Время работы коллекторного двигателя

Статор — неподвижная часть двигателя.

Индуктор (система возбуждения) — часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины, создающая магнитный поток для образования момента. Идуктор обязательно включает либо постоянные магниты либо обмотку возбуждения. Индуктор может быть частью как ротора так и статора. В двигателе, изображенном на рис. 1, система возбуждения состоит из двух постоянных магнитов и входит в состав статора.

Якорь — часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины, в которой индуктируется электродвижущая сила и протекает ток нагрузки [2]. В качестве якоря может выступать как ротор так и статор. В двигателе, показанном на рис. 1, ротор является якорем.

Щетки — часть электрической цепи, по которой от источника питания электрический ток передается к якорю. Щетки изготавливаются из графита или других материалов. Двигатель постоянного тока содержит одну пару щеток или более. Одна из двух щеток соединяется с положительным, а другая — с отрицательным выводом источника питания.

Коллектор — часть двигателя, контактирующая со щетками. С помощью щеток и коллектора электрический ток распределяется по катушкам обмотки якоря [1].

Принцип работ и конструктивные особенности

Устройство это достаточно специфичное, обладающее в силу схожести с машинами постоянного тока, похожими характеристиками и присущими им достоинствами.

Отличие от двигателей постоянного тока состоит в материале корпуса статора, изготовленном из листов электротехнической стали, благодаря чему удается добиться снижения потерь на вихревые токи.

Чтобы двигатель мог работать от обычной сети, т.е. 220 в, обмотки возбуждения соединяются последовательно.

Эти двигатели, называемые универсальными благодаря тому, что работают они от переменного и постоянного тока, бывают одно- и трехфазными.

Видео: Универсальный коллекторный двигатель

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.

Разновидности коллекторных двигателей

Для удобства восприятия в любой сфере существует классификация изделий по критериям, признакам, функциональности. Что касается коллекторных установок, классификация проходит по разным параметрам.

Схема универсального коллекторного двигателя.

При классификации по питанию:

1. Универсальный коллекторный двигатель;
2. Коллекторный агрегат (направление движения заряженных частиц в электрическом поле = const);

• С индуктором на постоянных магнитах;
• С индуктором на катушках возбуждения:
• Катушка возбуждения (тип обмотки независимый);
• Катушка возбуждения (тип обмотки параллельный);
• Катушка возбуждения (тип обмотки последовательный);
• Катушка возбуждения (тип обмотки смешанный).

Универсальный коллекторный агрегат.

Установки применяются в быту, коллекторный двигатель переменного тока 220в используется в бытовой технике. Мотор потребляет постоянный и переменный ток. Популярность в применении обусловлена реверсом, регулировкой скорости вращения, необходимостью частоты выше 3000 об./мин.

Применяя однофазный коллекторный двигатель переменного тока, обмотки статора и ротора соединяют последовательно или параллельно. Последний вариант соединения уже никто не делает. Универсальный однофазный коллекторный агрегат работает с переменным и постоянным током.

Недостатки универсального механизма:

• Стоимость агрегата;
• Сложность обслуживания;
• Шумность работы, сложное управление, возникновение радиопомех;
• Полезное действие ниже необходимого, если применяется источник переменного тока;
• Износ щеток по причине образования искр.

Коллекторный агрегат (ток = const).

Индуктор на постоянных магнитах.

Конструктивное отличие от универсальной установки заключается в использовании магнитов, а не катушек возбуждения. Агрегат популярен и распространен в большей степени, чем остальные виды коллекторных установок. Положительный момент, это стоимость и простота конструкции. Кроме того, устройство легко в управлении. Камень преткновения, применяемые магниты, которые напрямую связаны с характеристиками мощности установки. На установку влияет образуемое магнитами поле.

Коллекторный двигатель с индуктором на постоянных магнитах.

Катушки возбуждения (независимая и параллельная)

Название типа получено как следствие независимого питания. Особенность, для возникновения момента питание индуктора и якоря должны отличаться, иначе ротор установки не будет крутиться.

Если нет возможности организовать подачу разного тока, то подключение делается параллельно. Оба типа одинаковы с точки зрения характеристик. Момент у силовых установок высокий (даже на низком вращении), рост частоты — момент уменьшается. Особенность: независимость катушки и якоря. Что бы агрегат вышел из строя, достаточно току, возбуждающему катушку, упасть до значения «0».

Схема независимого возбуждения:

Схема параллельного возбуждения:

Обмотка возбуждения (тип последовательный)

Последовательность, предполагает равное значение тока. При токе статора, значением ниже расчётного, падает мощность потока магнитного. Рост нагрузки сопоставим росту мощности потока, до тех пор, пока не произойдёт выход на предельный уровень, когда рост тока не увеличивает поток магнитный.

Такая особенность не позволяет запускать двигатель, если расчётная нагрузка, ниже 25%. Сделав это, произойдёт резкое неконтролируемое увеличение частоты вращения. Особенность наложила отпечаток на использование агрегатов, однако, если мощность установки ниже 200Вт, возможно падение нагрузки, даже до холостого хода.

Схема последовательного возбуждения.

Обмотка возбуждения (тип смешанный)

В таких агрегатах, установлено две катушки, подключены последовательно и параллельно. Первая носит статус основной за счет возможности применять большую силу магнетизма, вторая обладает статусом вспомогательной. Возможно подключение катушек встречным или согласованным методом. От выбранного подключения зависит, чему будет соответствовать интенсивность поля.

Подключить коллекторный двигатель можно, в случае надобности получения неизменной частоты, или увеличения оборотов при увеличении нагрузки.

Схема смешанного возбуждения.

Следующим шагом развития электрических двигателей стали бесколлекторные моторы. Отличие коллекторного двигателя от бесколлекторного, отсутствие у последнего, как коллектора, так и щеток. Функцию ротора в двигателе выполняют магниты, которые расположены вокруг вала, тут же расположены и обмотки. Положение ротора контролируется датчиком. Информация от датчика обрабатывается вычислителем. Агрегат обладает положительными аспектами, присущими установкам с коллектором, не обслуживается, единственный отрицательный аспект, это высокая стоимость.

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 U_K 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.

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.

Упрощенная схема подключения

Типовая схема подключения может предусматривать до десяти выведенных контактов на контактной планке. Ток от фазы L протекает до одной из щеток, затем передается на коллектор и обмотку якоря, после чего проходит вторую щетку и перемычку на обмотки статора и выходит на нейтраль N. Такой способ подключения не предусматривает реверс двигателя вследствие того, что последовательное подсоединение обмоток ведет к одновременной замене полюсов магнитных полей и в результате момент всегда имеет одно направление.

Направление вращения в этом случае можно изменить, только поменяв местами выхода обмоток на контактной планке. Включение двигателя «напрямую» выполняется только с подсоединенными выводами статора и ротора (через щеточно-коллекторный механизм). Вывод половины обмотки используется для включения второй скорости. Следует помнить, что при таком подключении мотор работает на полную мощность с момента включения, поэтому эксплуатировать его можно не более 15 секунд.

Достоинства и недостатки

Разберем плюсы и минусы коллекторного двигателя постоянного тока. Преимущества:

1. Соотношение размеров к мощности (массогабаритные показатели).
2. Простота регулировки оборотов и реализации плавного пуска.
3. Пусковой момент.

Недостатки у КДПТ следующие:

1. Износ щеток. Высоконагруженные двигатели, которые регулярно эксплуатируются, требуют регулярного осмотра, замены щеток и обслуживания коллекторного узла.
2. Коллектор изнашивается из-за трения щеток.
3. Возможно искрение щеток, что ограничивает применение в опасных местах (тогда используют КДПТ взрывозащищенного исполнения).
4. Из-за постоянного переключения обмоток этот тип двигателей постоянного тока вносит помехи и искажения в питающие цепи или электросеть, что приводит к сбоям и проблемам в работе других элементов схемы (особенно актуально для электронных схем).
5. У ДПТ на постоянных магнитах магнитные силы со временем ослабевают (размагничиваются) и эффективность двигателя снижается.

Вот мы и рассмотрели, что такое коллекторный двигатель постоянного тока, как он устроен и какой у него принцип действия. Если остались вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!