Коллекторный двигатель: виды, принцип работы, схемы

Вопросы и ответы
Содержание
  1. Что такое коллекторный двигатель?
  2. Проблемные места конструкции
  3. Подшипники
  4. Направления приложенных усилий
  5. Работа в загрязненной среде
  6. Отчего искрят щетки
  7. Конструктивные особенности
  8. Износ материала щеток
  9. Загрязненный коллектор
  10. Межвитковые замыкания в обмотках
  11. Пробой диэлектрического слоя изоляции
  12. Как возникают неисправности
  13. Принцип работы регулятора оборотов
  14. Схема подключения электродвигателя 380 на 220 вольт с конденсатором
  15. Из чего состоит конструкция?
  16. Схемы подключения однофазных асинхронных двигателей
  17. С пусковой обмоткой
  18. Конденсаторный
  19. Схема с двумя конденсаторами
  20. Подбор конденсаторов
  21. Виды КД
  22. КД универсального типа
  23. Особенности и область применения универсальных КД
  24. КД с индуктором на постоянных магнитах
  25. Независимые и параллельные катушки возбуждения
  26. Последовательная катушка возбуждения
  27. Преимущества и недостатки
  28. С обмотками возбуждения
  29. Подключение
  30. Принцип действия коллекторного двигателя
  31. Основные параметры электродвигателя
  32. Момент электродвигателя
  33. Мощность электродвигателя
  34. Механическая мощность
  35. Коэффициент полезного действия электродвигателя
  36. Момент инерции ротора
  37. Номинальное напряжение
  38. Электрическая постоянная времени
  39. Компоновка и принцип работы
  40. Виды двигателей постоянного тока
  41. Коллекторный мотор
  42. Универсальный коллекторный мотор
  43. Вентильно-индукторные двигатели
  44. Безколлекторный с независимым возбуждением
  45. Управление работой двигателя
  46. Строение асинхронного однофазного двигателя
  47. Асинхронный двигатель

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).

Собирает ротор электродвигателя (отмечен красным)
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:

  1. из-за неправильного применения:
  2. в результате загрязнения.

Подшипник коллекторного двигателя

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.

Осмотр щеток и коллектора ротора двигателя

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.

Принципиальная схема микроволновой печи

Износ материала щеток

Токоведущая часть, прижатая к пластине коллектора, выполнена из угля. Объем изнашивается, а длина уменьшается. Это ослабляет прижимное усилие, создаваемое распрямленной пружиной.

Щетки коллектора двигателя

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.

Грязная канализация

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.

Принцип работы регулятора оборотов

Регулятор скорости представляет собой узел, состоящий из следующих трех основных подсистем:

  1. Двигатель переменного тока;
  2. Главный контроллер станции;
  3. Привод и дополнительные детали.

Когда двигатель переменного тока запускается на полную мощность, ток передается на полной мощности нагрузкой, это повторяется 7-8 раз. Этот ток изгибает обмотки двигателя и вырабатывает тепло, которое будет выделяться в течение длительного времени. Это может значительно снизить долговечность двигателя. Другими словами, преобразователь представляет собой разновидность ступенчатого преобразователя, обеспечивающего двойное преобразование энергии.

Фото — схема регулятора для коллекторного двигателя

В зависимости от входного напряжения частотный регулятор скорости трехфазного или однофазного электродвигателя корректирует ток 220 или 380 вольт. Это действие выполняется с помощью выпрямительного диода, который находится на вводе энергии. Затем ток фильтруется с помощью конденсаторов. Затем формируется ШИМ, за это отвечает электрическая цепь. Теперь обмотки асинхронного двигателя готовы передавать импульсный сигнал и интегрировать их в нужную синусоиду. Даже с микроэлектродвигателем эти сигналы отправляются, в прямом смысле этого слова, пачками.

Фото — схема контроллера для бесколлекторных двигателей

Эта схема имеет две части — одна логическая, где на микросхеме расположен микроконтроллер, а другая силовая. В основном такая электрическая схема используется для мощного электродвигателя.

Видео: регулятор скорости двигателя с SHIRO V2

Схема подключения электродвигателя 380 на 220 вольт с конденсатором

Есть еще вариант подключения электродвигателя мощностью 380 вольт, который приводится в движение без нагрузки. Для этого также требуется рабочий конденсатор.

Один конец соединен с нулем, а другой конец соединен с выходом треугольника с порядковым номером три. Чтобы изменить направление вращения электродвигателя, стоит подключить его к фазе, а не к нулю.

Читайте также: Кондуктометрические датчики уровня – устройство и принцип работы

Схема подключения коллекторного двигателя

Схема подключения электродвигателя на 220 вольт через конденсаторы

В случае, когда мощность двигателя более 1,5 киловатта или он работает сразу с нагрузкой при пуске, необходимо параллельно рабочему конденсатору установить пусковой конденсатор. Он служит для увеличения пускового момента и включается всего на несколько секунд во время пуска. Для удобства он подключается с помощью кнопки, а управление всем блоком осуществляется тумблером или двухпозиционной кнопкой, имеющей два фиксированных положения. Чтобы запустить такой электродвигатель, нужно все подключить через кнопку (тумблер) и удерживать кнопку пуска до тех пор, пока он не запустится. Когда он заведется, вы просто отпускаете кнопку, и пружина размыкает контакты и выключает стартер

Схема подключения коллекторного двигателя

Специфика заключается в том, что асинхронные двигатели изначально предназначены для подключения к трехфазной сети 380 В или 220 В.

P = 1,73 * 220 В * 2,0 * 0,67 = 510 (Вт) расчет на 220 В

P = 1,73 * 380 * 1,16 * 0,67 = 510,9 (Вт) расчет на 380 В

По формуле становится понятно, что электрическая сила превышает механическую. Это необходимый запас для компенсации потерь мощности при пуске — создание вращающего момента магнитного поля.

Есть два типа обмотки — звезда и треугольник. По информации на этикетке двигателя можно определить, какая система в нем используется.

Из чего состоит конструкция?

В состав электродвигателя переменного тока помимо ротора и статора входят:

  • генератор скорости;
  • щеточно-коллекторный механизм.

Ток якоря взаимодействует с магнитным потоком обмотки возбуждения, вызывая вращение ротора в коллекторном механизме. Ток проходит через щетки к коллектору, представляющему собой узел ротора и включенному последовательно с обмоткой статора. Собирается из пластин с трапециевидным поперечным сечением.

Продемонстрировать принцип работы такого мотора можно на известном эксперименте из школьной программы с вращающейся рамкой, которую поместили между противоположными полюсами магнитного поля. Он вращается под действием динамических сил, когда через него протекает ток. При изменении направления тока рамка не меняет направление вращения.

Высокие холостые обороты, вызванные максимальным крутящим моментом при последовательном соединении обмоток возбуждения, могут привести к выходу механизма из строя.

Схемы подключения однофазных асинхронных двигателей

С пусковой обмоткой

Для подключения двигателя с пусковой обмоткой нужна кнопка, у которой после включения размыкается один из контактов. Эти размыкающие контакты должны быть подключены к пусковой обмотке. В магазинах есть такая кнопка — это ПНВС. Ее центральный контакт замыкается на период ожидания, а два крайних остаются в замкнутом состоянии.

Внешний вид кнопки ПНВС и состояние контактов после отпускания кнопки «пуск»

Сначала с помощью замеров определяем какая обмотка работает, какая запускается. Обычно выход с двигателя имеет три или четыре провода.

Рассмотрим трехпроводной вариант. При этом две обмотки уже объединены, то есть один из проводов общий. Берем тестер, измеряем сопротивление между всеми тремя парами. Наименьшее сопротивление имеет рабочая, среднее значение — пусковая обмотка, наибольшее — суммарная выходная (измеряется сопротивление двух последовательно соединенных обмоток).

Если имеется четыре отведения, они вызываются попарно. Найдите две пары. Тот где сопротивление меньше — работает, где больше — заводится. После этого подсоединяем провод от пусковой и рабочей обмоток, выводим общий провод. Всего остается три провода (как и в первом варианте):

  • один из трудового цикла — рабочий;
  • от пусковой обмотки;
  • генеральная.

С этими тремя проводами работаем дальше — используем для подключения однофазного двигателя.

Со всеми этими

 

  • Подключение однофазного двигателя с пусковой обмоткой через кнопку ПНВС

подключение однофазного двигателя

Подключаем все три провода к кнопке. Он также имеет три контакта. Обязательно кладем пусковой провод на средний контакт (который замыкается только на время пуска), два других — на крайний (произвольный). Подключаем кабель питания (от 220 В) к крайним входным контактам ПНВС, средний контакт подключаем перемычкой к рабочему (внимание! Не штатному). Это полная схема включения однофазного двигателя с пусковой обмоткой (бифилярной) через кнопку.

Конденсаторный

При подключении однофазного конденсаторного двигателя возможны варианты: есть три схемы подключения и все с конденсаторами. Без них двигатель гудит, но не заводится (если подключить по описанной выше схеме).

Схемы подключения однофазного конденсаторного двигателя

Первая схема — с конденсатором в цепи питания пусковой обмотки — запускается хорошо, но при работе ток отдается далеко от номинального, но значительно ниже. Схема переключателя с конденсатором в цепи связи рабочей обмотки имеет обратный эффект: не очень хорошие пусковые характеристики, но хорошие. Соответственно, первая схема используется в устройствах с жестким пуском (например, бетономешалки), а с работающим конденсатором — если требуется хорошая производительность.

Схема с двумя конденсаторами

Есть и третий вариант подключения однофазного двигателя (асинхронного) – установить оба конденсатора. Получается что-то среднее между описанными выше вариантами. Эта схема реализуется чаще всего. Он на картинке выше посередине или на картинке ниже более подробно. При организации этой схемы также необходима кнопка типа ПНВС, которая подключает конденсатор только не в момент пуска, до того, как двигатель «разгонится». Тогда две обмотки останутся подключенными, а вспомогательная через конденсатор.

Подключение однофазного двигателя: схема с двумя конденсаторами — рабочим и пусковым

При реализации других схем — с конденсатором — нужна обычная кнопка, автомат или тумблер. Там все просто висит вместе.

Подбор конденсаторов

Существует достаточно сложная формула, по которой можно точно рассчитать требуемую мощность, но вполне можно обойтись рекомендациями, выведенными из множества экспериментов:

  • рабочий конденсатор берется из расчета 70-80 мкФ на 1 кВт мощности двигателя;
  • лаунчер — в 2-3 раза больше.

Рабочее напряжение этих конденсаторов должно быть в 1,5 раза выше напряжения сети, то есть для сети 220 вольт берем емкости с рабочим напряжением 330 В и выше. А чтобы облегчить запуск, ищите специальный конденсатор для пусковой цепи. У них в маркировке есть слова Start или Starting, но можно взять и обычные.

Виды КД

Принято классифицировать эти устройства по типу источника питания, в зависимости от которого выделяют две группы КД:

  1. Постоянный ток. Такие машины отличаются высоким пусковым моментом, плавным регулированием скорости и относительно простой конструкцией.
  2. 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
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
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
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
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).

Схемы КД с независимой (А) и параллельной (Б) обмоткой возбуждения
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
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.

Преимущества и недостатки

К неоспоримым преимуществам таких машин можно отнести:

  • компактные размеры,
  • повышенный пусковой момент, «универсальная» работа на переменном и постоянном напряжении,
  • скорость и независимость от частоты сети,
  • плавное регулирование скорости в широком диапазоне за счет изменения напряжения питания.

Недостатком этих двигателей считается использование щеточно-коллекторного перехода, что вызывает:

  • снижение долговечности механизма,
  • искры между коллектором и щетками,
  • повышенный уровень шума
  • большое количество коллекционных предметов.

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.

Подключение

Расчет значений их емкости относительно прост: у рабочего 0,75 мкФ на 1 кВт мощности, у первого в 2,5 раза больше. Структура немного отличается от обычного однофазного асинхронного двигателя.

Схема с постоянно включенным конденсатором работает лучше в номинальном режиме, но имеет посредственные пусковые характеристики. Рабочее напряжение этих конденсаторов должно быть в 1,5 раза выше напряжения сети, то есть для сети Б принимаем емкости с рабочим напряжением В и выше.

Но несмотря на это, они широко используются в производстве бытовой техники. Эти двигатели имеют более низкие значения КПД.

После сборки схемы электромагнитного пускателя следует подключить силовую часть. Структура немного отличается от обычного однофазного асинхронного двигателя. Мощность может быть от пяти до десяти киловатт. Помимо наличия двух фаз требуется, чтобы одна обмотка была смещена относительно другой на определенный угол.

Рекомендуем: актуальные объемы и стандарты испытаний электрооборудования

Принцип действия коллекторного двигателя

Схема пуска: Пуск осуществляется магнитным полем, которое вращает подвижную часть двигателя. Следующий пример.

Однофазные асинхронные электродвигатели Конструкция и принцип действия Мощность такого однофазного двигателя Б может в зависимости от конструкции изменяться от 5 Вт до 10 кВт. От того какой из них разницы нет, направление вращения от этого не зависит. Глядя на картинку, хорошо видно, что сечение проводов разное. При подключении к рассматриваемому устройству осуществляется несколько типов соединений. То есть, если вспомогательная обмотка однофазного двигателя запускается, то она будет подключаться только при пуске, а если вспомогательная обмотка конденсаторная, то она будет подключаться через конденсатор, остающийся включенным во время работы двигателя.

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

Крутящий момент (синонимы: крутящий момент, крутящий момент, момент силы) — векторная физическая величина, равная произведению радиуса вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы на вектор этой силы.

,

  • где М — крутящий момент, Нм,
  • F — усилие, Н,
  • r – радиус-вектор, м

Справочно: Номинальный крутящий момент Мном, Нм, определяется по формуле

,

  • где Pном – номинальная мощность двигателя, Вт,
  • nном — номинальная скорость, мин-1

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

Справка: В английской системе измерения сила измеряется в унция-сила (oz, ozf, унция-сила) или фунт-сила (lb, lbf, pound-force)

1 унция = 1/16 фунта = 0,2780139 Н (Н) 1 фунт = 4,448222 Н (Н)

крутящий момент измеряется в унциях силы на дюйм (oz∙in) или фунтах силы на дюйм (lb∙in)

1 унция∙дюйм = 0,007062 Нм (Нм) 1 фунт∙дюйм = 0,112985 Нм (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность двигателя – это полезное механическое усилие на валу двигателя.

Мощность двигателя постоянного тока

Механическая мощность

Сила – это физическая величина, показывающая, какую работу выполняет механизм в единицу времени.,

  • где P – мощность, Вт,
  • А — работа, Дж,
  • т — время, п

Работа — это скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы в направлении F на путь s, пересекаемый точкой приложения силы .,

где s — расстояние, м

Для вращательного движения,

где угол, рад,,

где – угловая скорость, рад/с,

Таким образом, можно рассчитать величину механической силы на валу вращающегося электродвигателя

Справочно: Номинальное значение — указанное изготовителем значение параметра электротехнического изделия (устройства), на котором оно должно работать, являющееся исходной точкой для подсчета отклонений.

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя является характеристикой эффективности машины по отношению к преобразованию электрической энергии в механическую.,

  • где КПД электродвигателя,
  • P1 — потребляемая мощность (электрическая), Вт,
  • P2 — полезная мощность (), Вт
  • В котором

потери в электродвигателях обусловлены:

электрические потери — в виде тепла от теплопроводов с током;

магнитные потери — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, потери на гистерезис и магнитное последействие;

механические потери — потери на трение в подшипниках, вентиляции, щетках (при их наличии);

дополнительные потери — потери, вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающими из-за зубчатой ​​конструкции статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия определяет требования к эффективности для электродвигателей. IEC 60034-31:2010 определяет четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных двигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции — скалярная физическая величина, представляющая собой меру инерции тела, совершающего вращательное движение вокруг оси, равная сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси,

  • где J – момент инерции, кг∙м2,
  • m — масса, кг

Справка: В английской системе измерения момент инерции измеряется в унция-сила-дюйм (oz∙in∙s2)

1 унция∙дюйм∙с2 = 0,007062 кг∙м2 (кг∙м2)

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением,

где — угловое ускорение, с-2,

Справка: Определение момента инерции вращающейся части электродвигателя описано в ГОСТ 11828-86

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ nominal voltage) — напряжение, на которое рассчитана сеть или оборудование и с которым связаны их рабочие характеристики .

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени – это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на двигатель, когда ток достигает уровня 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.,

где постоянная времени, p

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при постоянном напряжении питания.

Компоновка и принцип работы

Подвижная часть коллекторного двигателя, как и все остальные, механически уравновешена и закреплена во вращающихся подшипниках, установленных в неподвижной раме.

Схема подключения коллекторного двигателя
Неподвижный статор и вращающийся ротор имеют собственные обмотки из изолированного провода. Через них протекает электрический ток и создает магнитные поля своими полюсами: северным северным и южным южным.

Взаимодействие между этими двумя электромагнитными полями создает вращение ротора.

Так как на обе обмотки необходимо постоянно подавать напряжение, а ротор вращается, для него устанавливается специальное устройство: коллектор с щеточным механизмом.

Виды двигателей постоянного тока

К концу 19 века уже началась эксплуатация электрических машин постоянного тока: генераторов и двигателей. При этом оба типа не отличаются конструктивно и могут использоваться как для выработки электроэнергии, так и для производства работ.

Коллекторный мотор

Принцип вращения рамки с током в поле постоянного магнита наиболее ярко реализован в коллекторных двигателях. Такие электродвигатели работают как на постоянном, так и на переменном токе. Впервые корабль с двигателем постоянного тока был спущен на воду Б. С. Якоби по Неве в 1838 году.

Такой двигатель состоит из неподвижной части (статора), на которую крепятся магниты для маломощных двигателей или катушки из ферримагнитной стали, и обмотки с медным проводом для мощных электрических машин.

Якорь МПТ собран из пластин электротехнической стали, изолированных от вала и друг от друга для уменьшения вихревых токов. В пазы цилиндра помещают витки медной проволоки разного сечения в зависимости от токов и выбранной схемы (петля, волна). Концы проводов выводят и вваривают (впаивают) в рейки коллектора.

Коллектор состоит из прикрепленных по периметру медноизолированных пластин (планок), изолированных друг от друга и корпуса якоря. Заземленные подпружиненные щетки, закрепленные в щеткодержателе, перемещаются по ним для последовательной подачи тока на обмотки якоря. При подаче напряжения на щетки якорь начинает вращаться и двигатель постоянного тока выходит на заданный режим.

Универсальный коллекторный мотор

Дальнейшее развитие коллекторных ДПТ позволило использовать их при работе от источников переменного тока. Для этого не только якорь прокатывают, но и цилиндр статора набирают из пластин электротехнической стали, а обмотки возбуждения соединяют последовательно с якорем. Одновременная смена их полярности при прохождении переменного тока не меняет направления вращения вала двигателя.

Основное отличие состоит в том, что ламинированные статор и якорь делают магнитный поток стабильным и не создают вихревых токов (меньше нагреваются). В остальном универсальный мотор мало чем отличается от обычного коллекторного.

Вентильно-индукторные двигатели

Такие электродвигатели иногда называют бесколлекторными или бесколлекторными. Суть этой конструкции заключается в том, что ротор имеет зубчатую конструкцию, состоящую из постоянных магнитов, а обмотки возбуждения расположены на полюсах шестерни статора.

Встроенный контроллер занимается переключением полюсов (катушек), датчик Холла отвечает за обратную связь, контролирующую положение якоря (ротора). При включении пары катушек магнит на роторе движется к ней, затем возбуждается следующая пара. Скорость вращения определяется частотой переключения катушек — чем выше частота, тем выше скорость.

Недостатком этой конструкции является пульсирующий крутящий момент. Преимущества: отсутствие коллектора или щеток, простая конструкция, хороший контроль скорости и небольшая занимаемая площадь.

Безколлекторный с независимым возбуждением

Конструкция ротора этого двигателя состоит из двух зубчатых передач из магнитной стали на общей оси. Вершины уплотняющих пальцев смещены относительно друг друга на 120°. Пакеты разнесены, а зубья одного совпадают с полостями другого, так что суммарный магнитный поток ротора равен нулю.

Обмотка возбуждения на статоре также распределена со смещением на 120°. Статор собран из электротехнической стали и имеет такие размеры, что магнитное поле перекрывает оба пакета магнитов ротора.

Поочередное завинчивание катушек ротора создает магнитное поле в обоих блоках магнитов и ротор начинает плавно вращаться. Изменяя частоту и направление включения секций обмотки возбуждения, а также силу тока в них, можно получить бесконтактный реверс, линейный момент и плавное изменение скорости.

Кроме этих достоинств, еще и отсутствие магнитов и графитовых щеток с коллектором. К недостаткам можно отнести сложность конструкции двигателей и питание обмоток от электронного преобразователя.

К несомненным достоинствам двигателей постоянного тока можно отнести:

  • уровень плавного регулирования оборотов достигает 10 000 об/мин;
  • легкое регулирование скорости за счет напряжения и крутящего момента — тока якоря;
  • за счет обратной связи можно поддерживать хороший момент на малых скоростях.

К их недостаткам можно отнести обязательное наличие преобразователя переменного тока в постоянный и сложность конструкции некоторых типов двигателей (коллекторы со щетками, сложный якорь).

Управление работой двигателя

На практике применяются двигатели с различными способами регулирования работы. Коллекторным двигателем можно управлять с помощью электронной схемы, где роль регулирующего элемента играет симистор, который «передает» на двигатель заданное напряжение. Симистор выполняет роль быстродействующего ключа, затвор которого получает управляющие импульсы и в заданный момент открывает его.

В схемах с использованием симистора реализован принцип работы, основанный на двухполупериодном фазовом регулировании, где величина напряжения, подаваемого на двигатель, связана с импульсами, подаваемыми на управляющий электрод. В этом случае частота вращения якоря прямо пропорциональна приложенному к обмоткам напряжению. Принцип работы схемы управления коллекторным двигателем просто описан в следующем разделе:

  • электронная схема посылает сигнал на затвор симистора,
  • заслонка открывается, ток протекает по обмоткам статора и дает вращение якорю двигателя М,
  • тахогенератор преобразует мгновенные значения скорости вращения в электрические сигналы, в результате формируется обратная связь с управляющими импульсами,
  • в результате ротор плавно вращается при любой нагрузке,
  • реверс электродвигателя осуществляется с помощью реле R1 и R

Помимо симистора имеется схема управления фазоимпульсным тиристором.

Строение асинхронного однофазного двигателя

Однофазный коллекторный двигатель переменного тока
Однофазный коллекторный двигатель переменного тока

Итак, в первой части статьи мы рассмотрели общие понятия однофазных двигателей, принцип их работы и подключения. Такой информации будет достаточно для поверхностного изучения, но нам такой подход не совсем подходит. Для любителей технических подробностей, давайте теперь разберем все более подробно.

Асинхронный двигатель

Электродвигатели бывают синхронными и асинхронными. Отличие между ними в том, что в синхронных скорость вращения якоря совпадает с вращением магнитного поля, а в асинхронных ротор отстает.

  • Последний вариант является наиболее распространенным, так как имеет более простую конструкцию и очень надежен. Синхронный используется только в тех областях, где очень важен контроль скорости двигателя.
  • Вы, наверное, уже заметили, что слово фаза относится к разным понятиям — и к количеству питающих проводов, и к обмоткам статора, и к смещению в углах. И мы даже говорили, что однофазные двигатели на самом деле имеют две фазы, но называются они таковыми именно из-за количества питающих линий.
  • Мы также писали, что двигатель имеет подвижную и неподвижную часть. Рассмотрим подробнее их структуру.

Однофазные коллекторные двигатели переменного тока
Однофазные коллекторные двигатели переменного тока

  • Ротор агрегата представляет собой вал, удерживаемый в корпусе двигателя вращающимися подшипниками. Благодаря им он свободно вращается вокруг своей оси. Строение этого элемента будет варьироваться в зависимости от того, коллекторный двигатель или бесщеточный. Начнем со второго.
  • Магнитопровод закреплен на валу бесщеточного фазного ротора, который собран из листов листовой стали.
  • Снаружи магнитопровода имеются пазы, в которых располагаются стержни обмотки — обычно из меди.

Двигатель с фазным ротором
Двигатель с фазным ротором

  • С концов стержни соединены с замыкающими их кольцами — они называются замыкающими кольцами.

Структура фазного ротора
Структура фазного ротора

  • Внутри этой обмотки будет протекать ток, который индуцируется магнитным полем статора — он не имеет внешних связей.
  • Магнитопровод служит для лучшего пропуска магнитного поля, создаваемого в роторе.
  • Такие устройства отличаются высокой надежностью, так как не имеют трущихся частей. Регулирование скорости двигателя осуществляется только за счет тока на основной обмотке статора.
  • Однофазный коллекторный двигатель переменного тока по своей конструкции мало чем отличается от ротора двигателя постоянного тока. Собственно, такие двигатели универсальны и могут питаться как переменным, так и постоянным током.
  • Фазы ротора подключаются к питающей сети через коллектор, контактирующий со щетками, которые, в свою очередь, подключаются к питающей сети.
  • Устройство таких двигателей более сложное, их надежность также будет ниже, но они более гибкие в управлении.

На фото - статор электродвигателя
На фото — статор электродвигателя

  • Статор является пассивной частью электродвигателя — он неподвижен и состоит из магнитопровода и обмотки.
  • Целью этого элемента является создание стационарного или вращающегося магнитного поля.
  • У однофазного двигателя от статора будет идти четыре провода – два на рабочую обмотку и два на пускатель. Как их отличить, мы уже писали.

Помимо этих элементов, двигатели имеют следующие узлы:

  • Каркас и корпус прибора, который удерживает все рабочие части и позволяет зафиксировать прибор на поверхности;
  • Внешняя электрическая цепь – кнопка включения, блок управления скоростью, провода и устройства для шунтирования дополнительной обмотки;
  • Крыльчатка – активное охлаждение двигателя, также расположенное на валу;
  • Поворотный подшипник.
Оцените статью
Блог про технические приборы и материалы