства коллекторных электромоторов такие:

  • Простое устройство.
  • Высокая скорость до 10 000 об/мин.
  • Хороший крутящий момент даже на малых оборотах.
  • Невысокая стоимость.
  • Возможность регулировать скорость в широких пределах.
  • Невысокие пусковые токи и нагрузки.

Схема коллекторного двигателя

Неплохие качества, но есть и недостатки, причём они не менее серьёзные. Минусы коллекторных электродвигателей такие:

  • Высокий уровень шумов при работе. Особенно на высоких скоростях. Щетки трутся о коллектор, дополнительно создавая шумы.
  • Искрение щёток, их износ.
  • Необходимость частого обслуживания коллекторного узла.
  • Нестабильность показателей при изменении нагрузки.
  • Высокая частота отказов из-за наличия коллектора и щёток, малый срок службы этого узла.

В целом, коллекторный двигатель неплохой выбор, иначе его не ставили бы на бытовой технике. Справедливости ради стоит сказать, что при нормальном качестве исполнения, работают такие двигатели годами. Могут и 10-15 лет проработать без проблем.

Коллекторный двигатель постоянного тока с магнитами

В коллекторных двигателях постоянного тока постоянное магнитное поле обеспечивают:

  • постоянные магниты;
  • обмотки возбуждения.

Магниты и обмотки располагаются на корпусе статора, и чаще всего, вверху и внизу. Если говорить о маломощных моторах, то более популярны коллекторные двигатели с постоянными магнитами. Они проще в производстве, дешевле, быстро реагируют на изменение напряжения, что позволяет плавно регулировать скорость. Недостаток моторов с постоянными магнитами является их невысокая мощность, а еще то, что со временем или при перегреве магниты теряют свои свойства и это приводит к ухудшению характеристик двигателя.

Устройство коллекторного двигателя постоянного тока

 

Такие моторы имеют небольшую мощность, от единиц до сотен Ватт. Они используются в технике, для которой важна плавная регулировка скоростей. Это обычно детские игрушки, некоторые виды бытовой техники (в основном вентиляторы). Недостатком коллекторного мотора с магнитами является постепенная потеря мощности, магниты со временем становятся слабее, и без того небольшая мощность падает. Но в последнее время появились новые магнитные сплавы с большой магнитной силой, позволяющие создавать двигатели с большой мощностью.

С обмотками возбуждения

Коллекторные двигатели постоянного тока с обмотками возбуждения нашли более широкое применение. От двигателей этого типа работает аккумуляторный электроинструмент: болгарки, дрели, шуруповерты т.д. Обмотки возбуждения делают из изолированного медного провода (в лаковой оболочке). В качестве основы используются канавки в полюсных наконечниках. На них как на основу наматываются обмотки.

Коллекторный двигатель с системой обмоточного возбуждения

Если посмотреть на устройство коллекторного двигателя, мы видим два несвязанных между собой устройства, ротор и обмотки возбуждения. От способа их подключения зависят характеристики и свойства двигателя. Различают четыре способа соединения ротора и обмоток возбуждения. Эти способы называют способами возбуждения. Вот они:

  • Независимое. Возможно только если напряжения на обмотке возбуждения и на якоре неравны (бывает очень редко). Если они равны, используется схема параллельного возбуждения.
  • Параллельное. Хорошо регулируется скорость, стабильная работа на низких оборотах, постоянные характеристики, независимы от времени. К недостаткам подключения этого типа относится нестабильность двигателя при падении тока индуктора ниже нуля.
  • Последовательное. При таком подключении нельзя включать двигатель с нагрузкой на валу ниже 25% от номинальной. При отсутствии нагрузки скорость вращения сильно возрастает, что может разрушить двигатель. Потому с ременной передачей такой тип подключения не используют, при обрыве ремня мотор разрушается. Схема последовательного возбуждения имеет высокий момент на низких оборотах, но не слишком хорошо работает на высоких, управлять скоростью сложно.
  • Смешанное. Считается одним из лучших. Хорошо управляется, имеет высокий крутящий момент на низких оборотах, редко выходит из-под контроля. Из недостатков самая высокая цена по сравнению с другими типами.

Способы подключения обмоток возбуждения

Коллекторные двигатели постоянного тока могут иметь КПД от 8-10% до 85-88%. Зависит от типа подключения. Но высокопродуктивные отличаются высокими оборотами (тысячи оборотов в минуту, реже сотни) и низким моментом, так что они идеальны для вентиляторов. Для любой другой техники используют низкооборотистые модели с малым КПД, либо к продуктивным моделям добавляют редуктор, другого решения пока не нашли.

Универсальные коллекторные двигатели

Несмотря на то, что коллекторный узел можно назвать самым слабым местом электродвигателя, подобные модели нашли широкое применение. Все благодаря невысокой цене и легкости управления скоростью. Коллекторные двигатели переменного тока стоят практически в любой бытовой технике, как крупной, так и мелкой. Миксеры, блендеры, кофемолки, строительные фены, даже стиральные машины (привод барабана).

Универсальный коллекторный двигатель работает от постоянного и переменного напряжения

По строению универсальные коллекторные двигатели не отличаются от моделей постоянного тока с обмотками возбуждения. Разница, безусловно есть, но она не в устройстве, а в деталях:

  • Схема возбуждения всегда последовательная.
  • Магнитные системы ротора и статора для компенсации магнитных потерь делают шихтованного типа (единая система без сплошных разрезов).
  • Обмотка возбуждения состоит из нескольких секций. Это необходимо, чтобы режимы работы на постоянном и переменном напряжении были схожи.

Работа коллекторных электродвигателей универсального типа основана на том, что если одновременно (или почти одновременно) поменять полярность питания на обмотках статора и ротора, направление результирующего момента останется тем же. При последовательной схеме возбуждения полярность меняется с очень небольшой задержкой. Так что направление вращения ротора остается тем же.

Достоинства и недостатки

Хотя универсальные коллекторные двигатели активно используются, они имеют серьёзные недостатки:

  • Более низкий КПД при работе на переменном токе (если сравнивать с работой на постоянном такого же напряжения).
  • Сильное искрение коллекторного узла на переменном токе.
  • Создают радиопомехи.
  • Повышенный уровень шума при работе.

Во многих моделях строительной техники

Но все эти недостатки нивелируются тем, что при частоте питающего напряжения в 50 Гц они могут вращаться со скоростью 9000-10000 об/мин. По сравнению с синхронными и асинхронными двигателями это очень много, максимальная их скорость — 3000 об/мин. Именно это обусловило использование этого типа моторов в бытовой технике. Но постепенно они заменяются современными бесщеточными двигателями. С развитием полупроводников их производство и управление становится всё более дешёвым и простым.

Устройство и отличия от бесколлекторного двигателя

Большое количество оборудования имеет силовые установки, работающие от электрической сети питания. Коллекторный двигатель это силовая установка, преобразующая  электрическую энергию в физическую силу. Отличие коллекторного двигателя от бесколлекторного состоит в наличии коллекторно-щеточного узла.

Виды коллекторных двигателей

В зависимости от источника тока, к которому подключается мотор, коллекторные установки делят на два вида:

  • Работающий от источника постоянного тока. Используются в автомобилях, самоходной технике, детских игрушках и т.д. Отличаются простотой конструкции. Подключаются только к источнику постоянного тока;
  • Универсальный коллекторный двигатель. Работает как от постоянного, так и от переменного тока. Применяется в бытовых электрических приборах.

СПРАВКА: Универсальный коллекторный силовой агрегат  отличается простотой конструкции и небольшими габаритно массовыми параметрами. Благодаря этому может быть использован в качестве силовой установки ручного инструмента.

В зависимости от максимальной мощности силовые установки делятся на три типа:

  1. Небольшой мощности. Используются в детских игрушках, аудио – видеотехнике и т.д. Напряжение питания таких установок составляет от 1.5 до 9 Вольт. Оси якоря устанавливаются на специализированные втулки. Они играют роль подшипников скольжения. Токопроводящие щетки выполнены в виде двух пластин;
  2. Средней мощности. Якорь устанавливается на втулках или подшипниках. Применяются на автомобильной и самоходной технике. Напряжение питания составляет от 12 до 24 вольта;
  3. Высокой мощности. Отличаются высокими показателями мощности и наличием электрических магнитов.

Устройство коллекторного двигателя

Для того чтобы понять как работает коллекторный двигатель, необходимо разобраться в его конструкции. Независимо от вида силового агрегата он состоит из следующих основных элементов:

  • Якорь. Состоит из металлического вала,  на который установлены обмотки. Вал устанавливается на подшипниках скольжения или качения в корпусе мотора. Якорь является движущейся частью мотора, которая передаёт крутящий момент к необходимому оборудованию;
  • Коммутатор (коллектор). Необходим для определения положения якоря. Располагается на роторе. Выполнен в виде медных контактов трапециевидного сечения;

  • Щётки. Изготовлены из графита. Щетки используются для подачи напряжения к обмоткам ротора;
  • Держатели щёток. Изготавливаются из металла или пластика. Держатели щёток устанавливаются на корпус мотора при помощи не проводящих ток прокладок. Такая конструкция исключает  подачу напряжения на корпус мотора;

ВАЖНО: Щётки или держатели оснащаются пружинами. Они необходимы для прижимания щетки к коллектору во время работы силовой установки.

  • Подшипники. На небольших моторах используются пластиковые или металлические втулки. Мотор оборудован двумя подшипниками. Они необходимы для нормального вращения вала якоря;
  • Сердечник статора. Изготавливается из большого количества металлических пластин;
  • Обмотки. Необходимы для создания магнитного поля.

Принцип работы коллекторного двигателя

Коллекторный двигатель переменного тока 220 Вольт и мотор постоянного тока, преобразуют электрическую энергию в физическую силу. Создание физической силы осуществляется путём раскручивания якоря, установленного на двух подшипниках в корпусе мотора.

Ротор и статор силового агрегата имеют обмотки. Они изготовлены из провода. Во избежание замыкание витков обмотки между собой провод выполнен в изолирующей оболочке. Напряжение подается на обмотку статора при помощи провода.

Якорь коллекторного мотора подвижный. Для передачи напряжения на обмотку якоря используется коллектор.

Он выполнен в виде медных контактов. На них передаётся напряжение через графитовые щетки. Такая конструкция позволяет передавать напряжение на обмотку якоря независимо от скорости его вращения.

При прохождении электрического тока через обмотки возникает магнитное поле. Обмотка якоря имеет магнитное поле противоположной полярности полю обмотки статора. Под воздействием электромагнитных полей разной полярности якорь двигателя начинает вращаться.

ВНИМАНИЕ: Коллекторный двигатель может быть использован в качестве генератора постоянного тока.

Варианты обмоток возбуждения

Подключить коллекторный двигатель постоянного тока можно несколькими способами. Возбуждение мотора зависит от способа подключения обмоток.

  • Независимое подключение. Обмотки мотора постоянного тока подключаются отдельно. Для подключения используется два источника постоянного тока. Обмотка статора оснащается реостатом. Он необходим для установки необходимой частоты вращения ротора. Обмотка  ротора оборудуется пусковым реостатом. Он нужен для контроля над силой тока в обмотке ротора при запуске силовой установки;
  • Параллельное подключение. Питание обмоток якоря и статора осуществляется от одного и того же источника питания. Обмотки оснащены регуляторами;
  • Последовательно-соединенное. Электродвигатель такой конструкции имеет обмотку статора, последовательно подключенную с обмоткой якоря. Ротор может быть оснащен регулятором, необходимым для ограничения силы тока при запуске. Статор оснащается реостатом, регулирующим в частоту вращения вала.

ВАЖНО: Использование коллекторного мотора с последовательным подключением без нагрузки, может привести  к выходу его из строя.

  • Смешанное возбуждение. Данная конструкция использует две катушки подключенные параллельно, и последовательно одновременно.

Преимущества и недостатки коллекторного двигателя

Однофазный коллекторный двигатель переменного тока или аналогичный работающий от источника постоянного тока имеют плюсы и минусы.

Плюсы

  1. Однофазный мотор коллекторного типа ( универсальный), можно подключить к любой сети питания. Такая конструкция позволяет использовать мотор от источника питания переменного тока, без использования выпрямителей;
  2. В отличие от бесколлекторных двигателей, модели с коллекторами имеют небольшие размеры. Это позволяет использовать силовые установки  для монтажа на электрический инструмент, детские игрушки, и т.п;
  3. Небольшая сила тока при запуске. Позволяет использовать моторы от бытовой сети питания;
  4. Простота регулировки вращения вала ротора. Для управления оборотами применяется реостат. При выходе из строя регулятора, мотор останется работоспособным;

Недостатки

  1. Необходимость регулярного обслуживания. Графитовые щетки при длительной работе стираются. Необходимо вовремя менять щетки на новые. Нарушение этого правила может привести к выходу из строя коллектора;
  2. Отсутствие стабильности показателей мощности. При изменении нагрузки на якорь показатели мощности силового агрегата могут изменяться.

Возможные поломки и способы их ремонта

В результате работы коллекторного двигателя могут возникнуть неисправности. Большинство из них самостоятельно сможет устранить человек не имеющий специализированных технических знаний и оборудования. Ниже представлены наиболее часто возникающие неисправности.

Повышенный шум при работе узла. Сильный уровень шума при работе мотора может свидетельствовать о выходе из строя подшипников, на которые установлен якорь.

При выходе из строя подшипников качения необходимо заменить изношенные детали новыми.

Износ щёток. Критическая изношенность щёток сопровождается повышенным уровнем шума при работе. Несвоевременная замена может привести к поломке коллектора. При возникновении неисправности необходимо заменить графитовые щётки. При выборе щёток необходимо обратить внимание на их толщину. Новые детали не должны застревать в держателях.

Отсутствие вращения якоря при подключении мотора к сети питания. Отсутствие вращения может возникнуть в результате обрыва цепи питания. Обрыв может произойти в результате поломки пружины прижимающей щётку к коллектору или при обрыве провода. При поломке пружины необходимо заменить ее новой деталью. При обрыве провода необходимо восстановить его целостность.

Отсутствие вращения ротора может возникнуть в результате выхода из строя предохранителя. Для восстановления работоспособности необходимо установить новый предохранитель. Перед установкой предохранителя необходимо определить причину, по которой старое устройство вышло из строя. После устранения причины можно установить предохранитель и провести испытание двигателя.

Отсутствие регулировки вращения вала якоря. После запуска агрегат работает на максимальных оборотах. Такая неисправность возникает в результате поломки реостата. Для восстановления работоспособности двигателя необходимо заменить регулятор.

Медленное вращение ротора. Снижение частоты вращения вала может возникнуть в результате низкого напряжения в сети питания. Необходимо проверить напряжение. Снижение оборотов якоря может быть спровоцировано высокой нагрузкой. Необходимо снизить нагрузку на якорь.

Из вышеперечисленного следует, что коллекторный мотор  преобразовывает электрическую энергию в физическую силу. Для передачи напряжения к обмоткам якоря используются щётки. Моторы отличаются простотой конструкции и небольшими габаритно массовыми параметрами.

В чем разница между коллекторными и бесколлекторными моторами?

Вступление

Наверняка у каждого новичка, который впервые связал свою жизнь с электромоделями на радиоуправлении, после тщательного изучения начинки, появляется вопрос. Что такое коллекторный (Brushed) и бесколлекторный (Brushless) двигатель? Какой из них лучше поставить на свою радиоуправляемую электромодель?

Коллекторные моторы, которые так часто используются для приведения в движение электромоделей на радиоуправлении, имеют всего два исходящих питающих провода. Один из них «+» другой « — ». В свою очередь они подключаются к регулятору скорости вращения. Разобрав коллекторный мотор, вы всегда там найдете 2 магнита изогнутой формы, вал совместно с якорем, на который намотана медная нить (проволока), где по одну сторону вала стоит шестерня, а по другую сторону располагается коллектор, собранный из пластин, в составе которых чистая медь.

Принцип работы коллекторного мотора

Электрический ток (DC или direct current), поступая на обмотки якоря (в зависимости от их количества на каждую по очереди) создает в них электромагнитное поле, которое с одной стороны имеет южный полюс, а с другой стороны северный.

Многие знают, что, если взять два любых магнита и приставить их одноименными полюсами друг другу, то они не за что не сойдутся, а если приставить разноименными, то они прилипнут так, что не всегда возможно их разъединить.

Так вот, это электромагнитное поле, которое возникает в любой из обмоток якоря, взаимодействуя с каждым из полюсов магнитов статора, приводит в действие (вращение) сам якорь. Далее ток, через коллектор и щетки переходит к следующей обмотке и так последовательно, переходя от одной обмотки якоря к другой, вал электродвигателя совместно с якорем вращается, но лишь до тех пор, пока к нему подается напряжение.

В стандартном коллекторном моторе якорь имеет три полюса (три обмотки) – это сделано для того чтобы движок не «залипал» в одном положении.

Минусы коллекторных моторов

Сами по себе коллекторные моторы неплохо справляются со своей работой, но это лишь до того момента пока не возникает необходимость получить от них на выходе максимально высокие обороты. Все дело в тех самых щетках, о которых упоминалось выше. Так как они всегда находятся в плотном контакте с коллектором, то в результате высоких оборотов в месте их соприкосновения возникает трение, которое в дальнейшем вызовет скорый износ обоих и в последствии приведёт к потере эффективной мощности эл. двигателя. Это самый весомый минус таких моторов, который сводит на нет все его положительные качества.

Принцип работы бесколлекторного мотора

Здесь все наоборот, у моторов бесколлекторного типа отсутствуют как щетки так и коллектор. Магниты в них располагаются строго вокруг вала и выполняют функцию ротора. Обмотки, которые имеют уже несколько магнитных полюсов, размещаются вокруг него. На роторе бесколлектоных моторов устанавливается так называемый сенсор (датчик) который будет контролировать его положение и передавать эту информацию процессору который работает в купе с регулятором скорости вращения (обмен данными о положении ротора происходит более 100 раз в секунду). На выходе мы получаем более плавную работу самого мотора с максимальной отдачей.

Бесколлекторные моторы могут быть с датчиком (сенсором) и без него. Отсутствие датчика незначительно снижает эффективность работы мотора, поэтому их отсутствие вряд ли расстроит новичка, но зато, приятно удивит ценник. Отличить друг от друга их просто. У моторов с датчиком, помимо 3-х толстых проводов питания есть еще дополнительный шлейф из тонких, которые идут к регулятору скорости. Не стоит гнаться за моторами с датчиком как новичку так и любителю, т.к их потенциал оценит только профи, а остальные просто переплатят, причем значительно.

Плюсы бесколлекторных моторов

Почти нет изнашиваемых деталей. Почему «почти», потому что вал ротора устанавливается на подшипники, которые в свою очередь имеют свойство изнашиваться, но ресурс у них крайне велик, да и взаимозаменяемость их очень проста. Такие моторы очень надежны и эффективны. Устанавливается датчик контроля положения ротора. На коллекторных моторах работа щеток всегда сопровождается искрением, что впоследствии вызывает помехи в работе радиоаппаратуры. Так вот у бесколлектоных, как вы уже поняли, эти проблемы исключены. Нет трения, нет перегрева, что так же является существенным преимуществом. По сравнению с коллекторными моторами не требуют дополнительного обслуживания в процессе эксплуатации.

Минусы бесколлекторных моторов

У таких моторов минус только один, это цена. Но если посмотреть на это с другой стороны, и учесть тот факт что эксплуатация бесколлекторных моторов освобождает владельца сразу от таких заморочек как замена пружин, якоря, щеток, коллекторов, то вы с легкостью отдадите предпочтение в пользу последних.

Устройство коллекторного электродвигателя: детали и схема автоподстройки

Чаще статор коллекторного двигателя снабжен двумя полюсами. Безотносительно, пылесос, кухонный комбайн, стиральная машина. Коллекторные двигатели поддаются регулировке, обладают приемлемыми стартовыми характеристиками, контрастируя большинству асинхронных. Для простых граждан недостаток один: шумность. Поэтому в холодильниках, вентиляторах ставится асинхронный двигатель. На вытяжках любые встретим. Рассмотрим устройство коллекторного двигателя.

Внешний вид коллекторного двигателя

Крышка отсека щетки

Новичков волнует вопрос – способ идентификации коллекторного двигателя. Проще простого. Посмотрите фото болгарки, сделано специально для портала ВашТехник: боковины корпуса демонстрируют крышечки из изоляционного материала под шлицевую отвертку. Потрудившись открутить, внутри видим контактные площадки, пружина графитовой щетки. Ключевой признак коллекторного двигателя. Электрический инструмент снабжается приспособлениями быстрой замены графита, который считается расходным материалом.

Контактная площадка и пружина графитовой щётки

Щетки коллекторного двигателя

В коробке прилагается запасной комплект. Фото крупным планом показывает запасные щетки. Каждая включает:

  1. Графитовый электрод. Форма широко варьируется в зависимости от типа двигателя. Графит точат надфилями, напильниками, получая заданные размеры. Не критично. Главное, избежать больших зазоров, форма держателя специально создана снизить люфт. Графитовый электрод стачивается, увеличивается искрение вплоть до появления кругового огня. Коллекторный двигатель сильно разогревается, дымится. Процесс может лицезреть настойчивый зритель Ютуба (см. англоязычный домен).
  2. Контактная латунная площадка служит для подсоединения питания. В бытовых инструментах чаще 230 вольт с одной оговоркой: часть периода синусоиды отсечена. Позволяет регулировать скорость (болгарки забудьте). Больше угол отсечки, ниже скорость движения вала. Регуляторная схема сформирована тиристором, подстраивается переменным резистором.
  3. Пружина протянута меж контактной площадкой и графитовым электродом. Служит целям прижатия. В результате графитовый электрод скользит, обегая коллектор, одновременно смазывая поверхность. Сопротивление щеток, показанных рисунком близко 7 Ом, сопоставимо с обмотками. На переменном токе расклад меняется. Наделенное индуктивностью сопротивление обмоток резко растет, щетки остаются прежними. Графит играет роль ограничительных резисторов, благодаря углероду, ток ротора бессилен подняться выше 15 А.
  4. Ключевой частью щеток назовем тросик высокой гибкости, составленный медными нитями. Хорошо гнется, по мере стачивания графитовой щетки процессом эксплуатации легко растягивается, достигая нужных размеров.

Запасные щетки

У коллекторного двигателя всегда имеются щетки. У некоторых асинхронных моторов присутствуют токосъемники, не делящиеся на секции (реже стоит коллекторный стартер, касается синхронных двигателей). Щеточный аппарат отличается конструкцией от демонстрируемого коллекторным двигателем. Асинхронный мотор выдает сравнительно тихая работа.

Щетки легко раскалываются вибрациями. Одна из причин, почему коллекторные двигатели в промышленности стараются не применять (сложно найти трехфазные модели). Вторая – токосъёмники легко забиваются пылью, требуя регулярной чистки. Впрочем, проблема наблюдается у асинхронных машин с фазным ротором. В последнем случае графитом обычно не пахнет. Итак, рассматриваем сегодня коллекторный однофазный электродвигатель.

Варисторы коллекторного двигателя

Коллекторные двигатели наделены одним неприятным свойством: искрят. Вызывает сильные помехи, идущие обратно в сети снабжения, главное не это. Искрение приводит к невыгодным условиям эксплуатации двигателя. Нужно гасить дугу варисторами. Корпус элементов чаще округлый, с двумя ножками. Одна (см. фото) присоединяется к контактной площадке щетки (непосредственно, посредством латунных переходников), вторая припаивается к корпусу.

Варистор системы защиты двигателя

Варисторов два, защищают коллекторный двигатель с обеих сторон. Механика работы следующая:

  • Повышенная нагрузка вала вызывает сильное искрение, потенциал щетки может значительно превышать среднее действующее значение 230 вольт.
  • Варисторы парно пробиваются, замыкают излишек на корпус, ток поглощается толщей металла, рассеиваясь тепловыми потерями.

Схему считаем бесполезной с точки зрения КПД. Мощность теряется даром. Известен фактор, использующий искрение на пользу.

Схема автоподстройки оборотов коллекторного двигателя

Тиристорная схема подстройки оборотов коллекторного двигателя

Уровень искрения определен скоростью вращения. Допустим, нагрузка вала мясорубки увеличилась. Обороты временно понижаются. Уровень искрения меняется, вызывая отклик специальной тиристорной схемы управления оборотами. Ключ изменяет угол отсечки напряжения, компенсируя действие нагрузки. Тиристорная схема, показанная фото, контролировала кухонный комбайн Philips. Видим массу защитных реле, не позволяющих включить прибор при открытых крышках, в разобранном виде.

Главной частью схемы выступает тиристор. На снимке отыщем по небольшому металлическому пластинчатому радиатору. Схема по цепочке обратной связи получает информацию о силе искрения, при помощи нее же происходит задание оборотов. Для реализации указанных функций плата содержит парочку переменных резисторов:

  1. Полукруглое сопротивление с крестообразной головкой послужит целям подстройки рабочего режима тиристора. Значение задается углом поворота лабораторией завода, в процессе эксплуатации изменению оператором не подлежит.
  2. Второй резистор переменный. Шлицевая головка связана с ручкой, красующейся на панели управления корпуса. Задается скорость вращения вала. Делается чаще ступенчато.

Сообразно назначению двигателя, питается сложным образом. Коричневый, белый проводки уходят на щетки ротора, прочими тремя задается режим скорости путем подпитки определенного числа витков катушек статора.

Коллектор двигателя, обмотки, сердечник

Внешний вид коллектора

Название тип двигателей получил, благодаря наличию коллектора. Посмотрите фото: видим на валу массивный медный барабан, разделенный секциями: коллектор. Сформирован 24-х ламелями. К каждой подходит конец предыдущей и начало следующей обмотки. Идут, перекрещиваясь. Каждая обмотка ложится сразу на две соседние в круге ламели. Как понятно из сказанного, суммарное количество катушек равняется числу секций коллектора (24). Расположены в два слоя, первый лежит на поверхности в нишах сердечника, второй прячется внутри.

На одной половине оборота направление поля обмотки, допустим, положительное, на второй – отрицательное. Смена происходит в момент пересечения щеткой двух ламелей, к которым подходят концы катушки. Правильное распределение углов относительного положения щеток, полюсов статора, сдвига намотки якоря обеспечивает рациональную передачу мощности. Наибольшим моментом в данную долю секунды обладает катушка, перпендикуляр плоскости которой максимально приближен полюсу статора.

Сердечник и обмотки

Сердечник сформирован 12-ю секциями. Каждая катушка наматывается через четыре провала. Например, занимает первую, шестую ниши. И так далее, по кругу, образуется четыре катушки. Следовательно, при намотке следует соблюдать аналогичный порядок. Важно правильно задать угол меж (двумя) контактными ламелями, куда подходят окончания провода, и плоскостью перпендикуляра катушки. Примерно 45 градусов, щетки расположены к полюсам статора примерно под этим же углом.

Катушки совершенно одинаковой длины, выполняются проводом единого сечения, протяженности. Коллектор считается симметричной конструкцией. Добавим к этому, мотор может питаться переменным и постоянным током. Устройство коллекторного электродвигателя таково, что в катушках направление поля меняется два раза за оборот. Означает, при питании постоянным током внутри процессы таковыми не являются.

Сердечник сформирован тонкими пластинами электротехнической стали, спрессованными, разделенными изоляционным лаком. Коллекторные электродвигатели переменного тока генерируют магнитное поле на статоре, разогревающее сталь. Причинами выступают вихревые токи, эффект перемагничивания. Температура быстро идет вверх. На основе явления действуют индукционные плиты. Разделение сердечника пластинами позволит снизить значимость перемагничивания вихревыми токами. Коллекторные электродвигатели постоянного тока намного проще, КПД выше.

Имеется второе отличие. При питании постоянным током для создания требуемой напряженности магнитного поля статора хватает меньшего количества витков. Поэтому во многих случаях (как и в нашем) обмотка делится двумя частями. Питание идет переменным током (требуется получить максимум оборотов) – в работу включаются все витки. В противном случае – определенная доля. Становится возможным подключение коллекторных электродвигателей к источнику питания. Важно, потому что многие асинхронные машины подобного обращения не терпят.

Статор коллекторного двигателя

Статор коллекторного двигателя

Порядком затронули тему, рассказали, что обмотка статора делится на две части, сердечник собирается пластинами электротехнической стали, избегая вносить потери перемагничивания, вихревых токов. Осталось добавить: полюсов обычно два – северный, южный. Почему? В противном случае понадобилась бы иная конструкция ротора, коллектора.

Полюсы статора сдвинуты на некоторый угол относительно щеток пространственно. Сложно сказать, зачем в точности делается. Для описанной конструкции коллекторного двигателя изменять нельзя, углом сдвига щеток относительно полюсов статора и способом намотки задается правильное распределение полей. Часто неудовлетворительное, тогда выполняют компенсацию.

Принцип действия коллекторного электродвигателя достигает наилучшей фазы путем использования дополнительных обмоток статора. В их задачи входит исправление формы поля. Дополнительные обмотки меньше основных, число аналогичное, расположены меж главными полюсами. Компенсация реактивной ЭДС не требует большой напряженности поля. Витков дополнительных полюсов меньше, сердечник часто сплошной (снижает стоимость изготовления конструкции). Сечение провода часто демонстрирует вид полосы.

Преобладающая часть бытовой техники использует принцип работы коллекторного электродвигателя. В состав реальных приборов часто входят устройства контроля и защиты. В нашем случае термореле серии 3MP корейской фирмы Klixon. В исходном варианте приматывалось к обмотке посредством изоляционной ленты. Часто встретим аналогичного рода термопредохранители, датчики частоты оборотов. Без этого не работает стиральная машина (режим взвешивания белья).

Термореле

Обзор заканчиваем, надеемся, повествование вышло интересным, про вращающееся магнитное поле речь велась не раз, не видим смысла повторяться.

Коллекторный двигатель - что это? :: SYL.ru

С давних времен люди поняли, что если не хочешь лично прилагать к чему-то усилие, то необходимо найти себе замену. Так, телеги тянули лошади, на мельницах работали ослики, а корабли по морю гнал ветер. Но с того времени много воды уплыло, и люди даже смогли придумать кое-что современней. И таким чем-то современным является коллекторный двигатель, о котором и будет идти речь. Будут рассмотрены разновидности, схематический вид, методы регулировки количества оборотов, а также достоинства и недостатки при их эксплуатации.

Что называют коллекторным двигателем?

Коллекторным двигателем называется электрическая машина, датчик положения ротора и переключатель тока в которой - это одно и то же устройство, называемое щеточно-коллекторным узлом. Про последний можно рассказать дополнительно. Он обеспечивает электрическое соединение цепей в неподвижной части машины с цепями ротора. Конструктивно он состоит из щеток (под ними понимаются скользящие контакты, которые расположены вокруг вращающейся части двигателя) и коллектора (то, что находится на движимом элементе механизма).

К общим достоинствам можно отнести то, что коллекторный двигатель прост в изготовлении и эксплуатации, имеет значительный ресурс использования и легко может быть отремонтирован. К общим недостаткам причисляют то, что они имеют малую массу и большой коэффициент полезного действия. В большинстве случаев это только плюс, но не сейчас. Так, соединение низкой массы и быстроходности (которая достигает сотен и тысяч оборотов в минуту) приводит к тому, что для нормальной работы почти всегда требуются редукторы. А при перестройке на низкую скорость машина имеет пониженный КПД, и возникают проблемы с охлаждением. Пока изящного решения этой проблемы найти не удалось.

Разновидности коллекторного двигателя

Существует два основных типа, каждый из них имеет свои преимущества и особенности. Очень распространёнными и разнообразными являются коллекторные электродвигатели постоянного тока. Их конструкции можно поделить на такие подтипы:

  1. Самые слабые, рабочее напряжение которых 3-9 Вольт, и которые применяются в детских игрушках. Имеют двухполюсной статор, в котором установлены постоянные магниты. Коллекторный узел сконструирован из двух щеток, в качестве которых обычно применяются медные пластины. В отличие от статора, у этих двигателей ротор имеет три полюса. Установлен он на подшипники скольжения. Мощность таких механизмов измеряется в нескольких единицах Ватт.
  2. Средние двигатели имеют рабочее напряжение 12 или 24 вольта. Используются в автомобилях, рабочих станках, в вентиляционных системах охлаждения. Генерируют мощность в несколько десятков ватт. Имеют многополюсной ротор, который работает уже на подшипниках качения. Коллекторный узел состоит из 4 щеток (как правило, уже графитовых). Статор имеет четыре полюса, но состоит все так же из постоянных магнитов.
  3. Существуют ещё двигатели, которые могут генерировать мощность, которая исчисляется сотнями Ватт. Единственное отличие от конструкции, описанной в пункте 2, состоит в том, что для статора используются электромагниты.

Но кроме таких представителей есть ещё универсальные коллекторные электродвигатели. Их особенность в том, что они могут работать как на постоянном, так и на переменном токе. Используются они в электроинструментах, бытовой технике и железнодорожном транспорте в составах, которые ездят благодаря электровозам. Их распространенность объясняется малым размером и весом, относительно низкой ценой и возможностью легко отрегулировать количество оборотов. Благодаря тому что это коллекторный двигатель переменного тока, он может работать и с нестабильными источниками энергии в разумных границах.

Схематический вид коллекторного двигателя

Одной общепринятой схемы нет. То, что вы видите, это всего один из вариантов. Схема коллекторного двигателя может быть построена так, как захочется. Есть только требования к тому, что должно быть в рамках рабочего чертежа: статор и ротор. Коллекторный двигатель переменного тока также должен оснащаться предохранителем, который не позволит ему сгореть.

Как регулировать количество оборотов?

Изменения возможны, если используется регулятор оборотов коллекторного двигателя. Различие количества подаваемой электроэнергии может изменить их количество всего на 10 процентов, плюс-минус. Тогда как регулятор оборотов коллекторного двигателя позволяет уменьшать их в разы, и его можно сделать самому или купить. И в любом случае вам необходимо проверить, сможет ли он работать в механизме такой мощности и таких оборотов (сначала теоретически, а потом и на практике). Ведь если регулятор будет слишком слабым, то выйти из строя для него будет плевым делом.

Достоинства и недостатки

Достоинства, которые имеет коллекторный двигатель:

  1. Малый пусковой ток, что желательно для бытовых устройств.
  2. Универсальные двигатели могут включаться в сеть напрямую, без выпрямления. Но это относится только к ним. Двигатели постоянного тока требуют выпрямления.
  3. Легче сделать управляющую схему.
  4. Быстроходность.
  5. Больший пусковой момент.
  6. Компактность схемы даже с использование редуктора.

Недостатки:

  1. Нестабильное значение мощности, которое дают обороты коллекторного двигателя, когда изменяется нагрузка.
  2. Относительно малая надежность и срок службы.
  3. Из-за потерь индуктивности и перемагничивания статора может понижаться КПД.

Безколлекторный аналог

По механической характеристике самым близким является вентильный электродвигатель. В нём главным является инвертор, а не щеточно-коллекторный узел. Но общим недостатком этой конструкции является более низкий максимальный момент при одинаковых габаритах.

Что такое бесщеточный двигатель и как он работает?

Цепная пила EGO: бесщеточный двигатель увеличивает срок службы батареи.

Что такое бесщеточный двигатель и как он работает? На эти вопросы мы ответим в этой статье.

В наш современный век электрических инструментов и гаджетов неудивительно, что бесщеточные двигатели становятся все более распространенными в продуктах, которые мы покупаем. Хотя бесщеточный двигатель был изобретен в середине 19 века, только в 1962 году он стал коммерчески выгодным.

Бесщеточные двигатели - это синхронные электродвигатели, которые вращаются электронно. В них используются магниты постоянного тока для перемещения ротора внутри статора. Вместо щеток и коммутатора в двигателях используется контроллер шагового двигателя. Он создает вращение, которое, в свою очередь, преобразует электрическую энергию в механическую, в отличие от щеточного или обычного двигателя.

История обычного щеточного двигателя

Обычный щеточный двигатель был автоматическим выбором там, где регулирование крутящего момента или скорости было требованием до 1980-х годов.Его история восходит к работам Майкла Фарадея 1830-х годов. Его работа по определению того, может ли провод с током создавать вокруг себя круговое магнитное поле, увенчалась успехом.

Другие ученые, такие как Уильям Стерджен и Джозеф Генри, основавшие свою работу на экспериментах Фарадея, привели к рождению хорошо зарекомендовавшей себя конструкции щеточного двигателя постоянного тока.

Основное применение обычных двигателей для железнодорожной тяги, сталепрокатных заводов, робототехники и принтеров.

Они имеют относительно широкий диапазон выходной мощности от нескольких мегаватт до нескольких ватт, как те, которые используются в строительных игрушках.

Обычный двигатель прост и дешев в производстве, но имеет несколько проблем, которые делают его хуже бесщеточного двигателя.

  • Скорость двигателя ограничена щетками.
  • Щетки со временем изнашиваются и, следовательно, требуют периодической замены и обслуживания.
  • Трение, вызванное механическим контактом щеток, приводит к электрическим потерям, износу контактов и накоплению тепла, что значительно снижает производительность двигателя, а также снижает его срок службы.
  • С помощью щеток ограничьте количество полюсов, которое может иметь якорь.
  • Двигатель сложнее охладить, так как электромагнит находится в центре двигателя.

Бесщеточные двигатели все чаще заменяют щеточные двигатели из-за их превосходной эффективности, плавной передачи крутящего момента, высокой прочности и высокой скорости работы. Их применение в прошлом было сильно ограничено из-за дополнительных затрат на сложный контроллер двигателя, необходимый для управления двигателем.

Бесщеточные двигатели и щеточные двигатели.

Основной принцип работы обоих двигателей во многом схож. Когда обмотки двигателя находятся под напряжением, создается временное магнитное поле, которое отталкивается или притягивается к постоянным магнитам.

Произведенная сила затем преобразуется во вращение вала, заставляющего двигатель работать. Во время вращения вала электрический ток направляется к разным обмоткам, таким образом, поддерживая электродвижущее притяжение и отталкивание, которые заставляют ротор непрерывно вращаться.

Бесщеточные двигатели более эффективны в преобразовании электрической энергии в механическую, чем щеточные двигатели. В них отсутствует коммутатор, который позволяет сократить техническое обслуживание и сложность, а также снизить уровень электромагнитных помех.

Они могут развивать высокий крутящий момент, хорошую скорость отклика и легко управляются с помощью MCU (Motor Control Unit).

Они также работают в широком диапазоне скоростей, что позволяет точно контролировать движение и удерживать крутящий момент в неподвижном состоянии.

Если вы хотите узнать больше, это хороший выбор, чтобы расширить свои знания.

Итак, чем отличаются бесщеточные двигатели от щеточных двигателей?

Бесщеточные и щеточные двигатели в основном различаются по конструкции.

Щетки в щеточных двигателях используются для подачи тока на обмотки через контакты коммутатора.

Однако для бесщеточных двигателей не требуются коммутаторы. Поле в двигателе переключается через усилитель, который запускается коммутирующим устройством.Примером может служить оптический энкодер, который измеряет точные перемещения, поскольку они не зависят от фаз двигателя.

Обмотки щеточного двигателя расположены на роторе, тогда как в бесщеточном двигателе они расположены на статоре. Путем размещения обмоток на статоре или неподвижной части двигателя необходимость в щетках может быть устранена.

В двух словах, основное различие между бесщеточным двигателем и щеточным двигателем состоит в том, что вместо неподвижных магнитов и вращающихся проводов (щеточных) в бесщеточном двигателе используются неподвижные провода и вращающийся магнит.Основное преимущество заключается в том, что бесщеточный двигатель не имеет трения, что снижает нагрев и увеличивает общую эффективность.

Фантастический справочник по электродвигателям.

Общие области применения бесщеточного двигателя

Бесщеточные двигатели используются вместо различных типов двигателей переменного тока. Это значительно снижает мощность, необходимую для работы устройств. Это увеличивает общую эффективность устройства. В небольших устройствах с батарейным питанием используются бесщеточные двигатели для повышения эффективности привода и, следовательно, увеличения срока службы батарей.

В роботизированных пылесосах, где требуется контроль скорости MCU, используется бесщеточный двигатель. Он обеспечивает двунаправленную работу и обеспечивает высокий крутящий момент, а также низкий уровень шума.

Мелкая бытовая техника, как правило, производится в очень больших объемах. Поэтому одно из важнейших требований - экономичность. Поэтому бесщеточный двигатель постоянного тока предпочтительнее щеточного двигателя. Это позволяет снизить цены на устройства и в то же время сохранить качество продукции.

Малый вес и высокая выходная мощность бесщеточного двигателя желательны для производства ручных инструментов, таких как снегоочистители и бензопилы. Они содержат минимальные части, такие как коммутатор, поворотные части и контактные кольца, которые способствуют увеличению его веса.

Бесщеточные двигатели также используются в нескольких приложениях, таких как жесткие диски, насосы, вентиляторы, кофеварки, фены, миксеры и проигрыватели CD / DVD с переменной и регулируемой скоростью.

Сравните производительность сверл

Преимущества бесщеточного двигателя:

  • Отсутствие щеток обеспечивает низкое трение во время работы двигателя и снижает тепловыделение, что увеличивает срок службы двигателя. мотор.
  • Минимальный нагрев и износ двигателя из-за отсутствия механического контакта с двигателем значительно улучшают передачу мощности и электрический КПД, что приводит к увеличению производительности и мощности.
  • Повышенный КПД бесщеточного двигателя помогает продлить срок службы батареи до 50% и более.
  • Нет искры, и двигатель производит меньше электрического шума.
  • Отвод тепла лучше, так как статор, на котором расположены обмотки, соединен с корпусом.

Недостатки бесщеточного двигателя:

Первоначальная стоимость двигателя высока из-за необходимости коммутирующих устройств, таких как энкодер и контроллер или привод.

Почему бесщеточные двигатели - лучший выбор?

Бесщеточный двигатель обеспечивает большую надежность и эффективность благодаря небольшому весу и размеру по сравнению с щеточными двигателями.

КПД бесщеточного двигателя обычно составляет 85–90%, а коэффициент полезного действия щеточного двигателя 75–80%. Значительная разница в эффективности означает, что большая часть общей мощности, потребляемой двигателем, преобразуется во вращательную силу, и, следовательно, меньше энергии теряется в виде тепла.

Матовый двигатель постоянного тока

Дмитрий Левкин

Щеточный электродвигатель постоянного тока - это вращающаяся электрическая машина постоянного тока, которая преобразует электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию, в которой по крайней мере одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, подключена к коммутатору.

Рисунок 1 - Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами в секции

Ротор - вращающаяся часть электрической машины.

Статор - неподвижная часть двигателя.

Индуктор (система возбуждения) является частью коммутатора постоянного тока или синхронной машины, создающей магнитный поток для образования крутящего момента. Индуктор включает в себя либо постоянные магниты , либо обмотку возбуждения . Индуктор может быть частью как ротора, так и статора. В двигателе, показанном на рис. 1, система возбуждения состоит из двух постоянных магнитов и является частью статора.

Якорь - часть коммутатора постоянного тока или синхронной машины, в которой индуцируется электродвижущая сила и протекает ток нагрузки [2]. В качестве якоря может выступать как ротор, так и статор. В двигателе, показанном на рис. 1 ротор представляет собой якорь.

Щетки - это часть электрической цепи, по которой электрический ток передается от источника питания на якорь. Кисти изготавливаются из графита или других материалов. Двигатель постоянного тока содержит одну пару щеток или более.Одна из двух щеток подключена к положительной, а другая - к отрицательной клемме источника питания.

Коммутатор - это часть двигателя, контактирующая со щетками. С помощью щеток и коммутатора электрический ток распределяется по катушкам обмотки якоря [1].

В зависимости от конструкции статора щеточный двигатель может быть с постоянными магнитами и с намотанным статором.

Двигатель постоянного тока с постоянным магнитом

Схема двигателя постоянного тока с постоянным магнитом

Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами (двигатель с постоянным магнитом) является наиболее распространенным среди щеточных двигателей постоянного тока.Индуктор этого двигателя включает в себя постоянные магниты, которые создают магнитное поле статора. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами обычно используются в задачах, не требующих высокой мощности. Двигатели с постоянным постоянным током дешевле в производстве, чем двигатели постоянного тока с возбуждением от возбуждения. При этом крутящий момент двигателя PMDC ограничен полем постоянных магнитов статора. Двигатель PMDC очень быстро реагирует на изменения напряжения. Благодаря постоянному полю статора легко контролировать скорость двигателя.Недостатком двигателя постоянного тока с постоянными магнитами является то, что со временем магниты теряют свои магнитные свойства, в результате чего поле статора уменьшается, а характеристики двигателя ухудшаются.

    Преимущество:
  • лучшее соотношение цена / качество
  • высокий крутящий момент при низкой скорости
  • быстрый отклик напряжения
    Недостаток:
  • Постоянные магниты со временем, а также под воздействием высоких температур теряют свои магнитные свойства

Электродвигатель постоянного тока с возбуждением от возбуждения

Схема электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением

Схема электродвигателя постоянного тока с шунтовой обмоткой

Схема электродвигателя постоянного тока серии

Схема электродвигателя постоянного тока с комбинированной обмоткой

Двигатели с независимым возбуждением и с параллельной обмоткой

В электродвигателях с независимым возбуждением обмотка возбуждения электрически не связана с обмоткой якоря (рисунок выше).Обычно напряжение возбуждения U FW отличается от напряжения в цепи якоря U. Если напряжения равны, то обмотка возбуждения включается параллельно обмотке якоря. Использование в электроприводе электродвигателя с независимым возбуждением или с параллельной обмоткой определяется схемой электропривода. Свойства (характеристики) этих двигателей одинаковы [3].

В электродвигателях постоянного тока с шунтирующей обмоткой и щетками токи обмотки возбуждения (индуктора) и якоря не зависят друг от друга, а общий ток двигателя равен сумме тока обмотки возбуждения и тока якоря.Во время нормальной работы, увеличение напряжения питания увеличивает общий ток двигателя, что приводит к увеличению полей статора и ротора. С увеличением общего тока двигателя скорость также увеличивается, а крутящий момент уменьшается. Когда нагрузка двигателя увеличивается. , ток якоря увеличивается, в результате чего поле якоря увеличивается. По мере увеличения тока якоря ток индуктора (обмотки возбуждения) уменьшается, что приводит к уменьшению поля индуктора, что приводит к снижению скорости двигателя и увеличению крутящего момента.

    Преимущество:
  • почти постоянный крутящий момент на малых оборотах
  • хорошие установочные свойства
  • без потери магнетизма со временем (поскольку нет постоянных магнитов)
    Недостаток:
  • дороже, чем двигатель PMDC
  • двигатель выходит из-под контроля, если ток индуктора падает до нуля

Двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой имеет характеристику крутящий момент / скорость с уменьшением крутящего момента на высоких скоростях и высоким, но более постоянным крутящим моментом на низких скоростях.Ток в обмотке индуктора и якоре не зависит друг от друга, таким образом, полный ток электродвигателя равен сумме токов индуктора и якоря. В результате этот тип двигателя имеет отличные характеристики регулирования скорости. Щеточный электродвигатель постоянного тока с шунтирующей обмоткой обычно используется в приложениях, требующих мощности более 3 кВт, в частности, в автомобильной промышленности и промышленности. По сравнению с двигателем с постоянным постоянным током, двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой не теряет со временем своих магнитных свойств и является более надежным.Недостатками электродвигателя постоянного тока с шунтирующей обмоткой и щеткой являются более высокая стоимость и возможность разгона электродвигателя при уменьшении тока индуктора до нуля, что, в свою очередь, может привести к отказу электродвигателя [5].

Двигатель постоянного тока серии

В щеточных двигателях постоянного тока с последовательной обмоткой обмотка возбуждения соединена последовательно с обмоткой якоря, а ток возбуждения равен току якоря (I e = I a ), что придает двигателям особые свойства. При малых нагрузках, когда ток якоря меньше номинального (I a & lt I rat ) и магнитная система двигателя не насыщена (Ф ~ I а ), электромагнитный момент пропорционален площадь тока в обмотке якоря:

,

  • где M - крутящий момент двигателя, Н ∙ м,
  • с М - постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами двигателя ,,
  • Ф - основной магнитный поток, Вт,
  • I a - ток якоря, А.

При увеличении нагрузки магнитная система двигателя насыщается, и пропорциональность между током I a и магнитным потоком Ф нарушается. При значительном насыщении магнитный поток Ф с увеличением I a практически не увеличивается. График зависимости M = f (I a ) на начальном участке (когда магнитная система не насыщена) имеет форму параболы, затем при насыщении отклоняется от параболы и в области больших нагрузок превращается в прямую [3].

Рабочие характеристики двигателя постоянного тока с последовательной обмоткой

Электромеханическая характеристика электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением

Важно: Недопустимо включение электродвигателя постоянного тока с последовательной обмоткой в ​​сеть на холостом ходу (без нагрузки на вал) или с нагрузкой менее 25% от номинальной, так как при малых нагрузках скорость якоря увеличивается. резко, достижение значений, при которых возможно механическое повреждение двигателя, поэтому в приводах с последовательно заведенными двигателями постоянного тока недопустимо использование ременной передачи, при ее обрыве двигатель переходит в режим холостого хода.Исключение составляют двигатели постоянного тока с последовательной обмоткой мощностью до 100–200 Вт, которые могут работать в режиме холостого хода, поскольку их механические и магнитные потери на высоких скоростях соизмеримы с номинальной мощностью двигателя.

Способность двигателей постоянного тока с последовательной обмоткой развивать большой электромагнитный крутящий момент обеспечивает им хорошие пусковые свойства.

    Преимущество:
  • высокий крутящий момент при низкой скорости
  • без потери магнетизма со временем
    Недостаток:
  • низкий крутящий момент на высокой скорости
  • дороже, чем двигатель PMDC
  • плохая регулировка скорости из-за последовательного соединения обмоток якоря и индуктора
  • двигатель выходит из-под контроля, если ток индуктора падает до нуля
Двигатели постоянного тока с щеточной обмоткой серии

обладают высоким крутящим моментом при низкой скорости и развивают высокую скорость без нагрузки.Этот электродвигатель идеально подходит для устройств, которым необходимо развивать высокий крутящий момент (краны и лебедки), так как ток статора и ротора увеличивается под нагрузкой. В отличие от двигателей с постоянным постоянным током и электродвигателей постоянного тока с шунтирующей обмоткой, двигатели постоянного тока с последовательной обмоткой не обладают точными характеристиками регулирования скорости, и в случае короткого замыкания обмотки возбуждения они могут стать неуправляемыми.

Электродвигатель постоянного тока с комбинированной обмоткой

Электродвигатель постоянного тока с комбинированной обмоткой и щеткой имеет две обмотки возбуждения, одна из которых включена параллельно обмотке якоря, а вторая - последовательно.Соотношение между намагничивающими силами обмоток может быть разным, но обычно одна из обмоток создает большую намагничивающую силу и эта обмотка называется основной, вторая обмотка - вспомогательной. Если обмотки соединены таким образом, что последовательное поле способствует шунтирующему полю, то двигатель называется Кумулятивный составной щеточный двигатель постоянного тока . С другой стороны, если обмотки соединены так, что два поля противостоят друг другу, то двигатель называется двигателем постоянного тока с дифференциальной композицией и щеткой.Скоростные характеристики электродвигателя постоянного тока с кумулятивной составной щеткой находятся между характеристиками скорости электродвигателя постоянного тока с параллельной обмоткой и электродвигателя постоянного тока с последовательной обмоткой. Противоположное соединение обмоток (дифференциальное компаундирование) используется, когда необходимо получить постоянную частоту вращения или увеличение частоты вращения с увеличением нагрузки. Таким образом, характеристики электродвигателя постоянного тока с составной обмоткой близки к характеристикам электродвигателя постоянного тока с шунтирующей или последовательной обмоткой, в зависимости от того, какая обмотка возбуждения играет основную роль [4].

    Преимущество:
  • хороший контроль скорости
  • высокий крутящий момент при низкой скорости
  • Разгон двигателя менее вероятен
  • без потери магнетизма со временем
    Недостаток:
  • дороже, чем другие щеточные двигатели постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока с комбинированной щеткой имеют рабочие характеристики электродвигателей постоянного тока с шунтирующими и серийно обмотанными щетками.Он имеет высокий крутящий момент на низкой скорости, а также электродвигатель постоянного тока с последовательной обмоткой и щеточный электродвигатель постоянного тока, а также хорошее регулирование скорости, как и электродвигатель постоянного тока с шунтовой обмоткой и щеткой. Разгон электродвигателя постоянного тока с щеточной щеткой и составной обмоткой менее вероятен, поскольку шунтирующий ток должен упасть до нуля, а последовательная обмотка возбуждения должна быть замкнута накоротко.

Рабочие характеристики щеточных двигателей постоянного тока определяются их рабочими, электромеханическими и механическими характеристиками, а также их регулировочными свойствами.

Кривые крутящий момент-скорость щеточных двигателей постоянного тока

Постоянная крутящего момента

Для щеточного двигателя постоянного тока постоянная крутящего момента определяется по формуле:

,

  • где Z - общее количество жил,
  • Ф - магнитный поток, Вт [1]

Также прочтите

Руководство по мотору мультиротора

- RotorDrone

С чего начать? Сначала определитесь с размером двигателя

Сначала ответьте на эти два вопроса:

  • Каков общий вес вашего квадрокоптера?
  • Какой размер кадра?

Общий вес вашего квадрокоптера может быть вашим лучшим предположением, поскольку вы его еще не построили.Он должен включать в себя все: рамку, полетный контроллер, PDB, провода, моторы, аккумулятор, полезную нагрузку (например, HD-камеру и стабилизаторы) и так далее.

Если вы знаете размер рамы, вы можете определить правильный размер гребного винта.

Используя вес и размер гребного винта, вы можете вычислить общую тягу, необходимую двигателям, чтобы взлететь и управлять квадрокоптером на скорости.

Отношение тяги к массе

По общему правилу, двигатели должны обеспечивать вдвое большую тягу, чем общий вес квадроцикла.Если тяга, создаваемая двигателями, слишком мала, квадроцикл не будет хорошо реагировать на ваше управление и даже может испытывать проблемы при взлете.

Например, если у нас есть квадрокоптер, который весит 1 кг, совокупная тяга, создаваемая двигателями при 100% дроссельной заслонке, должна быть не менее 2 кг, или 500 г для каждого двигателя (что для квадрокоптера умножается на 4).

Это даст вам лучший контроль, а также позволит разместить дополнительную полезную нагрузку в дальнейшем (например, более тяжелые камеры или, возможно, дополнительные батареи для увеличения времени полета).

Типоразмер двигателя и КВ

Бесщеточные двигатели обычно обозначаются четырехзначным числом, например ** ##. где числа «**» - это ширина статора, а «##» - высота статора. По сути, чем шире и выше двигатель, тем больше числа и тем больший крутящий момент он может создать.

кВ - еще один важный параметр. Это теоретическое увеличение оборотов двигателя (оборотов в минуту) при повышении напряжения на 1 вольт без нагрузки. Например, при работе двигателей 2300KV с батареей 3S LiPo (12.6V) двигатель будет вращаться со скоростью около 28980 об / мин. (2300 x 12,6 В = 28980) Это только оценка.

В любом случае, после того как вы установите гребной винт на двигатель, частота вращения не будет такой высокой из-за сопротивления пропеллера. Двигатели с более высоким KV будут вращать гребной винт быстрее с меньшим крутящим моментом, а двигатели с более низким KV создают более высокий крутящий момент с меньшим вращением. Стойки большего размера сочетаются с двигателями с низким KV, а стойки меньшего размера - с двигателями с высоким KV.

При выборе двигателя и гребного винта важно найти баланс между оборотами и крутящим моментом.

При сопоставлении двигателей с высоким KV и чрезмерно больших гребных винтов, двигатели будут пытаться быстро вращать их, как это было бы с меньшими винтами, и это потребует большого тока и произведет чрезмерное количество тепла.

N и P

Нечасто можно встретить что-то вроде «12Н14П». Число перед буквой N относится к количеству электромагнитов в статоре, а число перед буквой P относится к количеству постоянных магнитов в двигателе.

Большинство двигателей имеют такое же расположение 12N14P, однако некоторые двигатели с более низким KV имеют больше электромагнитов и долговечных магнитов для увеличения крутящего момента и повышения производительности (и были бы более дорогостоящими).

Размер рамы = Размер стойки = Размер двигателя и КВ

В подавляющем большинстве случаев знание размера рамы позволяет нам оценить, какой двигатель нам следует использовать. Это связано с тем, что размер рамы ограничивает размер стойки, а размер стойки ограничивает размер двигателя и киловольтную мощность.

Приведенная ниже таблица дает вам несколько мыслей и основана на использовании батареи 4S LiPo. Размер рамы относится к колесной базе (также известной как расстояние от двигателя до двигателя).

Размер рамы Размер стойки Размер двигателя кВ
150 мм или меньше 3 ″ или меньше 1306 или меньше 3000KV или выше
180 мм 4 ″ 1806 2600КВ
210 мм 5 ″ 2204-2206 2300КВ-2600КВ
250 мм 6 ″ 2204-2208 2000КВ-2300КВ
350 мм 7 ″ 2208 1600 кВ
450 мм 8 ″, 9 ″, 10 ″ 2212 или больше 1000кВ или ниже

Потребление напряжения и тока

Также важно понимать, что напряжение в значительной степени повлияет на выбор двигателя и гребного винта.Ваш двигатель будет пытаться вращаться быстрее при подключении более высокого напряжения, а также потребляет более высокий ток.

Что такое щеточные электродвигатели постоянного тока

Технические характеристики:

  • Размер: 8 мм (диаметр) x 23 мм (длина)
  • Напряжение: 3,2 В
  • кВ: 13000+
  • Терминальное сопротивление: 0,63 Ом
  • Об / мин без нагрузки: 37850
  • Ток без нагрузки: 130 мА
  • Постоянный крутящий момент: 0,79 мНм / А
  • Масса мотора: 6.2 г

Сравнение двигателей

После того, как вы определились с размером и мощностью двигателей, прежде чем выбрать лучший двигатель для вашего применения, вам следует рассмотреть следующие компоненты:

  • Тяга
  • Текущий розыгрыш
  • КПД
  • Вес - момент инерции

Выбор здесь действительно зависит от ваших предпочтений и требований к характеристикам вашего самолета.

Более высокая тяга дает вам лучшую скорость, кроме того, вам нужно посмотреть на эффективность, чтобы убедиться, что он не использует огромное количество энергии, превышающее ваше вспомогательное оборудование (аккумулятор, регулятор скорости).

Точно так же ваш выбор двигателя и гребного винта также повлияет на ваш выбор батарей. Если ваш квадроцикл потребляет большой ток на полном газу, максимальная скорость разряда вашей батареи должна быть такой, чтобы она могла обеспечивать необходимую мощность, и чтобы они не перегревались и не вздувались (именно здесь C рейтинг входит).

Дополнительные советы по эффективности двигателя

  1. Мультикоптер более производительный и эффективный, когда он настолько легкий, насколько можно было ожидать в данных обстоятельствах.Вы можете найти правильный баланс, выбирая LiPo аккумуляторы для своего мультикоптера.
  2. Аккумулятор и вес являются ключевыми факторами, которые мы должны учитывать в отношении общей энергоэффективности. При выборе двигателей, помимо KV и тяги, мы также должны обратить внимание на производительность двигателя.
  3. То же самое и с бесщеточным двигателем: чем выше мощность, тем лучше. Двигатель, работающий на 70%, производит 70% мощности и 30% тепла. Двигатель с эффективностью 90% производит 90% мощности и 10% тепла.

Характеристики двигателей, которые необходимо учитывать

  • Цельный / полый вал
  • Тип магнитов (N52, N54)
  • Дуговые магниты
  • Меньшие воздушные зазоры
  • Паяльники на двигателе
  • Интеграция регулятора скорости
  • Тип охлаждения

Разница между щеточными двигателями постоянного тока и бесщеточными двигателями

Электродвигатель постоянного тока с щеткой имеет вращающийся якорь (набор катушек с намотанной проволокой), который действует как электромагнит с двумя полюсами.Поворотный переключатель, называемый коммутатором, меняет направление электрического тока дважды за цикл, чтобы он протекал через якорь, так что полюса электромагнита толкаются и тянутся к постоянным магнитам на внешней стороне двигателя.

В «бесщеточном» двигателе постоянного тока щетки не используются. Он использует постоянный магнит и выполняет переключение путем электронного переключения полярности. Чтобы сделать это управляемым образом, требуются механизм обратной связи по скорости и электронный контроллер.Контроллер может быть установлен на двигателе или может быть отдельным элементом.

  1. Применение
    Бесщеточный двигатель: широко используется в машинах, требующих высокой скорости вращения и регулируемой мощности.
    Щеточный двигатель: широко используется в двигателях вентиляторов, электроинструментах и ​​т. Д.
  2. Срок службы
    Бесщеточный двигатель: срок службы более одной тысячи часов
    Щеточный двигатель: срок службы менее тысячи часов.
  3. Энергосбережение:
    Бесщеточный двигатель гораздо более эффективен и экономичен, чем щеточные двигатели.Во время чистки двигателя требуется техническое обслуживание для своевременной замены угольных щеток, в противном случае двигатель может быть поврежден.

Щеточные двигатели постоянного тока - это двигатели с механической коммутацией, которые подходят для высокоскоростных приложений. Щеточные двигатели постоянного тока просты в производстве и экономичны, когда не требуется долгий срок службы.

Почему щеточный двигатель постоянного тока?

Матовый двигатель постоянного тока - классический двигатель, который используется в таких приложениях, как моторизованные игрушки, бытовая техника и периферийные устройства компьютеров.Этот тип двигателя недорогой, эффективный и полезен для обеспечения высокой скорости и мощности в относительно небольшом корпусе.

Как работает щеточный DC?

Этот тип двигателя постоянного тока имеет устройство с разрезным кольцом, которое называется коммутатором по центру. Когда подается питание постоянного тока, электромагнитная энергия отталкивает якорь, вызывая вращение.

Матовый мотор Плюсы

  • Двухпроводное управление
  • Сменные щетки для увеличения срока службы
  • Низкая стоимость строительства
  • Простое и недорогое управление
  • Для фиксированных скоростей не требуется контроллер
  • Работает в экстремальных условиях из-за отсутствия электроники

Матовый мотор против

  • Требуется периодическое обслуживание
  • Скорость / крутящий момент умеренно ровные.На более высоких скоростях трение щетки увеличивается, что снижает полезный крутящий момент
  • Плохой отвод тепла из-за внутренней конструкции ротора
  • Повышенная инерция ротора, ограничивающая динамические характеристики
  • Более низкий диапазон скоростей из-за механических ограничений щеток
  • Brush Arcing генерирует шум, вызывающий EMI

Как найти электродвигатель постоянного тока с щеткой, подходящий именно вам?

Существует множество различных типов щеточных двигателей, плоских или прямоугольных для подачи и загрузки, а круглые в основном используются для шпинделей.Вы также можете выбрать щеточный двигатель в соответствии с номинальной нагрузкой / скоростью вращения, в соответствии с вашими требуемыми характеристиками крутящего момента / скорости.

Выбор по номинальной нагрузке / скорости вращения

Типичные характеристики крутящего момента / скорости для каждого типоразмера двигателя показаны ниже для справки при выборе двигателя.

Номинальное напряжение (В) Диапазон напряжения (В) Номинальная нагрузка (мНм) Пусковой момент (мНм) Номинальная скорость нагрузки (об / мин)
PYN13 3.0 0 ~ 4,0 0,1 (1 гс · см) 0,4 17 900
PNN3 1,5 0 ~ 3,0 0,03 (0,3 гс · см) 0,09 8 200
PNN7 1,5 0 ~ 3,0 0,1 (1 гс · см) 0,23 5,600
PNN13 3,0 1,0 ~ 4,0 0,15 (1,5 гс · см) 0,5 ~ 0,6 8900 ~ 12000
ПКН7 2.0 0 ~ 4,5 0,2 (2 гс. См) 0,4 ~ 0,6 3790 ~ 7050
ПКН12 3,0 0 ~ 4,5 0,2 (2 гс. См) 0,63 ~ 0,9 7250 ~ 10540
M1N6 3 ~ 5 1,0 ~ 6,0 0,2 ~ 0,3 (2 ~ 3 гс · см) 0,67 ~ 2,07 5980 ~ 15600
M1N10 2 ~ 5 0,5 ~ 8,0 0,2 ~ 0,3 (2 ~ 3 гс · см) 0.78 ~ 1,90 3010 ~ 11220
PPN7 2,5 ~ 6,0 1,0 ~ 7,5 0,1 ~ 0,5 (1 ~ 5 гс · см) 0,68 ~ 2,88 2600 ~ 11600
ППН13 2,0 ~ 9,6 1,0 ~ 11,0 0,2 ~ 1,47 (2 ~ 15 гс · см) 1,37 ~ 4,08 2700 ~ 9700
PWN10 6,0 ~ 12,0 5,0 ~ 12,0 1,96 (20 гс. См) 5,2 ~ 9,5 4870 ~ 8400
PAN14 12.0 9,0 ~ 14,5 10,0 (102 гс. См) 35,40 9 730
MXN13 6,0 ~ 12,0 3,0 ~ 14,0 2,9 ~ 4,9 (30 ~ 50 гс · см) 8,83 ~ 13,73 1900 ~ 4520
MDN1 2,0 0,7 ~ 6,0 0,29 (3 г. см) 0,8 ~ 1,1 1360 ~ 2250
MDN2 2,0 ~ 5,0 0,7 ~ 6,0 0,39 ~ 1.47 (4 ~ 15г. См) 1,2 ~ 2,8 2750 ~ 2900
MDN3 2 ~ 3 0,7 ~ 6,0 0,39 (4 гс. См) 1,2 ~ 2,8 1480 ~ 2590

Бесщеточные двигатели постоянного тока

Традиционно многие потребности в двигателях удовлетворяются с помощью щеточных двигателей постоянного тока. Эти двигатели используют щетки для перемещения коллектора, который создает крутящий момент, необходимый для его работы. В бесщеточном двигателе коммутация осуществляется электронным способом.Нет необходимости в щетках, поскольку крутящий момент является функцией электронного воздействия бесщеточного двигателя на коммутатор.

Зачем нужен бесщеточный двигатель?

При использовании бесщеточного двигателя постоянного тока, также называемого двигателем BLDC, никогда не нужно беспокоиться о состоянии щеток, которое может потребовать вывода двигателя из эксплуатации и восстановления. Бесщеточные двигатели могут быть столь же эффективны для высокоскоростной работы, как и щеточные двигатели, если не больше, а поскольку нет щеток, которые нужно было бы заменять, срок службы бесщеточных может превышать 10 000 часов.

Для проекта, в котором двигатель будет использоваться только в течение короткого времени, щеточный двигатель постоянного тока может быть достаточным и экономически эффективным. Но если он будет работать непрерывно, особенно если потребуется много энергии, бесщеточный двигатель - гораздо лучший выбор.

Бесщеточные двигатели могут использоваться в самых разных областях. Бесщеточные двигатели малой мощности могут использоваться для радиоуправляемых моделей самолетов, а бесщеточные двигатели большой мощности могут использоваться для электромобилей и промышленного оборудования.

Конструкция и принцип работы двигателя BLDC

Чтобы понять, почему двигатель BLDC настолько эффективен, важно хорошо понимать, как он работает. На самом деле существует два разных типа с разными преимуществами и недостатками. Хотя любой из них, вероятно, будет эффективен для большинства рабочих мест, вы можете ознакомиться с обоими типами, на всякий случай, если один будет более подходящим для вашего проекта или приложения, чем другой.

Любой двигатель BLDC состоит из двух основных частей; ротор - вращающаяся часть и статор - неподвижная часть.Другими важными частями двигателя являются обмотки статора и магниты ротора.

Существует две основные конструкции двигателей BLDC: конструкция с внутренним ротором и конструкция с внешним ротором.

В конструкции с внешним ротором обмотки расположены в сердечнике двигателя. Магниты ротора окружают обмотки статора, как показано здесь. Магниты ротора действуют как изолятор, тем самым снижая скорость отвода тепла от двигателя. Из-за расположения обмоток статора конструкции с внешним ротором обычно работают при более низких рабочих циклах или при более низком номинальном токе.Основным преимуществом двигателя BLDC с внешним ротором является относительно низкий крутящий момент.

Двигатель Outrunner

В конструкции с внутренним ротором обмотки статора окружают ротор и прикреплены к корпусу двигателя, как показано здесь. Основное преимущество конструкции с внутренним ротором - это способность рассеивать тепло. Способность двигателя рассеивать тепло напрямую влияет на его способность создавать крутящий момент. По этой причине в подавляющем большинстве двигателей BLDC используется конструкция с внутренним ротором.Еще одно преимущество конструкции с внутренним ротором - это меньшая инерция ротора.

Внутренний двигатель

Преимущества двигателя

BLDC:

Если вы все еще не уверены, подходит ли вам этот двигатель, вот краткое описание некоторых из основных преимуществ двигателя BLDC.

  • Работа на высокой скорости - двигатель BLDC может работать на скоростях выше 10 000 об / мин в условиях нагрузки и без нагрузки.
  • Отзывчивость и быстрое ускорение - внутренний ротор Бесщеточные двигатели постоянного тока имеют низкую инерцию ротора, что позволяет им быстро ускоряться, замедляться и менять направление вращения.
  • High Power Density - двигатели BLDC имеют самый высокий рабочий крутящий момент на кубический дюйм среди всех двигателей постоянного тока.
  • Высокая надежность - двигатели BLDC не имеют щеток, что означает, что они более надежны и имеют ожидаемый срок службы более 10 000 часов. Это приводит к меньшему количеству случаев замены или ремонта и сокращению общего времени простоя вашего проекта.

BLDC Мотор Плюсы

  • Электронная коммутация на основе датчиков положения Холла
  • Меньше затрат на обслуживание из-за отсутствия щеток
  • Скорость / крутящий момент - ровная, позволяет работать на всех скоростях с номинальной нагрузкой
  • Высокая эффективность, отсутствие падения напряжения на щетках
  • Высокая выходная мощность / размер корпуса.Уменьшенный размер благодаря превосходным тепловым характеристикам. Поскольку BLDC имеет обмотки на статоре, который соединен с корпусом, отвод тепла лучше
  • Более высокий диапазон скоростей - отсутствие механических ограничений со стороны щеток / коллектора
  • Низкое генерирование электрического шума

Минусы двигателя BLDC

  • Повышение стоимости строительства
  • Управление сложное и дорогое
  • Электрический контроллер
  • необходим для поддержания работы двигателя.Он предлагает двойную цену двигателя.
Преимущества между двигателями с внешним ротором и двигателями с внутренним ротором?

Преимущество двигателя с внешним ротором - крутящий момент. Эти меньшие по размеру блоки могут создавать больший крутящий момент, чем эквивалентные двигатели с внутренним ротором. Это достигается за счет большего плеча вращающегося магнита внешнего ротора. Один из недостатков - скоростные возможности. Если требуются высокие скорости, превышающие 6000 об / мин, рекомендуется использовать двигатель с внутренним ротором.

Что такое коммутатор? - Советы по управлению движением

Принцип работы двигателя постоянного тока основан на взаимодействии между магнитным полем вращающегося якоря и магнитным полем неподвижного статора. Когда северный полюс якоря притягивается к южному полюсу статора (и наоборот), на якорь создается сила, заставляющая его вращаться. Коммутация - это процесс переключения поля в обмотках якоря для создания постоянного крутящего момента в одном направлении, а коммутатор - это устройство, подключенное к якорю, которое обеспечивает такое переключение тока.

Плечо рычага для крутящего момента, создаваемого на якоре, изменяется в зависимости от угла катушки (cos α). Следовательно, когда катушка перпендикулярна (вертикальна) магнитному полю статора, крутящий момент не создается. Вот почему двигатели постоянного тока имеют несколько катушек; таким образом, механизм якоря будет продолжать испытывать силу, даже когда одна катушка перпендикулярна магнитному полю.
Изображение предоставлено: Университет штата Джорджия

Основная цель коммутации - гарантировать, что крутящий момент, действующий на якорь, всегда будет в одном и том же направлении.Генерируемое в якоре напряжение имеет переменный характер, и коммутатор преобразует его в постоянный ток. Проще говоря, коммутатор включает и выключает катушки, чтобы контролировать направление электромагнитных полей. С одной стороны катушки электричество всегда должно течь «прочь», а с другой стороны, электричество всегда должно течь «навстречу». Это гарантирует, что крутящий момент всегда создается в одном и том же направлении. В противном случае катушка повернулась бы на 180 градусов в одну сторону, а затем изменила бы направление.


Чтобы наглядно показать, как ток переключается в зависимости от положения катушек и щеток, см. Эту статью из Университета Юты.


Сам коммутатор представляет собой разрезное кольцо, обычно сделанное из меди, с каждым сегментом кольца, прикрепленным к каждому концу катушки якоря. Если якорь имеет несколько катушек, коммутатор также будет иметь несколько сегментов - по одному на каждый конец каждой катушки. Подпружиненные щетки располагаются на каждой стороне коммутатора и контактируют с коммутатором при его вращении, питая сегменты коммутатора и соответствующие катушки якоря напряжением.

Изображение предоставлено: electric4u.com

Когда щетки проходят через промежутки в коммутаторе, поставляемый электрический заряд переключает сегменты коммутатора, который переключает электрическую полярность катушек якоря. Такое переключение полярности в катушках поддерживает вращение якоря в одном направлении. Напряжение между щетками колеблется по амплитуде от нуля до максимального значения, но всегда сохраняет одинаковую полярность.

Как упоминалось ранее, коммутатор состоит из сегментов, изолированных друг от друга.Когда щетки переходят от одного сегмента к другому, наступает момент, когда щетки контактируют с обоими сегментами одновременно. Это называется нейтральной плоскостью, и в этот момент индуцированное напряжение равно нулю. В противном случае щетки закоротят концы катушки вместе и вызовут искрение из-за высокого напряжения.

Термин «щетки» был придуман на заре двигателей постоянного тока, когда они были сделаны из жилы медной проволоки. Эти устройства требовали частой замены и повредили кольца коммутатора.В современных двигателях постоянного тока обычно используются «щетки» из углерода, которые изнашиваются медленнее и меньше повреждают коммутатор.

Важно отметить, что вышеприведенное обсуждение относится к традиционным щеточным электродвигателям постоянного тока, которые переключаются с помощью механических средств. Бесщеточные двигатели постоянного тока также требуют коммутации, но в бесщеточных конструкциях коммутация осуществляется электронно, через энкодер или датчики на эффекте Холла, которые отслеживают положение ротора, чтобы определить, когда и как подавать питание на катушки.

Изображение предоставлено: Groschopp, Inc.

Серво для хобби

Серво для хобби
Elliott Sound Products Сервоприводы, ESC и тахометры Hobby

Авторские права © 2018 - Род Эллиотт (ESP)
Опубликовано в январе 2018 г.


Указатель статей
Основной индекс

Содержание
Введение
1.Что такое сервопривод ?
1.1 Сервоприводы Hobby
2. Двигатели
3. Как работает сервопривод
4. Тестер сервопривода
5. Тестирование регуляторов скорости
6. Измените сервопривод 180 ° на 360 °
7. Создайте свой собственный сервопривод
8. Пропорциональная интегральная производная ( PID) контроллеры
9. Усредняющие импульсы приемника
10. Электронное управление скоростью
11. Рекуперативное торможение
12. Конструкция тахометра
13. Мониторинг скорости и положения
Выводы
Ссылки

Введение Сервоприводы

широко используются в робототехнике, самолетах для хобби, лодках, автомобилях и т. Д., аниматроника, освещение и в промышленности. Существует бесчисленное множество различных способов использования сервоприводов, но в этой статье я сосредоточусь на хобби, т. Е. На сервоприводах, которые используются в системах для хобби / робототехники и используют стандартный протокол управления ШИМ RC (дистанционное управление). Даже здесь существует множество различных типов, но отрасль в целом сосредоточилась на стандартном протоколе, который используется в подавляющем большинстве приложений. Эти сервоприводы используются со всеми видами систем дистанционного управления (RC).Хотя эти автономные сервоприводы наиболее заметны любителям, сервосистемы используются в огромном количестве приложений. Некоторые включают ...

  • прецизионная промышленная обработка для обработки / профилирования металла и дерева
  • упаковочные машины, конвейеры, этикетировочные машины и т. Д.
  • Управление телескопами (отслеживание определенной точки в пространстве)
  • позиционирование антенны (включая радары и радиотелескопы)
  • солнечные коллекторные батареи (фотоэлектрические и сфокусированные зеркальные)
  • Расположение рулевых поверхностей самолета (элероны, закрылки, рули высоты и руль направления)
  • Станки с ЧПУ (с числовым программным управлением) (включая компьютерные гравировальные системы), лазерные, плазменные и водоструйные резаки
  • подвижные фонари (включая гобо - узор перед источником света для управления формой светового луча)
  • Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха
  • Настройки расстояния объектива камеры и автофокус
  • позиционеры и двигатели для жестких дисков
  • CD и DVD (и т. Д.) плееры (включая систему лазерной фокусировки)

Это далеко не полный список, но он дает вам некоторое представление о разнообразии сервосистем. Железные дороги (как масштабные модели, так и «настоящие») используют сервоприводы для управления стрелочными переводами (то есть точками) и сигнальными рычагами, как и краны, подъемники (лифты) и т. Д. И т. Д. Не все электрические / электронные - некоторые гидравлические / пневматические. системы также могут использовать сервоприводы, основанные на «гидравлической логике», или гибридные, использующие электронное управление гидравлической системой. Даже не обязательно иметь механический выход, чтобы решить, является ли что-то сервоприводом или нет.Регулирование температуры термостатом - это такой же серво процесс, как и любая другая система, перечисленная выше, и действительно, это очень распространенное использование, даже если оно не соответствует строгому определению сервопривода.

Другие распространенные примеры сервоприводов используются нетехническими людьми, хотя обычно не известно, что они собой представляют. Автомобили - хороший тому пример. Самым очевидным является круиз-контроль, который позволяет установить желаемую скорость, а система регулирует мощность двигателя для поддержания желаемой скорости.Еще один вариант - усилитель рулевого управления, сравнительно небольшой ввод со стороны водителя применяет усиленную версию к рулевой рейке. Наконец (конечно) есть тормоза с усилителем и ABS (антиблокировочная тормозная система), которые используют аналогичные принципы и / или управление с обратной связью. Мы можем не считать из них сервоприводами, но они подходят под определение. Ранние автоматические трансмиссии использовали жидкостную логику для управления гидравлическими сервоприводами для переключения передач. Сервоприводы могут иметь вращающийся или линейный выход.

В общем, сервосистема - это система, которая принимает входной сигнал и выдает выходной сигнал, который прямо пропорционален исходному входному сигналу, но часто усиливается с коэффициентом от десятков до миллионов раз.Точное управление осуществляется за счет отрицательной обратной связи. Усиление может быть мощностью, расстоянием или и тем, и другим. Сервоприводы также используются «в обратном направлении», когда большой входной сигнал сводится к очень маленькому (потенциально микроскопическому) выходному сигналу, позволяя более тонкий контроль, чем обычно можно ожидать от человека без посторонней помощи.

Не все сервоприводы сразу распознаются как таковые, потому что диапазон настолько широк, что охватывает огромное количество различных механизмов. Если вы посмотрите определение «сервопривода», количество возможностей огромно, но по большей части вы должны игнорировать австралийский разговорный язык (здесь, в Озе, «сервопривод» также является станцией технического обслуживания, или торговой точкой, где продается бензин. ('бензин')), но это не имеет никакого отношения к теме здесь.

Сервоприводы

представляют собой систему «с обратной связью» и полагаются на обратную связь от управляемого выхода, которая останавливает / поддерживает активное управление при достижении целевого положения. Это может быть точка в пространстве, давление / сила, число оборотов в минуту (обороты в минуту) или любой другой измеримый объект. Человек может быть частью сервосистемы (в более широком смысле этого слова), и то, что наблюдает оператор, корректируется по мере необходимости для достижения желаемого результата. В основном мы предполагаем, что сервопривод имеет свою собственную систему обратной связи, но человек-оператор является не в меньшей степени «усилителем обратной связи», чем электронной схемой (но люди обычно менее предсказуемы).

В некоторых случаях вы увидите вывод о том, что шаговые двигатели являются формой сервопривода, но обычно это неверно, потому что большинство шаговых двигателей обычно используются «с разомкнутым контуром», то есть без обратной связи для подтверждения того, что желаемое положение Был достигнут. Вместо этого предполагает, что шаговый двигатель продвинулся вперед на запрограммированное количество шагов, и это обычно очень надежно, если система не перегружена или не возникнет неисправность. Системы с открытым контуром всегда должны устанавливать свои пределы при запуске процессора, и это можно увидеть, например, на струйных принтерах.Перемещение печатающей головки вперед и назад определяет начальное и конечное положения и проверяет отсутствие препятствий, мешающих полному движению. Высокоточные или потенциально опасные системы шаговых двигателей могут также включать сервопривод (обратную связь) для подтверждения достижения точного целевого положения.

Большинство квадрокоптеров и других многороторных систем используют несколько электронных регуляторов скорости, но не имеют поверхностей управления как таковых. В этом случае «цель» - это конкретная скорость двигателя, и сервосистема так же легко контролирует ее, как и все остальное.Вместо датчика положения можно использовать тахометр-генератор для проверки того, что желаемая скорость достигнута и / или поддерживается. Большинство недорогих «дронов» полагаются на оператора для обеспечения стабильного полета (система «обратной связи с человеком»). Традиционные сервоприводы по-прежнему могут использоваться для позиционирования камер или выпуска полезной нагрузки по запросу.

Примечание: Несмотря на то, что эта статья включает схемы и описания схем, это не серия проектов.Схемы предоставлены способом объяснения, и хотя они должны быть функциональными, как показано, они не являются строительными проектами. Однако они являются хорошим началом для всех, кто хочет поэкспериментировать, и если вы новичок в мир сервоприводов для хобби, эта информация будет вам полезна. Были построены серво-тестер (Рисунок 11), демонстрационная сервосистема (Рисунок 12) и электронный регулятор скорости (Рисунок 14). и проверено.

В дальнейшем конденсатор почти всегда необходим непосредственно на клеммах двигателя для подавления EMI (электромагнитных помех), но он не показан на чертежах для ясности.Вам нужно будет решить, нужно это для вашего приложения или нет. В некоторых случаях провода двигателя могут также проходить через ферритовые бусины для дополнительного снижения электромагнитных помех, особенно если вы обнаружите, что приемник плохо себя ведет при использовании. Это указывает на то, что у вас возникла интерференционная проблема, и может быть довольно сложно добиться полного излечения (особенно с высокоскоростными щеточными двигателями).


1. Что такое сервопривод ?

Термин «сервопривод» на самом деле охватывает очень широкий спектр приложений, но в этом контексте он означает контроллер движения, используемый для управления модельным транспортным средством, управления поверхностями управления модельным самолетом (элеронами, закрылками, рулями высоты и рулем направления) или обеспечения конечности движение для робототехнических систем.Они широко известны как «сервоприводы для хобби» (далее называемые просто «сервоприводы»). До сравнительно недавнего времени эти сервоприводы были опорой энтузиастов дистанционного управления и других моделистов (например, моделистов железных дорог), но они получили гораздо большее распространение, поскольку люди экспериментируют с робототехникой, боевыми роботами и другими механическими системами, которые когда-то были предметом науки. художественная литература.

Самые ранние сервосистемы были широко известны как двигатели «Synchro» или «Selsyn» (самосинхронизирующиеся). Они использовались с начала 1900-х годов и были первым электрическим методом удаленного позиционирования чего-либо, от пушечных турелей до антенн, или отправки этой информации из системы, активируемой вручную, обратно в диспетчерскую для наблюдения за положением оборудования.Если вы знаете, что искать, в Интернете есть много информации. Я должен признать, что мне всегда была нужна система Selsyn, хотя это больше для того, чтобы иметь ее, чем для ее практического применения. Некоторые вещи слишком интересны, чтобы их игнорировать. Увы, мои поиски пока не увенчались успехом.

В конечном итоге сервосистема имеет управляющий вход и вход обратной связи. Его цель - уменьшить ошибку между двумя значениями до нуля. Разница между входными данными представляет собой математическое уравнение, и оно считается решенным, если член ошибки равен нулю.Хотя это звучит достаточно просто (операционные усилители точно так же выполняют ), это намного сложнее, когда в игре задействованы механические системы, поскольку у них есть масса, трение, инерция и импульс. Хорошая сервосистема основана на понимании теории контура управления и должна учитывать множество различных механических постоянных времени, присутствующих в системе в целом. Задача усложняется, когда нагрузка на управляемый механизм изменяется из-за повышенного трения, добавленной массы, ветровой или водной нагрузки (например, самолетов и лодок) или любых других изменений - ожидаемых или неожиданных.

Это непростая задача, и вдвойне, если неисправность (или невозможность получения результата «истинный ноль») может угрожать жизни или здоровью. Учитывая недавний шум об «автономных» автомобилях, которым требуется сервоуправление почти для каждой основной функции, это становится слишком реальным. Излишне говорить, что эта тема здесь не рассматривается. Однако принципы остаются неизменными, даже если беспилотный автомобиль оснащен искусственным интеллектом. Сервопривод - это подсистема, которая делает то, что ему говорят (ну, по крайней мере, в этом идея).

Для так называемых «критически важных» приложений подавляющее большинство сервосистем будет основано на пропорционально-интегрально-производном (ПИД) контроллере, так как он может более эффективно решать «уравнение», несмотря на большие различия в прилагаемой нагрузке.


1.1 Сервоприводы для хобби Сервоприводы

Hobby варьируются от миниатюрных недорогих типов с пластиковыми шестернями и минимальным крутящим моментом до моделей с полностью металлическими редукторами с шарикоподшипниками и большими двигателями, которые могут быть чрезвычайно мощными.Та же самая система управления шириной импульса также обычно используется для электронного управления скоростью (ESC), которые приводят в действие двигатели для колес, пропеллеров, винты вертолетов и даже «электрические турбины» (имитирующие реактивные двигатели). Это довольно грубая форма ШИМ (широтно-импульсной модуляции), но на практике она работает довольно хорошо.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *