- Что такое коллекторный двигатель?
- Проблемные места конструкции
- Подшипники
- Направления приложенных усилий
- Работа в загрязненной среде
- Отчего искрят щетки
- Конструктивные особенности
- Износ материала щеток
- Загрязненный коллектор
- Межвитковые замыкания в обмотках
- Пробой диэлектрического слоя изоляции
- Как возникают неисправности
- Защитные устройства
- Недостатки в сравнении с асинхронным двигателем
- Преимущества и недостатки коллекторного двигателя
- Виды КД
- КД универсального типа
- Особенности и область применения универсальных КД
- КД с индуктором на постоянных магнитах
- Независимые и параллельные катушки возбуждения
- Последовательная катушка возбуждения
- Варианты обмоток возбуждения
- Аналоги без коллекторного узла
- Схема коллекторного двигателя — переменного тока
- Сопротивление обмоток — коллекторного двигателя
- Общее устройство коллекторных двигателей
- Управление универсальным электродвигателем
- Коллекторный двигатель постоянного тока с магнитами
- Плюсы и минусы эксплуатации
- Принцип работы универсального двигателя
- Области использования
- С обмотками возбуждения
- Принцип действия
- Составляющие элементы конструкции
- Разновидности модельного ряда
- Функциональные возможности мотора
- Понятие и особенности УКД
- Схема подключения (упрощенная)
Что такое коллекторный двигатель?
Это определение относится к электрической машине, которая преобразует электрическую энергию в механическую и наоборот. Конструкция устройства предполагает наличие хотя бы одной обмотки, соединенной с коллектором (см рис. 1).
Рисунок 1. Сборка ротора электродвигателя (отмечено красным)
В конструкторской документации этот конструктивный элемент используется для коммутации обмоток и как датчик для определения положения якоря (ротора).
Проблемные места конструкции
Чаще всего неисправности могут возникать в:
- хранить:
- щеточный узел в сборе;
- слой изоляции обмоток и проводов.
Подшипники
Их размещение осуществляется по краям ротора таким образом, чтобы осевая нагрузка крутящего момента максимально передавалась.
В обычном бытовом инструменте они могут выйти из строя по двум основным причинам:
- из-за неправильного применения:
- в результате загрязнения.
Направления приложенных усилий
Подшипники бытовых электроинструментов, как правило, не рассчитаны на боковые нагрузки. От их частого использования, например, когда при работе дрелью конец сверла не нагружается, а шлицевые отверстия нарезаны сбоку, ходы вала передаются на подшипниковый механизм, что создает дополнительную отдачу шариков в клетках.
Работа в загрязненной среде
Коллекторный двигатель имеет воздушную систему охлаждения. Подъемное колесо, установленное на роторе, забирает воздух через специальные прорези в корпусе двигателя и гоняет его по всему корпусу для отвода лишнего тепла от нагревательных змеевиков. Горячие потоки выбрасываются через специальные отверстия.
Если в помещении создается запыленная среда, она будет засасываться в корпус и проникать в подшипники и коллекторно-щеточный механизм. Произойдет абразивное воздействие на соприкасающиеся детали при вращении, их преждевременный износ, а также нарушение электропроводности на щеточных контактах.
Использование коллекторного мотора для других целей, например, для сбора потока строительной пыли бытовым пылесосом вместо строительного мотора, является наиболее распространенной причиной поломки.
Отчего искрят щетки
Конструктивные особенности
При работающем моторе щетки постоянно трутся о контактные пластины коллектора, что требует периодического осмотра.
На рабочих поверхностях медных колодок появляется небольшой слой угольной пыли, как показано на рисунке. Это связано с расходом материала и износом щеток.
Этот процесс всегда продолжается, когда работает коллекторный двигатель. Даже при нормальном скольжении щетки происходит небольшой разрыв в электрической цепи. А это всегда связано с искрением из-за возникновения переходных процессов и появления микроскопических дуг. Кроме того, обмотки обладают высоким индуктивным сопротивлением.
Поэтому полностью исправный щеточный механизм при номинальной работе искрит, что не заметно глазу, но ощущается чувствительными электронными устройствами: телевизорами, компьютерами и прочей техникой. В цепи питания всегда устанавливаются шумоподавляющие фильтры. Примером может служить электрическая схема микроволновой печи, показанная на сайте с выделенным зеленым фрагментом.
Износ материала щеток
Токоведущая часть, прижатая к пластине коллектора, выполнена из угля. Объем изнашивается, а длина уменьшается. Это ослабляет прижимное усилие, создаваемое распрямленной пружиной.
Этот процесс может учитываться или не учитываться в различных конструкциях коллекторных двигателей.
Загрязненный коллектор
Образование чрезмерно большого слоя угольной пыли с хорошими токопроводящими свойствами на пластинах может привести к их короткому замыканию. Удалять его нужно не только с наружной поверхности, но и из пространств между ними.
Графитовую пыль можно стереть мягкой тканью, слегка смоченной спиртом или бензином, или удалить тонкой деревянной палочкой.
Когда пластины коллектора потеряли первоначальную форму и стали зазубренными, их восстанавливают самой мелкой наждачной бумагой на токарных станках. Это сложная операция, требующая специального оборудования, но способная продлить срок службы коллекторного двигателя.
Межвитковые замыкания в обмотках
Их образование на статоре или роторе сильно снижает индуктивное сопротивление, приводит к возникновению дополнительных искр между разными частями коллектора и щеток. Возникает дополнительный перегрев.
Пробой диэлектрического слоя изоляции
Кратко коснемся причин образования дефектов и защитных устройств, которые необходимо использовать.
Как возникают неисправности
Медные провода жил всех обмоток покрыты слоем лака, который может быть поврежден:
- небрежно приложенные механические нагрузки;
- при повышенной температуре.
От этих же факторов происходит неисправность изоляции питающих линий ПВХ-покрытием.
В результате этих воздействий возникают следующие неисправности электрической цепи:
- межвитковое короткое замыкание, создающее дополнительный путь для протекания тока утечки, что значительно снижает производительность двигателя;
- короткое замыкание, которое может сжечь провода.
Защитные устройства
Недостатки в сравнении с асинхронным двигателем
— при изменении нагрузки обороты будут нестабильны;
— узел щеткосъемника делает узел ненадежным (необходимость использования максимально жестких щеток значительно снижает ресурс);
— коммутация переменного тока вызывает сильное искрение на коллекторе, генерируются радиопомехи;
— высокий уровень шума при работе;
— коллектор отличается большим количеством деталей, что делает двигатель достаточно массивным.
Современный коллекторный электродвигатель характеризуется ресурсом, сравнимым с характеристиками механических передач и рабочих органов.
Преимущества и недостатки коллекторного двигателя
Однофазный коллекторный двигатель переменного тока или аналогичный, питаемый от источника постоянного тока, имеет свои преимущества и недостатки.
Плюсы
- Однофазный коллекторный двигатель (универсальный), подключается к любому источнику питания. Такая конструкция позволяет работать двигателю от источника переменного тока, без применения выпрямителей;
- В отличие от бесколлекторных двигателей, коллекторные модели имеют небольшие размеры. Это означает, что блоки питания можно использовать для установки на электроинструменты, детские игрушки и т.п;
- Низкая мощность при запуске. Позволяет использовать двигатели от бытовой электросети;
- Легко регулировать вращение вала ротора. Для контроля скорости используется реостат. Если регулятор выйдет из строя, двигатель останется в работе;
Минусы
- Необходимость регулярного технического обслуживания. Графитовые щетки изнашиваются при длительном использовании. Необходимо вовремя менять щетки на новые. Нарушение этого правила может привести к выходу коллектора из строя;
- Отсутствие стабильности мощности. При изменении нагрузки на якорь могут изменяться токовые показатели силового агрегата.
Виды КД
Принято классифицировать эти устройства по типу источника питания, в зависимости от которого выделяют две группы КД:
- Постоянный ток. Такие машины отличаются высоким пусковым моментом, плавным регулированием скорости и относительно простой конструкцией.
- Универсальный. Может работать как от постоянного, так и от переменного источника питания. Отличаются компактными размерами, низкими затратами и простотой администрирования.
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 создания крутящего момента. КУ, где используются катушки возбуждения, характеризуются типами обмоток, они могут быть:
- независимый;
- параллельно;
- последовательный;
- смешанный.
Разобравшись с типами, рассмотрим каждый из них.
КД универсального типа
На рисунке ниже показан внешний вид электрической машины этого типа и ее основные конструктивные элементы. Такое исполнение характерно почти для всех компакт-дисков.
Конструкция универсального коллекторного двигателя
Обозначения:
- А – механический переключатель, его еще называют коллекторным, его функции описаны выше.
- Б — щеткодержатели, служат для крепления щеток (обычно из графита), через которые подается напряжение на обмотки якоря.
- C — Сердечник статора (состоит из пластин, материал которых электротехническая сталь).
- D — Обмотки статора, этот узел относится к системе возбуждения (индуктор).
- Е — анкерный вал.
Для устройств этого типа возбуждение может быть последовательным и параллельным, но поскольку последний вариант в настоящее время не производится, мы его рассматривать не будем. Что касается универсальных КД последовательного возбуждения, то типовая схема таких электрических машин представлена ниже.
Схема универсального коллекторного двигателя
Универсальный КД может работать на переменном токе за счет того, что при переполюсовке ток в обмотках возбуждения и якоря также меняет направление. В результате крутящий момент не меняет направление.
Особенности и область применения универсальных КД
Основные недостатки этого устройства проявляются при его подключении к источникам переменного напряжения, что выражается в следующем:
- снижение эффективности;
- повышенное искрение в щеточно-коллекторном узле и, как следствие, его быстрый износ.
В прошлом компакт-диски широко использовались во многих бытовых электроприборах (инструментах, стиральных машинах, пылесосах и т д.). В настоящее время производители практически перестали использовать этот тип двигателя, отдав предпочтение бесколлекторным электрическим машинам.
Теперь рассмотрим электрические коллекторные машины, работающие от источников постоянного напряжения.
КД с индуктором на постоянных магнитах
Конструктивно такие электрические машины отличаются от универсальных тем, что вместо катушек возбуждения используются постоянные магниты.
Конструкция коллекторного двигателя с постоянными магнитами и его компоновка
Этот тип переменного тока является наиболее распространенным по сравнению с другими электрическими машинами этого типа. Это связано с низкой стоимостью за счет простоты конструкции, простоты управления скоростью вращения (зависит от напряжения) и изменением направления (достаточно смены полярности). Мощность двигателя напрямую зависит от силы поля, создаваемого постоянными магнитами, что вносит определенные ограничения.
Основная область применения — маломощные приводы различной техники, часто используемые в детских игрушках.
Диск на постоянных магнитах от игрушки советских времен
К преимуществам относятся следующие особенности:
- высокий крутящий момент даже на низких оборотах;
- динамическое управление;
- бюджетный.
Основные недостатки:
- низкий ток;
- магниты теряют свои свойства из-за перегрева или со временем.
Для устранения одного из основных недостатков этих устройств (старение магнита) в системе возбуждения используются специальные обмотки, перейдем к рассмотрению таких СД.
Независимые и параллельные катушки возбуждения
Первая получила такое название из-за того, что обмотки индуктора и якоря не связаны друг с другом и питаются отдельно (см. А на рис. 6).
Рис. 6. Схемы КД с независимой (А) и параллельной (Б) обмоткой возбуждения
Особенность такого соединения в том, что питание U и UK должны быть разными, иначе крутящий момент не возникнет. При невозможности организовать такие условия катушки якоря и индуктора соединяют параллельно (см. Б на рис. 6). Оба типа компакт-дисков имеют одинаковые характеристики, мы сочли возможным объединить их в одном разделе.
Крутящий момент таких электрических машин высок на малых оборотах и уменьшается с ростом. Характерно, что токи якоря и катушки независимы, а общий ток представляет собой сумму токов, проходящих через эти обмотки. В результате, когда ток на катушку возбуждения упадет до 0, скорее всего, КД выйдет из строя.
Область применения таких агрегатов – электростанции мощностью от 3 кВт.
Положительные черты:
- отсутствие постоянных магнитов исключает проблему их выхода из строя со временем;
- высокий крутящий момент на низкой скорости;
- простое и динамичное управление.
Минусы:
- стоимость выше, чем у устройств с постоянными магнитами;
- недопустимость падения тока ниже порогового значения катушки намагничивания, так как это приведет к пробою.
Последовательная катушка возбуждения
Схема такого компакт-диска представлена на рисунке ниже.
Компоновка КД с последовательным возбуждением
Так как обмотки соединены последовательно, ток в них будет равным. В результате, когда ток в обмотке статора становится меньше номинального (это происходит при небольшой нагрузке), мощность магнитного потока уменьшается. Следовательно, при увеличении нагрузки мощность потока пропорционально возрастает, вплоть до полного насыщения магнитной системы, после чего эта зависимость нарушается. То есть в дальнейшем увеличение тока в обмотке катушки якоря не приведет к увеличению магнитного потока.
Указанная особенность проявляется в том, что не допускается запуск ПД данного типа при нагрузке на четверть меньше номинальной. Это может привести к тому, что ротор электрической машины сильно увеличит скорость вращения, т.е двигатель будет «перегреваться». Следовательно, эта функция вводит ограничения на область применения, например, в механизмах с ременным приводом. Это связано с тем, что при его обрыве электрическая машина начинает работать на холостом ходу.
Эта функция не распространяется на устройства мощностью менее 200 Вт, для которых допускаются перепады нагрузки вплоть до холостого хода.
Преимущества катушки серии PD такие же, как и у предыдущей модели, за исключением простоты и динамичности управления. Что касается недостатков, то к ним следует отнести:
- высокая стоимость по сравнению с аналогами на постоянных магнитах;
- низкий крутящий момент на высокой скорости;
- так как обмотки статора и возбуждения соединены последовательно, возникают проблемы с регулированием скорости;
- работа без нагрузки приводит к поломке КД.
Варианты обмоток возбуждения
Существует несколько способов подключения коллекторного двигателя постоянного тока. Возбуждение двигателя зависит от способа соединения обмоток.
- Независимое подключение. Обмотки двигателя постоянного тока подключаются отдельно. Для подключения используются два источника постоянного тока. Обмотка статора снабжена реостатом. Необходимо установить желаемую скорость вращения ротора. Обмотка ротора снабжена пусковым реостатом. Необходимо проверить силу тока в обмотке ротора при пуске силовой установки;
- Параллельное подключение. Обмотки якоря и статора питаются от одного источника питания. Обмотки снабжены регуляторами;
- Серийно подключен. Электродвигатель такой конструкции имеет обмотку статора, последовательно соединенную с обмоткой якоря. Ротор может быть оснащен регулятором для ограничения тока при пуске. Статор снабжен реостатом, регулирующим скорость вращения вала.
Смотрите также: фрезер по дереву
ВАЖНО: Последовательное подключение коллекторного двигателя без нагрузки может привести к его повреждению.
- Смешанное напряжение. В этой конструкции используются две катушки, соединенные параллельно и последовательно одновременно.
Аналоги без коллекторного узла
Коллекторный двигатель переменного тока имеет наиболее близкий ему по механическим свойствам аналог — вентиль, где щеточный коллекторный узел заменен преобразователем, снабженным датчиком положения ротора. В качестве электронного аналога этого устройства используется следующая система: выпрямитель, синхронный двигатель с датчиком угла поворота ротора, совмещенный с преобразователем. Однако наличие в роторе постоянных магнитов приводит к снижению максимального крутящего момента при сохранении габаритов.
Схема коллекторного двигателя — переменного тока
Сопротивление обмоток — коллекторного двигателя
Для измерения сопротивления обмоток статора коллекторного двигателя необходимо подключить щупы к измерительному блоку по очереди с выводами проводки фото 2.
Измерения сопротивления обмоток статора проводятся для определения их целостности или обрыва, перегорания провода в обмотке.
Для измерения сопротивления обмоток ротора коллекторного двигателя, — сопротивления ламелей начала и концов обмоток ротора, соединенных с металлическими пластинами — на коллекторе фото 3, рис. 3.
А для проверки отсутствия или короткого замыкания обмотки на корпус магнитопровода ротора нужно подключить один конец щупа к сборке пластины коллектора, а другой щуп подключить к магнитопроводу рис 4.
При замыкании обмотки ротора на корпус магнитопровода сопротивление этого участка примет нулевое значение.
В этой теме вы познакомились с устройством и методами диагностики коллекторного двигателя, и это еще не все.
Общее устройство коллекторных двигателей
Как и любой электродвигатель, коллектор преобразует электрическую энергию в механическую. Он состоит из неподвижной части — статора и подвижной части — ротора. Обмотки возбуждения расположены в статоре, за передачу возникающей механической энергии отвечает ротор. Одним из компонентов ротора является вал. С одной стороны на вал насажен коллекторный узел, с помощью которого электрическая энергия передается на обмотки ротора.
Коллекторный двигатель: шт
Статор состоит из корпуса, который защищает компоненты двигателя от повреждений. Магнитные стойки прикреплены к верхней и нижней части корпуса. Они необходимы для поддержания магнитного потока между статором и ротором.
Читайте также: Ветрогенератор на неодимовых магнитах своими руками
Управление универсальным электродвигателем
- Способы подключения универсального электродвигателя к электросети:
- прямое подключение к сети
- подключение через автотрансформатор
- подключение через регулятор
- симистор
- транзистор
Коллекторный двигатель постоянного тока с магнитами
В коллекторных двигателях постоянного тока постоянное магнитное поле обеспечивается:
- постоянные магниты;
- обмотки возбуждения.
Магниты и обмотки расположены на корпусе статора, а чаще всего вверху и внизу. Если говорить о маломощных двигателях, то большей популярностью пользуются коллекторные двигатели с постоянными магнитами. Они проще в изготовлении, дешевле, быстро реагируют на изменение напряжения, что позволяет плавно регулировать скорость. Недостатком двигателей с постоянными магнитами является их малая мощность, а также то, что со временем или при перегреве магниты теряют свои свойства и это приводит к ухудшению работы двигателя.
Блок коллекторного двигателя постоянного тока
Такие двигатели имеют малую мощность, от единиц до сотен ватт. Они используются в технике, где важна плавная регулировка скорости. Обычно это детские игрушки, некоторые виды бытовой техники (в основном вентиляторы).
Недостатком коллекторного двигателя с магнитами является постепенная потеря мощности, магниты со временем становятся слабее, и при этом мощность падает незначительно. Но в последнее время появились новые магнитные сплавы с высокой магнитной силой, позволяющие делать двигатели с большой мощностью.
Плюсы и минусы эксплуатации
Для сравнения квалифицированные специалисты использовали следующие параметры: оба устройства были подключены к домашней сети с частотой 50 Гц и напряжением 220 В. Мощность двигателей у устройств полностью одинакова. Полученная разница в механических параметрах может быть как большим плюсом, так и минусом (все зависит от того, какие требования пользователь предъявляет к накопителю).
Коллекторный двигатель имеет следующие преимущества перед двигателем постоянного тока:
- Меньший пусковой ток, что особенно важно для оборудования, используемого потребителями в быту.
- Устройство можно подключить напрямую к сети, нет необходимости устанавливать дополнительные устройства. А вот устройство с постоянным током нуждается в постоянном выпрямлении.
- Высокая скорость и полное отсутствие зависимости от частоты сети.
- Если это схема управления, собирающее устройство оказывается проще — тиристор и реостат. При выходе из строя электронной части само устройство остается работоспособным (но будет эксплуатироваться на полную мощность).
Не стоит забывать и о недостатках, которые должен тщательно изучить сам каждый потребитель перед покупкой устройства. Только в этом случае можно быть уверенным, что устройство соответствует всем требованиям.
Коллекторный двигатель имеет следующие недостатки:
- Общий процент КПД значительно снижается, так как есть индуктивность и потери на реверсирование статора.
- Значительно снижен максимальный крутящий момент.
- Относительно низкая надежность и короткий срок службы.
Любые изменения настроек возможны только в том случае, если устройство оснащено регулятором скорости. Различное количество подводимой мощности может изменить этот показатель всего на 10%. В то время как качественный регулятор скорости позволяет уменьшить количество в несколько раз.
Такое приспособление можно сделать самостоятельно или купить в специализированном магазине. Но надо проверить, сможет ли он работать в коллекторе с определенной мощностью и количеством оборотов. Если регулятор слабый, он просто сломается.
Принцип работы универсального двигателя
Возможность работы универсального двигателя от сети переменного тока объясняется тем, что при изменении полярности входного напряжения меняются направления токов в обмотке якоря и в обмотке возбуждения. При этом изменение полярности полюсов статора практически совпадает с изменением направления тока в обмотке якоря. В результате направление электромагнитного момента не меняется:
- где М — электромагнитный момент, Н∙м,
— постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами двигателя,
— ток в обмотке якоря, А,- F – основной магнитный поток, Вб.
В качестве универсального двигателя используется двигатель последовательного возбуждения, где ток якоря является одновременно и током намагничивания, что обеспечивает практически одновременное изменение направления тока в обмотке якоря Iа и тока намагничивания F при переходе от положительного полупериода сетевого напряжения переменного тока к отрицательному.
Если двигатель подключить к синусоидальной сети переменного тока, то ток якоря Iа и магнитный поток Ф будут изменяться по синусоидальному закону:
- где i — сила тока, А,
– амплитуда тока, А,
– частота, рад/с.
- куда
– наибольшее значение магнитного потока, Вб,
– угол сдвига фаз между током возбуждения и магнитным потоком, обусловленный магнитными потерями в двигателе, рад.
Отсюда получаем формулу для электромагнитного момента коллекторного двигателя последовательного возбуждения, включенного в сеть синусоидального переменного тока, Нм:
После преобразования:
Первая часть выражения представляет собой постоянную составляющую электромагнитного момента Мпост, а вторая часть — переменную составляющую этого момента Мпер, изменяющуюся во времени с частотой, равной удвоенной частоте питающего напряжения.
Таким образом, возникают импульсы электромагнитного момента при работе двигателя от сети переменного тока. Пульсации электромагнитного момента практически не мешают работе двигателя. Это объясняется тем, что при значительной частоте пульсаций электромагнитного момента () и большой момент инерции якоря, вращение последнего оказывается равномерным.
Области использования
Благодаря тому, что универсальный двигатель может иметь высокую скорость вращения при работе от однофазной сети переменного тока без применения дополнительных преобразовательных блоков, он нашел широкое применение в бытовой технике, такой как пылесосы, блендеры, фены и т.д. Универсальный электродвигатель также широко используется в таких инструментах, как дрели и шуруповерты.
Благодаря тому, что скорость вращения универсального двигателя легко регулируется изменением величины питающего напряжения, ранее он широко применялся в стиральных машинах. В настоящее время благодаря развитию преобразовательной техники более широко применяются бесщеточные электродвигатели (ПСДМ, АДКР), скорость вращения которых регулируется изменением частоты питающего напряжения.
Большое количество оборудования имеют силовые установки, работающие от электросети. Коллекторный двигатель представляет собой силовую установку, которая преобразует электрическую энергию в физическую энергию. Отличие коллекторного двигателя от бесщеточного заключается в наличии коллекторно-щеточного узла.
С обмотками возбуждения
Коллекторные двигатели постоянного тока с обмотками возбуждения нашли более широкое применение. От двигателей этого типа работает аккумуляторный электроинструмент: болгарки, дрели, шуруповерты и др. обмотки возбуждения выполнены из изолированного медного провода (в лаковой оболочке). В качестве основы используются канавки в полюсных наконечниках.
Обмотки намотаны на них как на основу.
Коллекторный двигатель с обмоткой возбуждения
Если мы посмотрим на сборку коллекторного двигателя, то увидим два не связанных между собой узла, ротор и обмотки возбуждения. Характеристики и характеристики двигателя зависят от способа подключения. Существует четыре способа соединения ротора и обмотки возбуждения. Эти методы называются методами возбуждения. Они здесь:
- Независимый. Это возможно только в том случае, если напряжения на обмотке возбуждения и на якоре разные (это случается очень редко). Если они равны, используется параллельная схема привода.
- Параллельно. Хорошо регулируемая скорость, стабильная работа на малых оборотах, постоянные характеристики вне зависимости от времени. К недостаткам этого типа подключения можно отнести неустойчивость двигателя при падении тока дросселя ниже нуля.
- Последовательный. При таком подключении невозможно включение двигателя при нагрузке на ось ниже 25% от номинальной. При отсутствии нагрузки скорость вращения резко возрастает, что может вывести двигатель из строя. Поэтому этот тип соединения не используется с ременной передачей; при обрыве ремня двигатель выходит из строя. Цепь последовательного намагничивания имеет высокий крутящий момент на низких скоростях, но не очень хорошо работает на высоких скоростях, трудно контролировать скорость.
- Смешанный. Считается одним из лучших. Он хорошо управляется, имеет высокий крутящий момент на низких оборотах, редко выходит из-под контроля. Из недостатков самая высокая цена по сравнению с другими видами.
Способы подключения обмоток возбуждения
Коллекторные двигатели постоянного тока могут иметь КПД от 8-10% до 85-88%. Зависит от типа соединения. А вот высокопроизводительные характеризуются высокими оборотами (тысячи оборотов в минуту, реже сотни) и малым крутящим моментом, поэтому идеально подходят для вентиляторов. Для любой другой техники используются тихоходные модели с низким КПД, либо к производительным моделям добавляется редуктор, другого решения пока не найдено.
Принцип действия
Устройство коллекторного электродвигателя показывает, как устройство преобразует электрическую энергию в механическую и наоборот. Это указывает на его возможность использования в качестве генератора. Стоит более подробно рассмотреть электрический коллекторный двигатель, схема которого продемонстрирует его возможности.
Законы физики ясно указывают, что при пропускании электрического тока через проводник в магнитном поле на него действует определенная сила. В этом случае работает правило правой руки, которое оказывает прямое влияние на мощность электродвигателя. Коллекторный двигатель работает именно по этому основному принципу.
Физика учит нас, что маленькие правила служат основой для создания правильных вещей. Это послужило основой для создания вращающейся в магнитном поле рамы, что позволило создать электрический коллекторный двигатель. На схеме видно, что пара проводников помещена в магнитное поле, токи в котором направлены в противоположные стороны, а значит и силы. Их сумма обеспечивает необходимый крутящий момент.
Устройство электродвигателя значительно сложнее, так как к нему добавляется целый комплекс необходимых элементов, в частности, коллектор, обеспечивающий одинаковое направление тока по полюсам. Неравномерное перемещение было устранено за счет размещения большего количества катушек на якоре, а постоянные магниты были заменены катушками, что устранило необходимость в постоянном токе. Это позволило придать крутящему моменту одно направление.
Составляющие элементы конструкции
Чтобы максимально правильно разобраться с функциями устройства коллекторного электродвигателя, нужно изучить все составляющие этого устройства. Ведь само устройство представлено в виде устройства постоянного тока, где есть последовательно соединенные обмотки возбуждения. Они предназначены для работы от бытовой электроэнергии.
Независимо от полярности двигатель всегда вращается только в одном направлении. Эта особенность связана с тем, что последовательное соединение обмоток ротора и статора приводит к одновременной смене магнитных полюсов. В результате результирующий момент направлен исключительно в одну сторону.
Высокий КПД при использовании коллекторного электродвигателя обусловлен наличием следующих элементов:
- Статор является постоянной частью установки.
- Якорь является составной частью коллекторного узла, в котором индуцируется электродвижущая сила и протекает ток нагрузки. Стоит отметить, что в качестве якоря может выступать как статор, так и ротор.
- Индуктор представляет собой специализированную систему возбуждения. Эта часть создает магнитный поток для своевременного создания крутящего момента. Индуктор должен быть снабжен обмоткой возбуждения или постоянными магнитами. Сама деталь может выступать составной частью статора или ротора.
- Ротор является вращающимся элементом машины.
- Коллектор – это основная часть двигателя, которая соприкасается со щетками (эти две части распределяют электрический ток по виткам обмотки якоря).
- Щетки являются составной частью цепи, по которой электричество передается от источника питания к светильнику. Эти элементы производятся из прочного графита. Двигатель постоянного тока может содержать от одной пары щеток и более.
Разновидности модельного ряда
Коллекторный двигатель представляет собой вращающуюся электрическую машину переменного тока, которая легко преобразует постоянный ток в механическую энергию. По крайней мере, одна обмотка, участвующая в этом процессе, подключена к основному коллектору.
Почти каждая модель состоит из следующих элементов:
- Высококачественный статор двухполюсного типа с постоянными магнитами.
- Профессиональный трехполюсный ротор на специальных подшипниках с эффектом скольжения.
- Медные пластины, используемые в качестве щеток для коллекторного двигателя.
Стоит отметить, что этот набор минимальный, из-за чего часто встречается в бюджетных моделях. Это касается и детских игрушек, где много труда не нужно.
В комплект с более качественными продуктами обычно добавляют еще несколько позиций:
- Многополюсный ротор на специальных роликовых подшипниках.
- Четыре щетки из графита, которые представлены в виде коллекторного узла.
- Статор с четырьмя полюсами, состоящий из постоянных магнитов.
Такие устройства обычно используются в современных автомобилях для обеспечения качественного привода вентилятора системы охлаждения и вентиляции, стеклоочистителей и насосов стеклоомывателя. Конечно, в продаже можно найти и более сложные устройства, отличающиеся не только производительностью и сферой применения, но и ценой.
Если мощность электродвигателя находится в пределах нескольких сотен ватт, в комплектацию обязательно входит четырехполюсный статор, который изготовлен из специальных магнитов. А вот качественное подключение к обмотке можно выполнить одним из следующих способов:
Параллельно. При различных режимах нагрузки все обороты остаются стабильными, но максимальный крутящий момент несколько снижается.
- Последовательно с ротором. Этот вариант отличается тем, что максимальный крутящий момент получает довольно внушительные цифры, но при этом высок риск отказа двигателя, так как устройство эксплуатируется пользователем на высоких оборотах.
- Независимая намагниченность от отдельного источника питания. Для этой ситуации используются те же свойства, присущие параллельному типу соединения. Следует отметить, что данный вариант используется специалистами крайне редко.
- Смешанный тип возбуждения, когда определенная часть существующей обмотки включена последовательно, а другая часть – параллельно. Эта конфигурация удачно сочетает в себе все преимущества предыдущих вариантов. Этот тип подключения идеально подходит для запуска автомобиля.
Но известные производители позаботились о наличии универсальных коллекторных двигателей. Их ключевой особенностью является то, что они отлично работают как на постоянном, так и на переменном токе. Они активно используются в бытовой технике, электроинструменте, а также на железнодорожном транспорте.
Такая популярность обусловлена тем, что они имеют достаточно небольшой вес и размер. К тому же цена у них более чем приемлемая, а количество оборотов, необходимое для работы, может установить каждый пользователь самостоятельно. За счет этого мотор-коллектор относится к категории агрегатов переменного тока, показывает отличные результаты даже при нестабильных источниках энергии.
Функциональные возможности мотора
На схеме коллекторно-двигательного агрегата прекрасно видно, как этот агрегат преобразует электроэнергию в механическую энергию и наоборот. Это говорит о том, что такое устройство можно было бы использовать даже в качестве генератора. При протекании тока по проводнику, помещенному в магнитное поле, на него действуют определенные силы. В то же время активен правый регулятор, который напрямую влияет на конечную мощность двигателя. Коллекторный агрегат работает именно по такому принципу.
На стандартной схеме хорошо видно, что пара проводников помещена в магнитное поле, токи которого направлены в разные стороны так же, как и силы. Сумма, образованная ими, дает необходимый для оборудования крутящий момент. В коллекторном двигателе производители также добавили целый ряд дополнительных компонентов, гарантирующих одинаковое направление тока по полюсам.
Благодаря тому, что на якоре расположено несколько катушек, неровность хода была полностью устранена. Кроме того, мастерам больше не нужно использовать постоянный ток, так как обычные магниты заменены более мощными катушками. На заключительном этапе производства крутящий момент принимает одно направление.
Понятие и особенности УКД
УКД или по расшифровке универсальный коллекторный двигатель обеспечивает передачу электрической энергии на рабочую часть оборудования. В зависимости от условий подключения, на которые он рассчитан, коллекторный двигатель может быть:
- универсальный тип;
- постоянный ток;
- переменный ток.
Названия обычно говорят сами за себя. Коллектор переменного тока питается от сети, в которой ток меняется через равные промежутки времени. ДК КД подключается к сетям с постоянными характеристиками, а УКД может работать в обе стороны.
В любом классе устройство отличается выгодной ценой и плавной регулировкой коллекторного двигателя в широком диапазоне скоростей. Правда, в универсальных моделях щетки требуют повышенного внимания – они сверкают, изнашиваются, трутся о коллектор и шумят, поэтому уход за ними должен быть более тщательным и частым, чем у аналогов переменного или постоянного тока.
Схема подключения (упрощенная)
Типовая схема подключения обеспечивает вывод до десяти контактов в список контактов. Ток L, протекающий через одну из щеток, поступает на коллектор и якорь, а затем через другую щетку и перемычку поступает на обмотки статора и выходит на нейтраль N.
Задняя часть двигателя не предусматривает подобного способа соединения, так как параллельное соединение обмоток приводит к одновременной смене полюсов магнитных полей. В результате направление момента всегда одно и то же.
Рекомендуемые:
- Джи Фантом 3 стандарт: инструкция, описание, преимущества
- Как называется электроруль без руля
- Классификация электродвигателей
Направление вращения можно изменить, изменив положение выводов обмотки на контактной планке. Двигатель включается непосредственно при подключении выводов ротора и статора к механизму щеточного коллектора. Для включения второй скорости используются провода половины обмотки. Нельзя забывать, что с момента такого подключения двигатель работает на максимальной мощности, поэтому время работы не может превышать 15 секунд.
Видео: Подключение и регулировка оборотов двигателя от стиральной машины