Коллекторные однофазные двигатели переменного тока

 

Принцип работы и описание конструкции. Достоинства, недостатки и сферы применения

Хорошо известные многим асинхронные двигатели переменного тока не лишены недостатков, таких как невысокая перегрузочная способность, сложность и небольшой диапазон регулирования, невысокий пусковой момент. Все эти проблемы давно и достаточно успешно решаются применительно к общепромышленному асинхронному электроприводу.

Тем не менее, в некоторых электроприводах используются двигатели, получающие питание от сети переменного тока, но предоставляющие полный набор преимуществ, характерных для электрических машин постоянного тока. Речь идет о коллекторных однофазных электродвигателях переменного тока.

Дело в том, что любой электродвигатель постоянного тока теоретически может работать от сети переменного напряжения. Ведь направление его электромагнитного момента в любой момент времени зависит от текущего направления электрических токов в якорной обмотке и в обмотке возбуждения.

Если обе обмотки подключить в одну сеть переменного тока с частотой 50 герц, то ток в них будет менять свое направление одновременно. Поэтому крутящий момент не будет менять своего направления – двигатель будет набирать обороты, в том числе под нагрузкой.

На практике же все бывает немного сложнее. При независимом или параллельном включении обмотки возбуждения неизбежно возникает сдвиг фаз между напряжением сети и током возбуждения. Тогда электромагнитный момент будет попеременно менять свое направление, и нормальная работа привода будет невозможна.

Поэтому, коллекторные двигатели, предназначенные для включения в сеть переменного тока, имеют обмотку возбуждения, включенную последовательно с якорной обмоткой. В этом случае ток обмоток общий, и его направление может измениться только в обеих обмотках.

Это обеспечивает электромагнитный момент постоянного направления. Обычно, обмотка возбуждения делится на две части, одна из которых включается до якоря, а другая – после (относительно фазного провода). Для устранения влияния реакции якоря часто включаются дополнительные, компенсационные обмотки.

Для включения в сеть переменного напряжения традиционный для двигателей постоянного тока цельный, сварной магнитопровод статора не подходит – слишком большой величины будут достигать токи Фуко и связанные с ними потери на перемагничивание. Поэтому, магнитопроводы коллекторных двигателей переменного тока выполняются шихтованными из отдельных пластин.

Механическая и электромеханическая характеристики коллекторных двигателей переменного тока схожи с характеристиками электродвигателями постоянного тока последовательного возбуждения. Но в целом характеристики получаются хуже: из-за сдвига фаз на переменном токе коллекторный электродвигатель потребляет больший ток. Увеличение происходит за счет возникновения реактивной составляющей, и оно же становится причиной снижения КПД.

Их коммутация осложнена из-за наличия коллекторно-щеточного аппарата. Поэтому, мощность однофазных коллекторных машин ограничена несколькими киловаттами. Большая мощность нецелесообразна из-за больших потерь и повышенного износа щеток и коллекторных пластин.

Непрерывная коммутация щеток на коллекторе двигателей переменного тока способна генерировать достаточно мощные электромагнитные радиопомехи. Это легко замечают люди, имеющие опыт одновременного бритья электробритвой на 220 вольт и прослушивания радиоприемника. Чтобы минимизировать эти помехи, параллельно якорю двигателя устанавливаются фильтры, содержащие конденсатор.

Нормативная наработка на отказ коллекторных двигателей переменного тока составляет несколько тысяч часов. Это, конечно, немного в сравнении с обычными «асинхронниками». Однако, у них есть и свои преимущества.

Так, скорость вращения можно регулировать в очень широких пределах, причем разными способами: понижением напряжения или введением дополнительных сопротивлений в цепь питания. А вот изменение частоты питающего напряжения на скорость коллекторного электромотора не влияет.

Предельные и номинальные частоты вращения коллекторных двигателей могут достигать десяти тысяч оборотов в минуту, что недостижимо для асинхронных. Кроме того, они имеют очень хороший пусковой момент, способны выдерживать серьезные перегрузки и даже воздействие режима короткого замыкания в течение нескольких секунд без ущерба для своей конструкции.

Коллекторные однофазные двигатели отличаются высокой удельной мощностью: они компактны и приемисты. Благодаря своей, не особенно сложной конструкции, эти машины приобрели довольно широкую популярность среди производителей бытовой техники и ручного электроинструмента.

Так, подавляющее большинство пылесосов, стиральных машин, кухонных комбайнов, углошлифовальных машин, дрелей оснащены именно коллекторными однофазными электродвигателями, способными включаться в сеть как переменного, так и постоянного тока.

Для подключения в сеть постоянного тока в них используется вся обмотка возбуждения, а для включения в переменную сеть – часть ее. Тогда необходимость в компенсационных обмотках отпадает, а двигатель может считаться универсальным.

Как работает коллекторный двигатель переменного тока

Применение и устройство коллекторных электродвигателей

Коллекторный электродвигатель
по своему устройству принципиально не отличается от двухполюсного двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. К отличительным особенностям коллекторных двигателей относятся: высокая скорость вращения якоря, малые габаритные размеры и масса. Используются в пылесосах, кухонных машинах, ручных электроинструментах. Для указанных машин, как правило, применяются универсальные (встраиваемые) коллекторные электродвигатели. Универсальными принято называть коллекторные двигатели, которые работают как от переменного, так и постоянного тока.

Коллекторный электродвигатель переменного тока конструктивно сложнее двигателя постоянного тока. Эти усложнения связаны с необходимостью набора сердечника индуктора из отдельных листов, а также закладывания дополнительной обмотки, компенсирующей явления, связанные с искрением под щетками. Нельзя не отметить и такие недостатки этих машин, как высокий уровень шума, помехи радиоприему, стирание угольных щеток. Вместе с тем по некоторым параметрам они превосходят асинхронные двигатели. К ним можно отнести: большое значение максимальной скорости вращения (до 25 000 об/мин), возможность ее плавной регулировки, наличие хороших пусковых данных.

Для того чтобы понять, как работает коллекторный электродвигатель, его принцип работы можно проиллюстрировать на следующем простом опыте (рис. 1). Если пустить ток по рамке прямоугольной формы, помещенной между полюсами магнита (постоянного или электромагнита), она начинает вращаться. С помощью контактов-полуколец обеспечивается переключение тока в рамке, благодаря чему осуществляется ее непрерывное вращение в одном направлении. Коллекторные двигатели содержат много таких рамок, и соответствующее количество пар контактов. Таким образом, работа двигателей данного вида обеспечивается за счет взаимодействия магнитных полей, присутствующих в статоре и якоре.

На рис. 2 показана схема, поясняющая подключение коллекторных электродвигателей. Вся силовая нагрузка выполняется симистором, подающим напряжение на двигатель и подключенный к нему последовательно.

Электродвигатели коллекторные однофазные имею высокую удельную мощность. Ими довольно широко и успешно оснащают бытовую технику и ручной электроинструмент. Коллекторные однофазные электродвигатели установлены на подавляющей части бытовых электроприборов. Подключение к сети постоянного тока осуществляется с помощью всей обмотки возбуждения. Для подключения к переменной сети используется лишь часть ее. Это освобождает от необходимости включения компенсационных обмоток.

Оригинал статьи размещен на нашем сайте cable.ru

.

Если этот материал был для Вас полезным, поделитесь

им в социальных сетях!

А для того, чтобы не пропустить выход новых статей, ставьте «лайк»

и
подписывайтесь
на наш канал:
Кабель.РФ: всё об электрике
.

Источник

Достоинства и недостатки коллекторных машин постоянного тока.

Электрические машины постоянного тока используют как в качестве генераторов, так и двигателей. Наибольшее применение имеют двигатели постоянного тока, диапазон мощности которых достаточно широк: от долей ватта (для привода устройств автоматики) до нескольких тысяч киловатт (для привода прокатных станов, шахтных подъемников и других крупных механизмов).

Двигатели постоянного тока широко используют для привода подъемных устройств в качестве крановых двигателей и привода транспортных средств, а также в качестве тяговых двигателей.

Основные достоинства двигателей постоянного тока по сравнению с бесколлекторными двигателями переменного тока — хорошие пусковые и регулировочные свойства, возможность получения частоты вращения более 3000 об/мин, а недостатки — относительно высокая стоимость, некоторая сложность в изготовлении, пониженная надежность. Эти недостатки машин постоянного тока обусловлены наличием в них щеточно-коплекторного узла, который к тому же является источником радиопомех и пожароопасности. Но, несмотря на отмеченные недостатки, двигатели постоянного тока в некоторых случаях пока незаменимы, так как обладают большой перегрузочной способностью, хорошими пусковыми и регулировочными свойствами.

Источник

Работа коллекторного электродвигателя переменного тока

В бытовой технике, ручном электроинструменте, автомобильном электрооборудовании и системах автоматики очень часто применяется коллекторный электродвигатель переменного тока, схема подключения которого, как и устройство схожи с двигателями постоянного возбуждения постоянного тока.

Столь распространенное применение их объясняется компактностью, небольшим весом, невысокой стоимостью и простотой управления. В этом сегменте наиболее востребованы двигатели с высокой частотой и малой мощностью.

Подключение однофазного коллекторного двигателя — переменного тока

В этой теме необходимо понять, — как именно подключается однофазный коллекторный двигатель переменного тока, допустим, после его ремонта. Электрическая схема рис.1 дает нам представление о характере электрических соединений, то-есть, здесь мы можем заметить, что две обмотки статора электродвигателя в электрической цепи состоят в последовательном соединении, а две обмотки ротора электродвигателя относительно внешнего источника напряжения — соединены параллельно и электрическая цепь для данного примера замыкается на обмотках ротора электродвигателя.

Принцип работ и конструктивные особенности

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

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

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

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

Видео: Универсальный коллекторный двигатель

Виды КД

Классифицировать данные устройства принято по типу питания, в зависимости от этого различают две группы КД:

1. Постоянного тока. Такие машины отличаются высоким пусковым моментом, плавным управлением частоты вращения и относительно простой конструкцией.
2. Универсальные. Могут работать как от постоянного, так и переменного источника электроэнергии. Отличаются компактными размерами, невысокой стоимостью и простотой управления.

Первые, делятся на два подвида, в зависимости от организации индуктора он может быть на постоянных магнитах или специальных катушках возбуждения. Они служат для создания магнитного потока, необходимого для образования вращательного момента. КД, где используются катушки возбуждения, различают по типам обмоток, они могут быть:

• независимыми;
• параллельными;
• последовательными;
• смешанными.

Разобравшись с видами, рассмотрим каждый из них.

КД универсального типа

На рисунке ниже представлен внешний вид электромашины данного типа и ее основные элементы конструкции. Данное исполнение характерно практически для всех КД.

Конструкция универсального коллекторного двигателя

Обозначения:

• А – механический коммутатор, его также называют коллектором, его функции были описаны выше.
• В – щеткодержатели, служат для крепления щеток (как правило, из графита), через которые напряжение поступает на обмотки якоря.
• С – Сердечник статора (набирается из пластин, материалом для которых служит электротехническая сталь).
• D – Обмотки статора, данный узел относится к системе возбуждения (индуктору).
• Е – Вал якоря.

У устройств данного типа, возбуждение может быть последовательным и параллельным, но поскольку последний вариант сейчас не производят, мы его не будем рассматривать. Что касается универсальных КД последовательного возбуждения, то типовая схема таких электромашин представлена ниже.

Схема универсального коллекторного двигателя

Универсальный КД может работать от переменного напряжения благодаря тому, что когда происходит смена полярности, ток в обмотках возбуждения и якоря также меняет направление. В результате этого вращательный момент не изменяет своего направления.

Особенности и область применения универсальных КД

Основные недостатки данного устройства проявляются при его подключении к источникам переменного напряжения, что отражается в следующем:

• снижение КПД;
• повышенное искрообразование в щеточно-коллекторном узле, и как следствие, его быстрый износ.

Ранее КД широко применялись, во многих бытовых электроприборах (инструмент, стиральные машины, пылесосы и т.д.). На текущий момент производители практически престали использовать данный тип двигателей отдав предпочтение безколлекторным электромашинам.

Теперь рассмотрим коллекторные электромашины, работающие от источников постоянного напряжения.

КД с индуктором на постоянных магнитах

Конструктивно такие электромашины отличаются от универсальных тем, что вместо катушек возбуждения используются постоянные магниты.

Конструкция коллекторного двигателя на постоянных магнитах и его схема

Этот вид КД получил наибольшее распространение по сравнению с другими электромашинами данного типа. Это объясняется невысокой стоимостью вследствие простоты конструкции, простым управлением скорости вращения (зависит от напряжения) и изменением его направления (достаточно изменить полярность). Мощность двигателя напрямую зависит от напряженности поля, создаваемого постоянными магнитами, что вносит определенные ограничения.

Основная сфера применения – маломощные приводы для различного оборудования, часто используется в детских игрушках.

КД на постоянных магнитах с игрушки времен СССР

К числу преимуществ можно отнести следующие качества:

• высокий момент силы даже на низкой частоте оборотов;
• динамичность управления;
• низкая стоимость.

Основные недостатки:

• малая мощность;
• потеря магнитами своих свойств от перегрева или с течением времени.

Схема подключения (упрощенная)

Типовая схема подключения предусматривает вывод на контактную планку до десяти контактов. Протекающий по одной из щеток ток L поступает на коллектор и якорь, затем переходит на обмотки статора через вторую щетку и перемычку, выходя на нейтраль N.

Реверса мотора подобный способ подключения не предусматривает, поскольку подсоединение обмоток параллельное приводит к одновременной смене полюсов магнитных полей. В итоге, направление момента всегда одинаково.

Рекомендуем:

Изменить направление вращения возможно, если поменять на контактной планке местами выхода обмоток. Напрямую двигатель включают, когда вывода ротора и статора подсоединены щеточно-коллекторный механизм. Для включения второй скорости используются выводы половины обмотки. Нельзя забывать, что с момента такого подключения мотор работает на максимальную мощность, поэтому время его эксплуатации не может превышать 15 секунд.

Видео: Подключение и регулировка оборотов двигателя от стиральной машины

Работа омметром

Искренние могло происходить из-за пропадания электрического контакта в одной из ламелей. Для замера сопротивления рекомендуется ставить щупы со стороны токосъемников. Вращая вал двигателя, наблюдают за показаниями циферблата. На экране должны быть нулевые значения. Если проскакивают цифры даже в несколько Ом, то это говорит о нагаре. При появлении бесконечного значения судят об обрыве в цепи.

Независимо от результатов далее следует проверить сопротивление между каждыми соседними ламелями. Оно должно быть одинаковым для каждого замера. При отклонениях нужно осмотреть все соединения катушек и поверхность прилегания щёток. Сами щетки должны иметь равномерный износ. При сколах и трещинах они подлежат замене.

Катушки соединяются с сердечником проводкой, которая могла отслоиться. Припой часто не выдерживает ударов от падений. У стартера ток через контакты может достигать 50А, что приводит к прогоранию некачественных соединений. Внешним осмотром определяют места повреждений. Если не обнаружили неисправности, то проводят замер сопротивления между ламелью и самой катушкой.

Управление двигателем

На практике применяют различные способы регулирования работы двигателя. Это может быть электронная схема, где регулирующим элементом выступает симистор, который на мотор «пропускает» заданное напряжение. Работает он как мгновенно срабатывающий ключ, открываясь, когда на его затвор поступает управляющий импульс.

В основе принципа действия, реализованного в схемах с симистором, лежит двухполупериодное фазовое регулирование, где к импульсам, которые поступают на электрод, привязано напряжение, подаваемое на двигатель. При этом, частота, с которой вращается якорь, прямо пропорциональна напряжению, подаваемому на обмотки.

Упрощенно этот принцип можно описать такими пунктами:

• на затвор симистора подается сигнал от электронной схемы;
• затвор открывается, ток течет по обмоткам статора, вызывая вращение якоря мотора М;
• мгновенные величины частоты вращения преобразуются тахогенератором в электрические сигналы, формируя с импульсами управления обратную связь;
• как следствие, вращение ротора при любых нагрузках, остается равномерным;
• с помощью реле R и R1 осуществляется реверс мотора.

Другая схема – тиристорана фазоимпульсная.

Преимущества машин и недостатки

К достоинствам относят:

• небольшие размеры;
• универсальность, т. е. работу на напряжении постоянном и переменном;
• большой пусковой момент;
• независимость от сетевой частоты;
• быстроту;
• мягкую регулировку оборотом в широком диапазоне при варьировании напряжением питания.

Недостатки связаны и использованием щеточно-коллекторного перехода, влекущего:

• уменьшение срока службы механизма;
• возникновение между щетками и коллектором искры;
• высокий уровень шума;
• большое число коллекторных элементов.

С обмотками возбуждения

Коллекторные двигатели постоянного тока с обмотками возбуждения нашли более широкое применение. От двигателей этого типа работает аккумуляторный электроинструмент: болгарки, дрели, шуруповерты т.д. Обмотки возбуждения делают из изолированного медного провода (в лаковой оболочке). В качестве основы используются канавки в полюсных наконечниках. На них как на основу наматываются обмотки.

Коллекторный двигатель с системой обмоточного возбуждения

Если посмотреть на устройство коллекторного двигателя, мы видим два несвязанных между собой устройства, ротор и обмотки возбуждения. От способа их подключения зависят характеристики и свойства двигателя. Различают четыре способа соединения ротора и обмоток возбуждения. Эти способы называют способами возбуждения. Вот они:

Способы подключения обмоток возбуждения

Коллекторные двигатели постоянного тока могут иметь КПД от 8-10% до 85-88%. Зависит от типа подключения. Но высокопродуктивные отличаются высокими оборотами (тысячи оборотов в минуту, реже сотни) и низким моментом, так что они идеальны для вентиляторов. Для любой другой техники используют низкооборотистые модели с малым КПД, либо к продуктивным моделям добавляют редуктор, другого решения пока не нашли.

Основные неисправности

Искрение, возникающее между щетками и коллектором – самый главный вопрос, требующий внимания. Чтобы избежать неисправностей более серьезных, таких как их отслаивание и деформация или перегрев ламелей, сработавшуюся щетку необходимо заменить.

Помимо этого, возможно замыкание между обмотками якоря и статора, вызывающее сильное искрение на переходе коллектор-щетка или значительное падение магнитного поля.

Чтобы продлить срок службы двигателя, необходимо соблюдение двух условий – профессиональный изготовитель и грамотный пользователь, т.е. строгое соблюдение режима работы.

Видео: Коллекторный электрический двигатель

Источник

Типичные неисправности

Якорь электродвигателя при нормальных режимах работы не подвергается износу. Заменяют только щетки, замеряя допустимую длину. Но при длительных нагрузках обмотки статора начинают нагреваться, что приводит к образованию нагара.

Из-за механических воздействий якорь электродвигателя может перекоситься при повреждении подшипниковых узлов. Двигатель будет работать, но постепенный износ ламелей или пластин приведет к окончательному выходу его из строя. Но для спасения недешевого оборудования часто достаточно провести профилактический ремонт и прибором можно будет пользоваться длительное время.

К негативным факторам, влияющим на якорь электродвигателя, относят попадание влаги на металлические поверхности. Критичным является длительное воздействие влажности и появление ржавчины. Из-за рыжих скоплений и грязи происходит повышение трения, это увеличивает токовую нагрузку. Контактные части греются, припой может отслаиваться, создавая периодическую искру.

В сервисном центре могут помочь, но это потребует определённых затрат. С поломкой можно справиться и самостоятельно, ознакомившись с вопросом: как проверить якорь электродвигателя в домашних условиях. Для диагностики понадобится прибор, замеряющий сопротивление и инструменты.

Как работает коллекторный двигатель со щеточным механизмом в бытовой технике

Пылесос, кофемолка, дрель, перфоратор, триммер — далеко не полный перечень оборудования, в котором используется преобразование электрической энергии в механическую для работы бытовых устройств.

Они содержат сложные технические узлы, требуют умелого обращения, периодического осмотра, правильного обслуживания. При небрежной работе возникают различные поломки.

Материал статьи представляет советы домашнему мастеру, работающему с электрическими инструментами или планирующему самостоятельный ремонт электродвигателя с щеточным механизмом и коллектором. Текст наглядно дополняется схемами, картинками и видеороликом.

Предоставленная информация собрана с целью привлечь внимание пользователей к правилам эксплуатации бытовых приборов с коллекторным двигателем. Она поможет осознанно фиксировать возникающие дефекты работающей схемы, оперативно устранять их.

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).

Компоновка и принцип работы

Подвижная часть коллекторного двигателя, как и любого другого, механически сбалансирована и закреплена в подшипниках вращения, вмонтированных в неподвижную станину.

Стационарный статор и вращающийся ротор имеют собственные обмотки из изолированного провода. По ним протекает электрический ток, создающий магнитные поля со своими полюсами: северным N и южным S.

При взаимодействии этих двух электромагнитных полей создается вращение ротора.

Поскольку к обеим обмоткам необходимо постоянно подводить напряжение, а ротор вращается, то для него смонтировано специальное устройство: коллектор с щеточным механизмом.

Коллекторный двигатель постоянного тока с магнитами

В коллекторных двигателях постоянного тока постоянное магнитное поле обеспечивают:

Магниты и обмотки располагаются на корпусе статора, и чаще всего, вверху и внизу. Если говорить о маломощных моторах, то более популярны коллекторные двигатели с постоянными магнитами. Они проще в производстве, дешевле, быстро реагируют на изменение напряжения, что позволяет плавно регулировать скорость. Недостаток моторов с постоянными магнитами является их невысокая мощность, а еще то, что со временем или при перегреве магниты теряют свои свойства и это приводит к ухудшению характеристик двигателя.

Устройство коллекторного двигателя постоянного тока

Такие моторы имеют небольшую мощность, от единиц до сотен Ватт. Они используются в технике, для которой важна плавная регулировка скоростей. Это обычно детские игрушки, некоторые виды бытовой техники (в основном вентиляторы). Недостатком коллекторного мотора с магнитами является постепенная потеря мощности, магниты со временем становятся слабее, и без того небольшая мощность падает. Но в последнее время появились новые магнитные сплавы с большой магнитной силой, позволяющие создавать двигатели с большой мощностью.

Электрическая схема

Для практических работ удобно пользоваться двумя видами ее представления:

Упрощенное отображение

Способ позволяет очень просто представить подключение всех обмоток двигателя к схеме электрической сети.

Выключатель разрывает оба потенциала фазы и нуля или один из них. Через щетки с коллектором создается цепь тока по обмоткам ротора.

Принципиальная схема

В зависимости от конструктивных особенностей обмотки статора и ротора могут иметь дополнительные отводы для питания различных устройств управления и автоматики коллекторного двигателя или обходиться без них.

Термозащита исключает перегревание изоляции обмоток двигателя. Она снимает напряжение питания при срабатывании датчика, останавливая вращение ротора и исполнительного механизма.

Тахогенератор позволяет судить о скорости вращения ротора. У отдельных двигателей его заменяют датчиком Холла. Для передачи сигналов к этим устройствам тоже используются контакты коллекторных пластин.

Принцип работы

Вот теперь, после того как рассмотрели устройство ротора, можно поговорить о том, как работает коллекторный двигатель. Собственно, принцип действия не отличается от других моторов, ротор начинает вращаться в магнитном поле благодаря наведенным на нём токам. Но как именно и почему эти тока наводятся? Для понимания надо вспомнить, как возникает электродвижущая сила в постоянном магнитном поле. Если в поле постоянного магнита ввести прямоугольную рамку, под действием возникающего в ней тока она начинает вращение. Направление вращения определяется по правилу буравчика. Для постоянного поля оно гласит так, если ввести правую руку в поле так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, вытянутые пальцы укажут направление движения.

Иллюстрация к пояснению принципа работы коллекторного двигателя постоянного тока

Если посмотреть на устройство ротора, то видим, что каждая обмотка представляет собой такую рамку. Только состоит она не из одного провода, а из нескольких, но сути это не меняет. При помощи коллекторного узла, в какой-то момент времени, обмотка подключается к питанию, по ней протекает ток и вокруг проводника возникает магнитное поле. Оно взаимодействует с полем статора. В зависимости от типа, стоят там постоянные магниты или тоже протекает постоянный ток в обмотках, генерируя на полюсах собственное магнитное поле. Поля ротора и статора рассчитаны так, что при взаимодействии они «проталкивают» ротор в нужном направлении. Вот, коротко и без особых подробностей описание работы коллекторного двигателя постоянного тока.

Проблемные места конструкции

Чаще всего неисправности могут возникнуть в:

• подшипниках:
• щеточном коллекторном узле;
• слое изоляции обмоток и проводов.

Подшипники

Их расположение выполняется по краям ротора с таким условием, чтобы максимально передавать осевую нагрузку крутящего момента.

У обычного бытового инструмента они могут повреждаться по двум основным причинам:

1. от неправильного приложения нагрузки:
2. в результате загрязнения.

Направления приложенных усилий

Подшипники бытового электроинструмента, как правило, не предназначены для восприятия боковых нагрузок. От частого их приложения, например, когда при работе дрелью нагружают не конец сверла, а прорезают щелевые отверстия его боком, на подшипниковый механизм передаются биения вала, создающие дополнительные люфты шариков в обоймах.

Работа в загрязненной среде

Коллекторный двигатель имеет воздушную систему охлаждения. Крыльчатка, надетая на ротор, забирает воздух через специальные щели в кожухе двигателя и прогоняет его по всему корпусу для отвода излишнего тепла от нагревающихся обмоток. Теплые потоки выбрасываются через специальные отверстия.

Если в помещении создана пыльная среда, то она будет засасываться внутрь корпуса и проникнет на подшипники и коллекторно-щеточный механизм. Возникнет абразивное воздействие на соприкасающихся при вращении частях, их преждевременный износ, а также нарушение электрической проводимости на контактах щеток.

Использование коллекторного двигателя не по назначению, например, сбор потока строительной пыли бытовым пылесосом вместо строительного, наиболее частая причина его поломки.

Отчего искрят щетки

Конструктивные особенности

При работе двигателя происходит постоянное трение щеток о контактные пластины коллектора, что требует периодического осмотра.

На рабочих поверхностях медных площадок появляется незначительный слой угольной пыли, как показано на фотографии. Это связано с расходом материала и износом щеток.

Этот процесс идет всегда при работе коллекторного двигателя. Даже при нормальном скольжении щетки создается незначительный разрыв цепи электрического тока. А это всегда связано с искрообразованием из-за возникновения переходных процессов и появлением микроскопических дуг. К тому же обмотки обладают высоким индуктивным сопротивлением.

Поэтому полностью исправный щеточный механизм при номинальной работе искрит, что не заметно взглядом, но ощущают чувствительные электронные приборы: телевизоры, компьютеры и другая техника. В схему их питания всегда устанавливают помехоподавляющие фильтры. Примером служит приведенная на сайте электрическая схема микроволновой печи с выделенным фрагментом зеленого цвета.

Износ материала щеток

Прижимаемая к коллекторной пластине токоведущая часть выполнена из угля. Ее объём изнашивается, а длина уменьшается. При этом ослабляется усилие нажима, создаваемое расправляемой пружиной.

Этот процесс может учитывается или не приниматься во внимание в разных конструкциях коллекторных двигателей.

Раритетные образцы

На старом двигателе выпуска 1960 года, приведенном в качестве примера, сжатие пружины осуществляется усилием завинчивания диэлектрической крышки.

Что такое универсальный двигатель? Как это работает?

---

04.06.2020

СОДЕРЖАНИЕ:

1. Основные части универсального двигателя
2. Как работает универсальный двигатель на постоянном токе?
3. Как универсальный двигатель работает с источником переменного тока
4. Универсальные двигатели и двигатели постоянного тока (Преимущества и недостатки)
5. Где используется универсальный двигатель?

Основные части универсального двигателя

Основная конструкция такого двигателя практически идентична обычному щеточному двигателю постоянного тока. Мы описали принцип его работы в следующей статье: Коллекторный и бесколлекторный двигатели. Однако он содержит магниты электромагнитного типа вместо постоянных и имеет дополнительные опции для работы с переменным током.

Основными частями его конструкции являются ротор и статор.

Статор — неподвижная часть.

Содержит несколько основных деталей:

1. Ламинированный корпус
2. Катушки возбуждения
3. Проводка от источника
4. Щетки

Ротор (якорь) является вращающейся частью.

Состоит из следующих основных деталей:

1. Вал
2. Коллектор
3. Обмотки ротора

Давайте посмотрим, что делает универсальный тип таким особенным, и опишем принцип его работы.

Как универсальный двигатель работает от постоянного тока?

При подключении к источнику постоянного тока работает как обычный двигатель постоянного тока со щетками.

Электроэнергия от источника поступает в обмотку статора (катушки возбуждения), через щетки попадает в коллектор и далее поступает в обмотки якоря. Каждая из щеток одновременно подключена к разным сегментам коммутатора и электричество через каждую из них проходит в одном направлении.

Следовательно, магнитные потоки будут действовать и в одном направлении. В свою очередь крутящий момент ротора также будет однонаправленным. Следовательно, он начинает вращаться (по или против часовой стрелки).

В таком режиме электродвигатель имеет наивысший КПД. Наиболее похожей альтернативой для работы с источником постоянного тока является двигатель BLDC. Однако из-за общего использования в нем постоянных магнитов его максимальный крутящий момент намного ниже, чем у универсальных типов.

Принцип работы универсального двигателя с источником переменного тока

Когда универсальный двигатель работает на переменном токе, также используется последовательное соединение обмоток. Он связывает обмотки ротора и статора (как описано выше). Таким образом, нет никакой разницы между универсальным двигателем переменного и постоянного тока.

Однако в случае переменного тока он будет течь в разных направлениях в противоположных катушках. Поэтому используется последовательное соединение. Благодаря такому типу схемы смена полюсов и, следовательно, магнитных потоков в обмотках происходит практически одновременно.

Поскольку магнитные потоки действуют в одном направлении, следовательно, действие крутящего момента также однонаправлено. Ротор всегда будет вращаться одинаково, несмотря на пульсирующий ток.

Однако, если вы подключите обычный двигатель постоянного тока к источнику переменного тока, он не будет работать. Это происходит из-за флуктуирующего магнитного поля и больших потерь на вихревые токи Фуко.

Во избежание этих явлений статор изготовлен из набора специальных тонких ламинированных пластин, а обмотка разделена на несколько секций.

Работа с переменным током также вызывает возникновение электродвижущей силы и сильное искрение на щетках двигателя. Поэтому контактные щетки должны быть изготовлены из материала с высоким сопротивлением.

Внимание! Когда двигатель работает с переменным током, его общий КПД будет намного ниже. Поэтому всегда нужно проверять значение КПД в спецификациях отдельно для переменного и постоянного тока.

Хорошо, как он вращается понятно, но как изменить направление вращения универсального двигателя? Это очень просто. Для изменения направления вращения достаточно поменять местами соединения обмоток либо ротора, либо статора.

Универсальные двигатели по сравнению с двигателями постоянного тока (Преимущества и недостатки)

Универсальные двигатели имеют несколько уникальных вариантов конструкции, описанных выше. Эти особенности дают свои плюсы и минусы по сравнению с обычными аналогами постоянного тока или индукции. Давайте рассмотрим их подробно.

Основные преимущества:

1. Высокий пусковой момент . Механизм может быстро начать работать на сверхвысоких оборотах (до 8000 и даже до 20 000 об/мин) как при горячем, так и при холодном пуске.
2. Высокая удельная мощность . Он может работать с вдвое большей выходной мощностью, чем индуктивный аналог того же размера.
3. Низкая цена . Стоимость мотора немного выше обычного щеточного и совсем меньше бесколлекторного.
4. Простая конструкция . Простая конструкция обеспечивает легкость обслуживания и ремонта.
5. Хороший срок службы . Основные детали достаточно прочные (кроме щеток).
6. Портативность . Небольшие размеры позволяют использовать его в самых маленьких устройствах (фенах).
7. Работа без постоянного контроля . Двигатель можно отрегулировать, просто изменив напряжение с помощью преобразователя частоты.

Основные недостатки:

1. Шум и вибрация . Это происходит из-за того, что щетки трутся о участки якорного коллектора на высоких оборотах.
2. Низкая эффективность . Его КПД находится в диапазоне 55-80% и зависит от типа источника (постоянный/переменный).
3. Неэффективен при низком напряжении . КПД значительно снижается при работе с напряжением до 100В.
4. Щетки быстро перегорают . Из-за прямого контакта щеток с коллектором они требуют периодической замены или ремонта.

Где используется универсальный двигатель?

Универсальный электродвигатель, как мы выяснили, является простым, недорогим и быстроходным типом двигателя.

Возможность работы на чрезвычайно высокой скорости при подключении к однофазной сети переменного тока сделала их очень популярными в бытовой технике. Кроме того, он имеет миниатюрные размеры и может использоваться в компактных бытовых устройствах. В промышленных отраслях это оборудование также часто используется, но его эффективность подходит не всем.

Вот наиболее распространенные применения:

• Строилы и отвертки
• Смешков и блендеров
• вентиляторы и фен. используется преимущественно в местах, где уровень шума не критичен, но важны высокие обороты. Eltra Trade является надежным поставщиком продуктов автоматизации, и вы можете найти большой каталог двигателей таких марок, как Siemens, Lenze, ABB и т. д. на нашем веб-сайте. Проверить!

  Принцип работы асинхронных двигателей переменного тока

  Принцип работы асинхронных двигателей переменного тока

  Ранее я рассказывал, как работают двигатели постоянного тока, но асинхронные двигатели на самом деле гораздо полезнее для самодельных машин такие как ленточные пилы. Асинхронные двигатели сложнее понять. Это был злой и безумный гений Никола Тесла, который их изобрел. Существует обширная Википедия статья об асинхронных двигателях, поэтому я постараюсь сделать эту страницу простой.

  Здесь я просто вытащил ротор из небольшого асинхронного двигателя с заштрихованными полюсами. (тип, который будет использоваться для питания вентилятора внутри морозильной камеры холодильник). Электрические соединения с ротором отсутствуют. Ротор тоже не магнит, хотя и притягивается магнитом.

  Обратите внимание на наклонные линии на роторе. На самом деле это своего рода обмотки короткого замыкания из алюминия, залитого место (светлые диски на обоих концах образуют часть этого короткого обмотка цепи). Эта обмотка короткого замыкания является ключом к тому, что делает моторная работа.

  Если ротор подвергается воздействию изменяющегося магнитного поля, небольшое напряжение индуцируется в обмотках. Поскольку обмотки короткозамкнуты, это вызывает протекание тока, который, в свою очередь, создает магнитное поле. который препятствует изменению магнитного поля. Обмотки эффективно сделать ротор, который, хотя и обладает магнитной проницаемостью, сопротивляется быстрому меняется на его магнитное поле.

  Аналогичный эффект можно продемонстрировать, вращая алюминиевый диск. подвергая часть его магнитному полю через диск. Как вращающийся диск удерживается между магнитами, прикрепленными к металлической скобе на этом фото тормозит сразу. Как и в роторе асинхронного двигателя, изменяющееся магнитное поле индуцирует ток в алюминии, что, в свою очередь, противодействует изменению. Магнитное поле через диск следует за вращением, оттягивая его назад и останавливая вращения в короткие сроки (фактически в пределах четверти оборота диска). Рекомендую посмотреть видео вверху этой статьи, оно делает это гораздо понятнее.

  Тот факт, что ротор не любит изменений в магнитном поле, делает асинхронный двигатель работает как электрический тормоз, когда на него подается постоянный ток его обмотки.

  Здесь у меня есть 10-фунтовый груз, прикрепленный к шкиву на двигателе. Подача нескольких ампер на обмотки этой печи мощностью в поллошадиной силы двигателя достаточно, чтобы заставить вес падать очень медленно. Однако нет независимо от того, какой ток применяется, вес все равно будет медленно падать, потому что ротор сопротивляется только изменению

  в магнитном поле, поэтому эффект торможения происходит только при вращении ротора.

  Пока что мы установили, что асинхронные двигатели хороши на , а не на . превращение. Но если магнитное поле движется, ротор хочет вращаться вместе с ним. Возвращаясь к примеру с металлическим диском, если я двигаю магниты быстро мимо диска, диск начинает вращаться, следуя за магнитами.

  Если бы мы вращали статор вокруг ротора, это заставляло бы ротор вращаться.

  также. Но это было бы бесполезно в качестве двигателя.

  В трехфазном асинхронном двигателе переменного тока создадим вращающееся магнитное поле путем подачи электрического тока на разные обмотки в разное время.

  Представьте, что через синие обмотки проходит ток, так что полюс 1 Север и полюс 4 — Юг. Далее пропускаем ток через красный обмотки так, чтобы 2 северная и 5 южная, далее через зеленую, делая 3 севера, а потом снова по синему, но в обратном направлении направление, как и раньше, так что 4 — это север, а 1 — юг. Это будет создать вращающееся магнитное поле.

  В реальном трехфазном двигателе мы фактически применяем синусоидальные волны ко всем трем обмотки одновременно. Синусоиды все 60 градусов (или один шестая часть цикла) не совпадают по фазе друг с другом, так что север плавно переходы с 1 на 2, со 2 на 3 и т.д.

  Статор создает вращающееся магнитное поле. Ротор будет пассивно намагничиваться этим полем. Но ротор обмотки короткого замыкания заставляют его сопротивляться изменениям магнитного поля, поэтому вращение поля в статоре будет отставать от такового в ротор. При отставании угла поля в статоре, магнитное притяжение заставит сам ротор вращаться, в конце концов со скоростью, близкой, но не совсем к скорости вращающегося поля в статоре.

  Я должен добавить, что в реальной трехфазной передаче фазы 120° (одна треть периода цикла) не совпадают по фазе друг с другом, а не на 60°. Но мы можем получить 60°, взяв третью фазу, которая составляет 240° градусов. не в фазе от первого и поменять местами провода, что меняет его или изменяет это фаза на 180°. 240 — 180 = 60. Фазы 120° градусов не совпадают по фазе друг с другом, так что сумма токов через все три фазы всегда дают в сумме ноль. Таким образом, ток не должен течь через нейтральный (заземляющий) проводник.

  Работу трехфазных асинхронных двигателей понять легче, но в большинстве домов только однофазный переменный ток. Однако в Северной Америке В системах на 120 вольт однофазное питание часто называют двухфазным мощность, потому что есть две противоположные фазы по 120 вольт. Но эти сдвинуты по фазе на 180 градусов.

  Между ними 240 вольт. но не приближает нас к вращающемуся полю.

  С однофазным мы можем создать только поле, которое ходит туда-сюда. Однако, если мы подвергнем ротор асинхронного двигателя возвратно-поступательному поле, а оно уже кружится, оно будет следовать туда-сюда, так же, как вы можете поддерживать вращение маховика и кривошипа, просто нажимая и потянув за рукоятку. Но переменного поля будет недостаточно чтобы двигатель закрутился с места.

  В однофазных двигателях запуск двигателя обычно требует некоторого пусковая обмотка, которая, хотя и не совсем вращается поле, по крайней мере, создает переменное поле, имеющее некоторый вращательный Компонент для запуска ротора. Например, в затененном столбе двигатель, у нас есть медная обмотка короткого замыкания на одной стороне каждого столб. Обмотка короткого замыкания сопротивляется изменениям магнитного поля, вызывая изменение магнитного поля через обмотку короткого замыкания всегда отставать от основного полюса.

  Это заставляет ротор поворачиваться от основного полюса к короткозамкнутую часть при изменении магнитного поля, потому что заштрихованная часть будет отставать от основного полюса. С сопротивлением ротора меняется и поле, поле в роторе, хотя и совмещенное с главный полюс находится сзади, поэтому его притягивает заштрихованная часть столб.

  Этот эффект работает даже в том случае, если в двигатель посылаются только импульсы постоянного тока. При условии, что двигатель вращается легко, каждый импульс приведет к тому, что ротор повернуться на несколько градусов.

  При подаче переменного тока двигатель работает непрерывно.

  Но заштрихованные полюса не обеспечивают большого пускового момента. По факту, крутящий момент, создаваемый заглохшим двигателем с расщепленными полюсами, значительно меньше, чем когда он работает почти на полной скорости. Но этого достаточно, чтобы получить двигатель работает.

  Но заштрихованные полюса — это обмотки короткого замыкания, поэтому они потребляют много силы. Это делает двигатели с экранированными полюсами очень неэффективными.

  В более крупных однофазных двигателях мощностью 1/4 л.с. и выше пуск обычно осуществляется вспомогательной обмоткой. Вспомогательная обмотка либо один с меньшим количеством витков и большим сопротивлением или последовательно с конденсатором. Любой метод делает магнитное поле немного не в фазе с основное поле, тем самым добавляя к полю вращательную составляющую, которая достаточно, чтобы запустить двигатель.

  Но пусковая обмотка обычно малоэффективна, поэтому большинство однофазные двигатели имеют центробежный выключатель, который отключает пусковая обмотка после того, как двигатель наберет скорость. Этот переключатель закрывается (повторное подключение) снова вызывает «щелчок», который вы слышите во многих двигателей по мере их останова, через секунду или две после выключения.

  Существует множество способов замены обмотки стартера на однофазных двигателях. может работать. К ним относятся:
  

  • Двигатели с конденсаторным пуском
    
  • Двигатели с резистивным пуском
    
  • Двигатели с расщепленной фазой (также известные как двигатели с конденсаторным пуском)
  О способах пуска однофазных двигателей можно было бы написать еще много, но это довольно сложная тема, поэтому я не буду вдаваться в подробности здесь. Однако статья в Википедии по асинхронным двигателям гораздо больше подробностей.

  Двухполюсный и четырехполюсный
  Большинство асинхронных двигателей являются либо двухполюсными, либо четырехполюсными. В двухполюсном двигателе статор имеет один северный и один южный полюс в любой момент времени, а ротору нужно сделать один полный оборот (или около того) за каждый цикл. Для систем 60 Гц, двухполюсный индукционный ротор будет работать со скоростью от 3500 до 3600 об/мин (или около 58-60 об/мин). оборотов в секунду). Для систем с частотой 50 Гц двухполюсный двигатель будет работать 2900 до 3000 об/мин.

  В четырехполюсном двигателе статор в любой момент времени имеет два северных и два южных полюса, с севером и югом всегда на расстоянии 90 градусов друг от друга (таким образом, два северных и два южных полюса всегда друг напротив друга). Ротор намагничивается по этой схеме. Для цикла требуется только половина оборота, и четырехполюсный двигатель будет работать от 1725 до 1800 об/мин для систем с частотой 60 Гц и от 1425 до 1500 об/мин для систем с частотой 50 Гц.