Коммутатор: Электрическое сердце приводных двигателей — структурные принципы, технические проблемы и анализ применения
В системе работы двигателя коммутатор, выступая в роли «интеллектуального хаба», обеспечивающего эффективное функционирование двигателя, выполняет основную функцию: поддерживает стабильную подачу электроэнергии за счет непрерывного и точного контроля направления тока. При запуске двигателя щетка образует динамическое проводящее соединение с поверхностью коммутатора. По мере высокоскоростного вращения коммутатора его сегменты (медные стержни) последовательно контактируют с щеткой, преобразуя внешний постоянный ток (ПТ) в переменный ток (АТ), необходимый для обмотки. Этот процесс можно сравнить с точным «танцем тока»: коммутатор в реальном времени переключает пути тока в зависимости от поворотного положения ротора. Например, когда ротор достигает определенного угла, коммутатор быстро разрывает ток в текущей обмотке и перенаправляет его на следующую группу обмоток, обеспечивая тем самым, чтобы магнитные поля статора и ротора всегда поддерживали оптимальный угол примерно в 90°. Это создает непрерывный электромагнитный момент, заставляющий ротор непрерывно вращаться. Без такого точного контроля хаотичное направление тока вызовет дисбаланс магнитных сил, что может привести к остановке ротора, вибрации или даже его перегоранию.
Как основной компонент приводных двигателей, технические характеристики и качество коммутатора напрямую определяют общую работоспособность двигателя. При высокоскоростном функционировании частый трение между щеткой и поверхностью коммутатора генерирует тепло. Чем выше скорость, тем выше температура поверхности, что может усилить радиальную деформацию коммутатора и деформацию между сегментами, увеличить интенсивность искр и, как следствие, сократить срок службы двигателя. Поэтому в его конструкционном проектировании необходимо сбалансировать электропроводность, теплоотдачу и износостойкость.
Разнообразные конструкции пластиковых коммутаторов являются прямым ответом на вышеуказанные требования, при этом параметры проектирования тесно связаны с мощностью, напряжением, скоростью вращения и габаритами двигателя. В настоящее время основные полупластиковые коммутаторы обычно состоят из пластикового корпуса, коммутационных сегментов (медных планок), изоляционных микановых листов и металлических втулок. Эта комбинация обеспечивает безопасность за счет изоляционных материалов, гарантирует надежный пропуск электрического тока за счет металлических компонентов и использует пластиковый корпус для облегчения конструкции и структурной поддержки — создавая основу для оптимизации работы двигателя в различных приложениях. От промышленного оборудования до бытовых электроприборов коммутаторы благодаря точному конструкционному дизайну и стабильному контролю тока постоянно обеспечивают эффективную работу двигателей.
Рисунок представляет собой схему конструкции коммутатора. Здесь 1 обозначает коммутационный сегмент, отвечающий за переключение тока; 2 — пластиковый корпус, обеспечивающий защиту и поддержку; 3 — металлическая втулка, гарантирующая передачу тока; 4 — микановый лист, выполняющий функцию изоляции для предотвращения замыканий. Благодаря такой конструкции коммутатор удовлетворяет множеству эксплуатационных требований, обеспечивая эффективную и стабильную работу двигателя.
В зависимости от различий в конструкции соединения коммутационных сегментов с концами обмоток коммутаторы можно разделить на пазовые и крючковые.
Для пазовых коммутаторов в выступающих частях сегментов вытачиваются пазы, в которые укладываются концы обмотки, после чего осуществляется точечная (теплоупорная) сварка. Во время этого процесса высокая температура расплавляет лакокрасочное покрытие эмалевого провода, обеспечивая хороший электрический контакт между концами провода и стенками пазов коммутатора.
Для крючковых коммутаторов при намотке роторной обмотки ее концы напрямую навиваются на крючки коммутационных сегментов. Во время точечной сварки крючки сжимаются, что обеспечивает надежное электрическое соединение между концами провода и коммутатором. Этот тип коммутаторов облегчает автоматизацию процесса соединения концов обмотки с коммутатором, однако в основном используются в сценариях с меньшим количеством коммутационных сегментов и низкой мощностью двигателя. Причина в том, что у двигателей высокой мощности диаметр проводов обмотки относительно толстый, что затрудняет намотку. Кроме того, при большом количестве коммутационных сегментов ширина крючков уменьшается, и соседние концы проводов становятся чрезвычайно подверженными замыканию.
Корпус коммутатора обычно изготовляется из стекловолокноармированного термопласта или асбестопластика. Поскольку коммутатор выделяет тепло во время работы и должен выдерживать определенные механические нагрузки, требования к термостойкости и механической прочности пластика довольно высокие. Также его коэффициент теплового расширения должен быть как можно ближе к коэффициенту теплового расширения медных коммутационных сегментов. Для удовлетворения этих требований обычно используется фенольная смола в виде беклитовой пыли. Основная функция металлической втулки — защищать пластик от механических нагрузок при установке коммутатора на вал с нажимом. Однако из-за ограничений по размерам небольшие коммутаторы часто не оснащены металлическими втулками. К распространенным типам металлических втулок относятся латунные втулки, пружинные втулки и другие.
Между сегментами коммутатора для изоляции используются микановые листы или микановый порошок. Поскольку мика обладает чрезвычайно высокой износостойкостью, необходимо применять процесс прорезания канавок, чтобы микановые листы между сегментами располагались ниже поверхности коммутационных сегментов. Это предотвращает выступание износостойких микановых листов и не допускает нарушения контакта между щеткой и сегментами коммутатора. Если микановый лист выступает, это приведет к снижению качества коммутации и даже к тому, что двигатель перестанет работать нормально.
Материалы медных стержней коммутатора в основном подразделяются на две категории: одна — это бескислородная медь или электролитическая медь, которая подходит для условий с низкой скоростью вращения, например, для двигателей небольших бытовых электроприборов и автостартеров; другая — это серебромедный сплав, широко используемый в таких устройствах, как пылесосы и электрические инструменты. Причина в том, что линейная скорость при коммутации у подобного оборудования высокая, и искровое эрозия может привести к быстрому повышению температуры поверхности коммутатора. Серебряный элемент, добавленный в серебромедный сплав, улучшает термостойкость материала, препятствует деформации поверхности коммутатора и эффективно подавляет такие дефекты, как искровое разрушение и плохой контакт, обеспечивая стабильную работу при высокоскоростных условиях эксплуатации.