Что такое коллекторный двигатель постоянного тока и как он работает

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Основные параметры электродвигателя постоянного тока
Характеристики коллекторного электродвигателя постоянного тока

Конструкция коллекторного электродвигателя постоянного тока

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].

Типы коллекторных электродвигателей

По конструкции статора коллекторный двигатель может быть с постоянными магнитами и с обмотками возбуждения.

Коллекторный двигатель с постоянными магнитами

Коллекторный двигатель постоянного тока (КДПТ) с постоянными магнитами является наиболее распространенным среди КДПТ. Индуктор этого двигателя включает постоянные магниты, которые создают магнитное поле статора. Коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами (КДПТ ПМ) обычно используются в задачах не требующих больших мощностей. КДПТ ПМ дешевле в производстве, чем коллекторные двигатели с обмотками возбуждения. При этом момент КДПТ ПМ ограничен полем постоянных магнитов статора . КДПТ с постоянными магнитами очень быстро реагирует на изменение напряжения. Благодаря постоянному полю статора легко управлять скоростью двигателя. Недостатком электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами является то, что со временем магниты теряют свои магнитные свойства, в результате чего уменьшается поле статора и снижаются характеристики двигателя.

Преимущества:

лучшее соотношение цена/качество
высокий момент на низких оборотах
быстрый отклик на изменение напряжения

Недостатки:

постоянные магниты со временем, а также под воздействием высоких температур теряют свои магнитные свойства

Коллекторный двигатель с обмотками возбуждения

независимого возбуждения
последовательного возбуждения
параллельного возбуждения
смешанного возбуждения

Двигатели независимого и параллельного возбуждения

В электродвигателях независимого возбуждения обмотка возбуждения электрически не связана с обмоткой якоря (рисунок выше). Обычно напряжение возбуждения UОВ отличается от напряжения в цепи якоря U. Если же напряжения равны, то обмотку возбуждения подключают параллельно обмотке якоря. Применение в электроприводе двигателя независимого или параллельного возбуждения определяется схемой электропривода. Свойства (характеристики) этих двигателей одинаковы [3].

В двигателях параллельного возбуждения токи обмотки возбуждения (индуктора) и якоря не зависят друг от друга, а полный ток двигателя равен сумме тока обмотки возбуждения и тока якоря. Во время нормальной работы, при увеличении напряжения питания увеличивается полный ток двигателя, что приводит к увеличению полей статора и ротора. С увеличением полного тока двигателя скорость так же увеличивается, а момент уменьшается. При нагружении двигателя ток якоря увеличивается, в результате чего увеличивается поле якоря. При увеличении тока якоря, ток индуктора (обмотки возбуждения) уменьшается, в результате чего уменьшается поле индуктора, что приводит к уменьшению скорости двигателя, и увеличению момента.

Преимущества:

практически постоянный момент на низких оборотах
хорошие регулировочные свойства
отсутствие потерь магнетизма со временем (так как нет постоянных магнитов)

Недостатки:

дороже КДПТ ПМ
двигатель выходит из под контроля, если ток индуктора падает до нуля

Коллекторный электродвигатель параллельного возбуждения имеет механическую характеристику с уменьшающимся моментом на высоких оборотах и высоким, но более постоянным моментом на низких оборотах. Ток в обмотке индуктора и якоря не зависит друг от друга, таким образом, общий ток электродвигателя равен сумме токов индуктора и якоря. Как результат данный тип двигателей имеет отличную характеристику управления скоростью. Коллекторный двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой возбуждения обычно используется в приложениях, которые требуют мощность больше 3 кВт, в частности в автомобильных приложениях и промышленности. В сравнении с КДПТ ПМ, двигатель параллельного возбуждения не теряет магнитные свойства со временем и является более надежным. Недостатками двигателя параллельного возбуждения являются более высокая себестоимость и возможность выхода двигателя из под контроля, в случае если ток индуктора снизится до нуля, что в свою очередь может привести к поломке двигателя [5].

Двигатель последовательного возбуждения

В электродвигателях последовательного возбуждения обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, при этом ток возбуждения равен току якоря (Iв = Iа), что придает двигателям особые свойства. При небольших нагрузках, когда ток якоря меньше номинального тока (Iа &lt Iном) и магнитная система двигателя не насыщена (Ф

Iа), электромагнитный момент пропорционален квадрату тока в обмотке якоря:

где M – момент электродвигателя, Н∙м,
сМ – постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами двигателя,
Ф – основной магнитный поток, Вб,
Ia – ток якоря, А.

С ростом нагрузки магнитная система двигателя насыщается и пропорциональность между током Iа и магнитным потоком Ф нарушается. При значительном насыщении магнитный поток Ф с ростом Iа практически не увеличивается. График зависимости M=f(Ia) в начальной части (когда магнитная система не насыщена) имеет форму параболы, затем при насыщении отклоняется от параболы и в области больших нагрузок переходит в прямую линию [3].

Способность двигателей последовательного возбуждения развивать большой электромагнитный момент обеспечивает им хорошие пусковые свойства.

Преимущества:

высокий момент на низких оборотах
отсутствие потерь магнетизма со временем

Недостатки:

низкий момент на высоких оборотах
дороже КДПТ ПМ
плохая управляемость скоростью из-за последовательного соединения обмоток якоря и индуктора
двигатель выходит из под контроля, если ток индуктора падает до нуля

Коллекторный двигатель последовательного возбуждения имеет высокий момент на низких оборотах и развивает высокую скорость при отсутствии нагрузки. Данный электромотор идеально подходит для устройств, которым требуется развивать высокий момент (краны и лебедки), так как ток и статора и ротора увеличивается под нагрузкой. В отличии от КДПТ ПМ и двигателей параллельного возбуждения двигатель последовательного возбуждения не имеет точной характеристики контроля скорости, а в случае короткого замыкания обмотки возбуждения он может стать не управляемым.

Двигатель смешанного возбуждения

Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения, одна из них включена параллельно обмотке якоря, а вторая последовательно. Соотношение между намагничивающими силами обмоток может быть различным, но обычно одна из обмоток создает большую намагничивающую силу и эта обмотка называется основной, вторая обмотка называется вспомогательной. Обмотки возбуждения могут быть включены согласовано и встречно, и соответственно магнитный поток создается суммой или разностью намагничивающих сил обмоток. Если обмотки включены согласно, то характеристики скорости такого двигателя располагаются между характеристиками скорости двигателей параллельного и последовательного возбуждения. Встречное включение обмоток применяется, когда необходимо получить неизменную скорость вращения или увеличение скорости вращения с увеличением нагрузки. Таким образом, рабочие характеристики двигателя смешанного возбуждения приближаются к характеристикам двигателя параллельного или последовательного возбуждения, смотря по тому, какая из обмоток возбуждения играет главную роль [4].

Преимущества:

хорошие регулировочные свойства
высокий момент на низких оборотах
менее вероятен выход из под контроля
отсутствие потерь магнетизма со временем

Недостатки:

дороже других коллекторных двигателей

Двигатель смешанного возбуждения имеет эксплуатационные характеристики двигателей с параллельным и последовательным возбуждением. Он имеет высокий момент на низких оборотах, так же как двигатель последовательного возбуждения и хороший контроль скорости, как двигатель параллельного возбуждения. Двигатель смешанного возбуждения идеально подходит для устройств автомобилей и промышленности (таких как генераторы). Выход двигателя смешанного возбуждения из под контроля менее вероятен, так как для этого ток параллельной обмотки возбуждения должен уменьшиться до нуля, а последовательная обмотка возбуждения должна быть закорочена.

Характеристики коллекторного электродвигателя постоянного тока

Эксплуатационные свойства двигателей постоянного тока определяются их рабочими, электромеханическими и механическими характеристиками, а также регулировочными свойствами.

Основные параметры электродвигателя постоянного тока

Постоянная момента

Для коллекторного электродвигателя постоянного тока постоянная момента определяется по формуле:

где Z — суммарное число проводников,
Ф – магнитный поток, Вб [1]

Что такое коллекторный двигатель постоянного тока и как он работает

Коллекторные электродвигатели довольно распространены в быту и на производстве. Они используются для привода различных механизмов, электроинструмента, в автомобилях. Отчасти популярность обусловлена простой регулировкой оборотов ротора, но есть и некоторые ограничения их применения и конечно же недостатки. Давайте разберемся что такое коллекторный двигатель постоянного тока (КДПТ), какие бывают разновидности данного вида электродвигателей и где они используются.

Определение и устройство
Принцип действия
Виды КДПТ и схемы соединения обмоток
Схема подключения и реверс
Сфера применения
Достоинства и недостатки

Определение и устройство

В справочниках и энциклопедиях приводят, такое определение:

«Коллекторным называется электродвигатель, у которого датчиком положения вала и переключателем обмоток является одно и то же устройство – коллектор. Такие двигатели могут работать либо только на постоянном токе, либо и на постоянном, и на переменном.»

Коллекторный электродвигатель, как и любой другой, состоит из ротора и статора. В этом случае ротор – является якорем. Напомним, что якорем называется та часть электрической машины, которая потребляет основной ток, и в которой индуцируется электродвижущая сила.

Для чего нужен и как устроен коллектор? Коллектор расположен на валу (роторе), и представляет собой набор продольно расположенных пластин, изолированных от вала и друг от друга. Их называют ламелями. К ламелям подключаются отводы секций обмоток якоря (устройство якорной обмотки КДПТ вы видите на группе рисунков ниже), а точнее к каждой из них подключен конец предыдущей и начало следующей секции обмотки.

Ток к обмоткам подаётся через щетки. Щётки образуют скользящий контакт и во время вращения вала соприкасаются то с одной, то с другой ламелью. Таким образом происходит переключение обмоток якоря, для этого и нужен коллектор.

Щеточный узел состоит из кронштейна с щеткодержателями, непосредственно в них и устанавливаются графитовые или металлографитовые щетки. Для обеспечения хорошего контакта щетки прижимаются к коллектору пружинами.

На статоре устанавливаются постоянные магниты или электромагниты (обмотка возбуждения), которые создают магнитное поле статора. В литературе по электрическим машинам вместо слова «статор» чаще используют термины «магнитная система» или «индуктор». На рисунке ниже изображена конструкция ДПТ в разных проекциях. Теперь же давайте разберемся как работает коллекторный двигатель постоянного тока!

Принцип действия

Когда ток протекает через обмотку якоря, возникает магнитное поле, направление которого можно определить с помощью правила буравчика. Постоянное магнитное поле статора взаимодействует с полем якоря, и он начинает вращаться благодаря тому, что одноименные полюса отталкиваются, притягиваясь к разноимённым. Что отлично иллюстрирует рисунок ниже.

При переходе щеток на другие ламели ток начинает протекать в обратную сторону (если рассматривать приведенный выше пример), магнитные полюса меняются местами и процесс повторяется.

В современных коллекторных машинах не используется двухполюсная конструкция из-за неравномерности вращения, в момент переключения направления тока силы, действующие на якорь, будут минимальны. А если включить двигатель, вал которого остановился в этом «переходном» положении — он может и не начать вращаться совсем. Поэтому на коллекторе современного двигателя постоянного тока расположено значительно больше полюсов и секций обмоток, уложенных в пазах шихтованного сердечника, таким образом достигаются оптимальные плавность движения и момент на валу.

Принцип работы коллекторного двигателя простым языком для чайников раскрыт в следующем видеоролике, убедительно рекомендуем ознакомиться.

Виды КДПТ и схемы соединения обмоток

По способу возбуждения коллекторные двигатели постоянного тока различают двух типов:

С постоянными магнитами (маломощные двигатели мощностью десятки и сотни Ватт).
С электромагнитами (мощные машины, например, на грузоподъёмных механизмах и станках).

Различают такие типы КДПТ по способу соединения обмоток:

Последовательного возбуждения (в старой отечественной литературе и от старых электриков можно услышать название «Сериесные», от англ. Serial). Здесь обмотка возбуждения подключена последовательно с обмоткой якоря. Высокий пусковой момент – преимущество такой схемы, а её недостаток – падение частоты вращения с увеличением нагрузки на валу (мягкая механическая характеристика), и то что двигатель идёт вразнос (неконтролируемый рост оборотов с последующим повреждением опорных подшипников и якоря) если работают на холостом ходу или с нагрузкой на валу в меньше 20-30% от номинальной.
Параллельного (также называют «шунтовые»). Соответственно обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря. На низких оборотах на валу высокий момент и стабилен в относительно широком диапазоне оборотов, а с увеличением оборотов он уменьшается. Преимущество — стабильные обороты в широком диапазоне нагрузки на валу (ограничивается его мощностью), а недостаток – при обрыве в цепи возбуждения может пойти вразнос.
Назависимого. Обмотки возбуждения и якоря питаются от разных источников. Такое решение позволяет точнее регулировать обороты вала. Особенности работы похожи на ДПТ с параллельным возбуждением.
Смешанного. Часть обмотки возбуждения подключена параллельно, а часть последовательно с якорем. Совмещают достоинства последовательного и параллельного типов.

Условное графическое обозначение на схеме вы видите ниже.

В иностранной и современной отечественной литературе, а также на схемах можно встретить и другое представление УГО для КДПТ, как было приведено на предыдущем рисунке в виде круга с двумя квадратами, где круг обозначает якорь, а два квадрата – щетки.

Схема подключения и реверс

Схема соединения обмоток статора и ротора определяется при изготовлении, и, в зависимости от того, где применяется конкретный двигатель, нужно выбирать соответствующее решение. В определенных режимах работы (тормозной режим, например) схемы включения обмоток могут изменяться или вводиться дополнительные элементы.

Включают маломощные коллекторные двигатели постоянного тока с помощью: полупроводниковых ключей (транзисторов), тумблеров или кнопок, специализированных микросхем-драйверов или с помощью маломощных реле. Крупные мощные машины подключаются к сети постоянного тока через двухполюсные контакторы.

Ниже вы видите реверсивную схему подключения двигателя постоянного тока к сети 220В. На практике, на производстве схема будет аналогичной, но диодного моста в ней не будет, поскольку все линии для подключения таких двигателей прокладываются от тяговых подстанций, где переменный ток выпрямляется.

Реверс осуществляется путем смены полярности на обмотке возбуждения или на якоре. Изменить полярность и там, и там нельзя, поскольку направление вращения вала не изменится, как это происходит с универсальными коллекторными двигателями при работе на переменном токе.

Для плавного пуска двигателя в цепь питания обмотки якоря или обмотки якоря и обмотки возбуждения (в зависимости от схемы их соединения) вводят регулировочное устройство, например, реостат, таким же образом регулируют и частоту вращения вала, но вместо реостата чаще используют набор постоянных резисторов, подключаемых с помощью набора контакторов.

В современных приложениях частота оборотов изменяется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и полупроводникового ключа, именно так это и сделано в аккумуляторном электроинструменте (шуруповёрт, например). КПД такого способа значительно выше.

Сфера применения

Коллекторные двигатели постоянного тока применяются повсеместно как в быту, так и в промышленных устройствах и механизмах, давайте кратко рассмотрим их область применения:

В автомобилях используют 12В и 24В коллекторные ДПТ для привода щеток стеклоочистителей (дворников), в стеклоподъёмниках, для запуска двигателя (стартер — это коллекторный двигатель постоянного тока последовательного или смешанного возбуждения) и приводах другого назначения.
В грузоподъёмных механизмах (краны, лифты и пр.) используются КДПТ, которые работают от сети постоянного тока с напряжением 220В или любым другим доступным напряжением.
В детских игрушках и радиоуправляемых моделях малой мощности используются КДПТ с трёхполюсным ротором и постоянными магнитами на статоре.
В ручном аккумуляторном электроинструменте — разнообразные дрели, болгарки, электроотвертки и т.д.

Отметим, что в современный дорогой электроинструмент устанавливают не коллекторные, а бесколлекторные электродвигатели.

Достоинства и недостатки

Разберем плюсы и минусы коллекторного двигателя постоянного тока. Преимущества:

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

Недостатки у КДПТ следующие:

Износ щеток. Высоконагруженные двигатели, которые регулярно эксплуатируются, требуют регулярного осмотра, замены щеток и обслуживания коллекторного узла.
Коллектор изнашивается из-за трения щеток.
Возможно искрение щеток, что ограничивает применение в опасных местах (тогда используют КДПТ взрывозащищенного исполнения).
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).
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!

Как работает коллекторный двигатель постоянного тока

Узнайте все преимущества и недостатки коллекторного электродвигателя для вашего проекта.

Если вы работаете над проектом, в котором есть движущаяся часть, вы, вероятно, будете искать двигатель, чтобы сделать это движение возможным. В этой серии статей мы рассмотрим наиболее популярные типы двигателей, которые используют разработчики. Прежде всего, это коллекторный двигатель постоянного тока.

Чтобы узнать, для каких проектов лучше всего подходят коллекторные двигатели постоянного тока, ознакомьтесь с обзором:

Самый простой тип электродвигателя (и самый распространенный) – это коллекторный двигатель постоянного тока. Вы можете найти этот двигатель везде. В вашем телефоне, вероятно, тоже есть один, обеспечивающий функцию вибрации. Коллекторные двигатели постоянного тока используются практически в любой движущейся игрушке. Аккумуляторные дрели работают на коллекторных двигателях постоянного тока.

Коллекторные двигатели постоянного тока используются везде: в игрушках, в чем-либо с вибрирующим мотором, в таких обычных инструментах, как аккумуляторные дрели.

Как они работают?

Коллекторные двигатели постоянного тока представляют собой простые устройства, состоящие из нескольких частей.

Коллекторные двигатели постоянного тока состоят всего из нескольких основных частей.

Вокруг корпуса двигателя расположены магниты статора. Это постоянные магниты, положительные с одной стороны и отрицательные с другой. В середине двигателя, соединенного с валом двигателя, находятся, по меньшей мере, три проволочных обмотки, соединенных с металлическими пластинами, которые называются якорем.

На противоположной от вала двигателя стороне обмоток расположен коллектор (от которого в русскоязычном варианте этот тип двигателя получил свое название) – пара металлических пластин, прикрепленных к обмоткам. Наконец, щетки (в англоязычном варианте этот тип двигателя называется «brushed», «щеточный») также расположены на стороне двигателя, противоположной валу двигателя.

Щетки создают физический контакт с коллектором. Когда на щетки подается постоянное напряжение, это напряжение передается на коллектор, который, в свою очередь, питает обмотки. Это входное напряжение генерирует магнитное поле вокруг якоря.

Левая сторона якоря отталкивается от левого магнита статора в направлении магнита справа. А правая сторона якоря отталкивается от правого магнита влево.

При постоянном изменении полярности магнитного поля вокруг якоря вал будет постоянно вращаться.

Достоинства коллекторных двигателей постоянного тока

Недорогие

Коллекторные двигатели постоянного тока производятся большими сериями и широко используются, что делает их дешевле других типов электродвигателей.

Простота управления

Чтобы заставить двигатель вращаться, просто подайте постоянное напряжение. Более высокое напряжение (или более высокий коэффициент заполнения, или более низкая скважность, ШИМ сигнала) заставит двигатель работать быстрее. Изменение полярности напряжения изменит направление вращения. Коллекторные двигатели постоянного тока даже не нуждаются в использовании микроконтроллера, вы можете запустить их, просто подключив к аккумулятору.

Высокий начальный крутящий момент

Коллекторные двигатели постоянного тока выдают высокий крутящий момент на низких скоростях. Это важно, потому что этот высокий начальный крутящий момент позволяет электродвигателю быстро набирать скорость, даже если у двигателя есть нагрузка.

Оценка характеристик коллекторных двигателей постоянного тока.

Недостатки коллекторных двигателей постоянного тока

Быстрый износ

Поскольку щетки физически трутся об коллектор, они со временем изнашиваются. Следовательно, по сравнению с другими типами электродвигателей, коллекторные двигатели постоянного тока изнашиваются быстрее.

Много электрического шума

Внутри коллекторного двигателя постоянного тока между щетками и коллектором образуются электрические дуги. Это вызывает много электрического шума, что не очень хорошо для микроконтроллеров или датчиков, работающих в этой же системе.

Ограниченная максимальная скорость

Физический контакт между щетками и коммутатором во время работы означает, что между этими двумя частями есть трение. Там, где есть трение, есть тепло. Коллекторные двигатели постоянного тока имеют ограниченную максимальную скорость, потому что слишком высокая скорость может привести к нагреву, способному нанести повреждения.

Коллекторный двигатель постоянного и переменного тока

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:

Постоянного тока. Такие машины отличаются высоким пусковым моментом, плавным управлением частоты вращения и относительно простой конструкцией.
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, виды и принцип работы

Виды коллекторных двигателей
Устройство коллекторного двигателя
Принцип работы коллекторного двигателя
Варианты обмоток возбуждения
Преимущества и недостатки коллекторного двигателя
Возможные поломки и способы их ремонта

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:

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;
Средней мощности. Якорь устанавливается на втулках или подшипниках. Применяются на автомобильной и самоходной технике. Напряжение питания составляет от 12 до 24 вольта;
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.

Однофазный мотор коллекторного типа ( универсальный), можно подключить к любой сети питания. Такая конструкция позволяет использовать мотор от источника питания переменного тока, без использования выпрямителей;
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;
Небольшая сила тока при запуске. Позволяет использовать моторы от бытовой сети питания;
Простота регулировки вращения вала ротора. Для управления оборотами применяется реостат. При выходе из строя регулятора, мотор останется работоспособным;

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;
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.

Что такое универсальный коллекторный электродвигатель? Устройство и принцип действия

Универсальный коллекторный двигатель (УКД) – это электродвигатель, который способен работать как с постоянным, так и переменным током, за что и получил свое название.

СОДЕРЖАНИЕ:

Устройство универсального коллекторного двигателя

Конструкция такого мотора, практически идентична обычному коллекторному (щеточному) электромотору постоянного тока. Однако здесь, вместо постоянных магнитов используются электромагниты и присутствуют дополнительные решения для работы с переменным током. Основными частями конструкции все также остаются ротор и статор.

Статор — это часть, которая не двигается (статична).

Статор содержит в себе:

Корпус
Обмотки
Проводку
Щетки

Ротор — это вращающаяся с валом часть.

Ротор состоит из следующих основных деталей:

Вал
Коллекторный узел
Обмотки ротора
Сердечник из тонких пластин

Теперь давайте рассмотрим то, что делает этот мотор таким особенным – принцип действия.

Принцип работы с постоянным током

При подключении к источнику постоянного тока, двигатель работает как обычный коллекторный двигатель постоянного тока. Катушки статора подключаются к источнику питания и последовательно соединены через щетки к коллекторному узлу ротора, через которые ток поступает на его обмотки.

Щетки подключены к разным полукольцам коллектора, благодаря чему с каждой стороны проходит однонаправленный ток. Вследствие этого возникают магнитные поля и под их воздействием ротор начинает вращение. Вращающий момент всегда направлен в одну сторону и ротор продолжает вращаться.

В этом режиме электромотор имеет самый высокий КПД, Ближайшей альтернативой в работе с источником постоянного тока является бесколлекторный двигатель, однако из-за применения в нем постоянных магнитов его максимальный момент будет гораздо меньшим.

Принцип работы с переменным током

Для работы с переменным током используют принцип последовательного возбуждения обмоток. Такая схема позволяет подсоединять обмотки статора последовательно с обмотками ротора (как описывалось выше). И по ним всегда будет двигаться ток одной и той же фазы. Возникающие магнитные силы также будут вращать ротор в одном направлении.

Благодаря этому виду подключения смена полюсов магнитных полей на обмотках выполняется практически одновременно, а значит итоговый момент будет также иметь одно направление.

Главное преимущество такой схемы — это большой максимальный момент. С другой стороны, возникают большие обороты на холостом ходу, способные повредить мотор при включении без нагрузки.

Однако если подключить к переменному источнику питания стандартный коллекторный мотор, то он не будет работать, так как будут возникать переменные магнитные поля и вызывать сильные потери в магнитопроводе из-за вихревых токов Фуко.

Чтобы избежать этих потерь, статор изготавливают из набора специальных изолированных тонких пластин, а обмотку разделяют на секции. Таким способом удается эффективно бороться с перемагничиванием. Для уменьшения искрения и воздействия электродвижущей силы двигатель оснащается щётками, которые обладают высоким сопротивлением.

Чтобы поменять направление вращение надо перемкнуть (переплюсовать) обмотки либо ротора, либо статора. При работе с переменным источником, общий КПД будет гораздо ниже.

Особенности использования

Как мы выяснили выше, основными особенностями, которые делают этот мотор уникальным, в сравнении с асинхронными и синхронными видами: это его способность работать с постоянным и переменным током, а также возможность работать на чрезвычайно большой скорости оборотов (от 8000 и даже до 20000 об/мин.).

Обратной стороной медали будет его маломощность высокий уровень шума, радиопомех и искрения, что ограничивает его использование в некоторых сферах. Давайте рассмотрим все плюсы и минусы подробнее.

Достоинства и недостатки

Универсальный мотор, благодаря особенностям принципа действия имеет свои особенности и недостатки

Достоинства:

Высокий пусковой момент. Устройство может быстро набрать большое количество оборотов как в холодном, так и горячем состоянии.
Высокая удельная мощность. Универсальный мотор может работать с большей выходной мощностью чем аналоги, того же размера.
Небольшая цена. Стоимость мотора чуть выше чем обычного коллекторного и меньше чем бесколлекторного.
Простота конструкции. Несложное устройство обеспечивает простоту обслуживания и ремонта.
Большой общий рабочий ресурс. Основные детали довольно долговечны (за исключением щеток).
Портативность. Небольшие размеры электромотора позволяют использовать его в самых малых приборах (дрель) .
Простота управления. Мотор может регулироваться простым изменением напряжения.

Недостатки:

Шум и вибрация. В основном возникает из-за работы щеток на высоких оборотах.
Низкая эффективность. КПД устройств лежит в диапазоне 55-80%, при работе с переменным током он меньше чем с постоянным.
Неэффективен при работе с малым напряжением. Устройство практически бесполезно при работе с напряжением до 100В.
Щетки быстро изнашиваются. Из-за постоянного контакта щеток с коллектором требуется их периодическая замена или ремонт.
Доп. оборудование для некоторых задач. Эффективные конструкции имеют низкий момент и быстроходность, поэтому иногда необходим дополнительный редуктор.

Основное применение

Универсальный тип электродвигателя как мы выяснили это простой, недорогой и высокоскоростной мотор. Возможность работы на высоких оборотах подключаясь к однофазной сети переменного тока, сделало их очень популярными в бытовой технике. В промышленности этот тип также часто используется, однако его эффективность подходит далеко не всем.

Основные устройства применения универсального электромотора:

Дрели и шуруповерты
Миксеры и блендеры
Вентиляторы
Пылесосы
Насосы
Швейные машины
Стеклоочистители

Такой мотор используется в первую очередь в оборудовании, где уровень шума некритичен и важны большие обороты вращения. На сайте eltaltd.com.ua вы сможете найти большой каталог в категории Электродвигатели. Там вы сможете найти товары таких известных брендов как Siemens, ABB, Lenze и много других

Подписывайтесь на наши обновления:

Источник: gk-rosenergo.ru