Коллекторный двигатель: устройство, управление, регулирование

Мы часто встречаемся с электродвигателями. Они обеспечивают работу бытовой и строительной техники, являются составной частью производственного оборудования. Немалая часть устройств имеет в составе коллекторный двигатель. Это один из простых и недорогих движков, который имеет хорошие характеристики. Именно этим, да ещё невысокой ценой, обусловлена его популярность. 

Содержание статьи

Что такое коллекторный двигатель и его особенности

Коллектором называют часть двигателя, контактирующую со щётками. Этот узел обеспечивает передачу электроэнергии в рабочую часть агрегата. Коллекторным называется двигатель, у которого хотя бы одна обмотка ротора соединена со щётками и коллектором. Коллекторные электродвигатели бывают:

• постоянного тока;
• переменного тока;
• универсальные.

Коллекторный двигатель может быть постоянного и переменного тока. Есть универсальные модели, которые могут работать от источника напряжения любого типа

Последние универсальные, работают как от постоянного, так и от переменного тока. Они сохраняют популярность, даже несмотря на то, что наличие щёток отрицательный момент, так как щётки стираются и искрят. За этим узлом требуется постоянное наблюдение, техническое обслуживание. К плюсам коллекторных двигателей относят возможность плавной регулировки скорости в широких пределах, невысокую стоимость.

Как и другие электромоторы, коллекторный состоит из статора и ротора (часто называют «якорь»). Его отличительной чертой является наличие на валу коллекторного узла, через который на машину передаётся электропитание. Устройство коллекторных моторов постоянного и переменного тока похожи, но имеют определённые отличия, потому рассмотрим подробнее их по отдельности.

Общее устройство коллекторных двигателей

Как и любой электродвигатель, коллекторный преобразует электрическую энергию в механическую. Он состоит из неподвижной части – статора и подвижной – ротора. В статоре располагаются обмотки возбуждения, ротор отвечает за передачу возникающей механической энергии. Одна из составляющих частей ротора – вал. С одной стороны, на валу размещён коллекторный узел, с помощью которого на обмотки ротора передаётся электрическая энергия.

Коллекторный двигатель: устройство

Статор состоит из корпуса, который защищает компоненты мотора от повреждений. Сверху и снизу корпуса крепятся магнитные полюса. Они необходимы для поддержания магнитного потока между статором и ротором.

Ротор коллекторного двигателя

Ротор коллекторного двигателя состоит из вала, на который насаживается сборный магнитопровод. С одной стороны, на вал крепится коллекторный узел, с другой, лопасти вентилятора. Для обеспечения лёгкого вращения и для фиксации в корпусе на вал с двух сторон надеваются подшипники. Для нормальной работы электродвигателя, необходимо чтобы ротор был отлично сбалансирован. Потому к изготовлению этой части подходят особенно скрупулёзно.

Подвижная (вращающаяся) часть

Роторная обмотка

Сердечник ротора собирается из металлических пластин, отштампованных из магнитного металла. Толщина пластин 0,35-0,5 мм, каждая из них залита слоем диэлектрического лака, для избавления от паразитных токов. Пластины по внешнему краю имеют пазы, в которые затем укладываются витки медной проволоки. Эти пластины насаживаются на вал и закрепляются на нём, собирается пакет требуемого размера. Эта система является магнитопроводом.

Так выглядит ротор коллекторного двигателя

В пазы магнитопровода укладывается витки медного обмоточного провода. Выходы обмоток выводятся на коллекторный узел, где и происходит их переключение.

Как устроен коллекторный узел и как он работает

Коллекторный узел стоит рассмотреть подробнее. Иначе понять, как вращается ротор, сложно. Коллектор имеет цилиндрическую форму и набран из медных пластин (иногда называют ламелями), которые изолированы друг от друга слюдяными или текстолитовыми прокладками. Нет электрического контакта и с осью вала, к которому  он крепится.

Коллектор имеет вид цилиндра, который набран из медных пластин. Пластины сделаны в виде секторов, разделены диэлектрическими прокладками

Получается, коллектор собран из медных секторов и без обмотки электрически друг с другом не связанных. К каждой пластине коллектора крепится вывод одной рамки обмотки ротора. К плоскости двух противоположных рамок коллектора прижимается две щетки. Они плотно прилегают к поверхности медной пластины коллектора, что даёт хороший контакт. На эти щётки подаётся потенциал, который и передаётся в тот виток обмотки ротора, который подключён к этим пластинам.

К парным пластинам коллектора прижимаются графитовые щетки

Так как ротор с некоторой скоростью вращается, одна пара пластин сменяется другой. Таким образом, напряжение передаётся на все обмотки ротора. При этом возникающие друг за другом поля поддерживают вращение ротора, «проталкивая» его в нужном направлении.

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.

Обмотки на роторе подключаются к пластинам коллектора. Когда с пластинами контактируют щетки, получаем замкнутый контур, по которому течет ток

Если немного вдуматься, можно понять, почему коллекторный двигатель позволяет легко и плавно регулировать скорость. Чем больше напряжение подается на обмотки ротора, тем более мощное поле генерирует статор, тем сильнее их взаимодействие и быстрее крутится ротор, так как его толкают с большей силой. Если напряжение уменьшить, взаимодействие меньше, результирующая скорость вращения тоже. Так что все что нужно регулировать напряжение, а это может даже простой потенциометр (переменное сопротивление).

Достоинства и недостатки

Как водится, начнём с перечисления плюсов. Достоинства коллекторных электромоторов такие:

• Простое устройство.
• Высокая скорость до 10 000 об/мин.
• Хороший крутящий момент даже на малых оборотах.
• Невысокая стоимость.
• Возможность регулировать скорость в широких пределах.
• Невысокие пусковые токи и нагрузки.

Схема коллекторного двигателя

Неплохие качества, но есть и недостатки, причём они не менее серьёзные. Минусы коллекторных электродвигателей такие:

• Высокий уровень шумов при работе. Особенно на высоких скоростях. Щетки трутся о коллектор, дополнительно создавая шумы.
• Искрение щёток, их износ.
• Необходимость частого обслуживания коллекторного узла.
• Нестабильность показателей при изменении нагрузки.
• Высокая частота отказов из-за наличия коллектора и щёток, малый срок службы этого узла.

В целом, коллекторный двигатель неплохой выбор, иначе его не ставили бы на бытовой технике. Справедливости ради стоит сказать, что при нормальном качестве исполнения, работают такие двигатели годами. Могут и 10-15 лет проработать без проблем.

Коллекторный двигатель постоянного тока с магнитами

В коллекторных двигателях постоянного тока постоянное магнитное поле обеспечивают:

• постоянные магниты;
• обмотки возбуждения.

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.

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:

• Независимое. Возможно только если напряжения на обмотке возбуждения и на якоре неравны (бывает очень редко). Если они равны, используется схема параллельного возбуждения.
• Параллельное. Хорошо регулируется скорость, стабильная работа на низких оборотах, постоянные характеристики, независимы от времени. К недостаткам подключения этого типа относится нестабильность двигателя при падении тока индуктора ниже нуля.
• Последовательное. При таком подключении нельзя включать двигатель с нагрузкой на валу ниже 25% от номинальной. При отсутствии нагрузки скорость вращения сильно возрастает, что может разрушить двигатель. Потому с ременной передачей такой тип подключения не используют, при обрыве ремня мотор разрушается. Схема последовательного возбуждения имеет высокий момент на низких оборотах, но не слишком хорошо работает на высоких, управлять скоростью сложно.
• Смешанное. Считается одним из лучших. Хорошо управляется, имеет высокий крутящий момент на низких оборотах, редко выходит из-под контроля. Из недостатков самая высокая цена по сравнению с другими типами.

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.

Универсальные коллекторные двигатели

Несмотря на то, что коллекторный узел можно назвать самым слабым местом электродвигателя, подобные модели нашли широкое применение. Все благодаря невысокой цене и легкости управления скоростью. Коллекторные двигатели переменного тока стоят практически в любой бытовой технике, как крупной, так и мелкой. Миксеры, блендеры, кофемолки, строительные фены, даже стиральные машины (привод барабана).

Универсальный коллекторный двигатель работает от постоянного и переменного напряжения

По строению универсальные коллекторные двигатели не отличаются от моделей постоянного тока с обмотками возбуждения. Разница, безусловно есть, но она не в устройстве, а в деталях:

• Схема возбуждения всегда последовательная.
• Магнитные системы ротора и статора для компенсации магнитных потерь делают шихтованного типа (единая система без сплошных разрезов).
• Обмотка возбуждения состоит из нескольких секций. Это необходимо, чтобы режимы работы на постоянном и переменном напряжении были схожи.

Работа коллекторных электродвигателей универсального типа основана на том, что если одновременно (или почти одновременно) поменять полярность питания на обмотках статора и ротора, направление результирующего момента останется тем же. При последовательной схеме возбуждения полярность меняется с очень небольшой задержкой. Так что направление вращения ротора остается тем же.

Достоинства и недостатки

Хотя универсальные коллекторные двигатели активно используются, они имеют серьёзные недостатки:

• Более низкий КПД при работе на переменном токе (если сравнивать с работой на постоянном такого же напряжения).
• Сильное искрение коллекторного узла на переменном токе.
• Создают радиопомехи.
• Повышенный уровень шума при работе.

Во многих моделях строительной техники

Но все эти недостатки нивелируются тем, что при частоте питающего напряжения в 50 Гц они могут вращаться со скоростью 9000-10000 об/мин. По сравнению с синхронными и асинхронными двигателями это очень много, максимальная их скорость — 3000 об/мин. Именно это обусловило использование этого типа моторов в бытовой технике. Но постепенно они заменяются современными бесщеточными двигателями. С развитием полупроводников их производство и управление становится всё более дешёвым и простым.

В чем разница между коллекторными и бесколлекторными моторами?

Вступление

Наверняка у каждого новичка, который впервые связал свою жизнь с электромоделями на радиоуправлении, после тщательного изучения начинки, появляется вопрос. Что такое коллекторный (Brushed) и бесколлекторный (Brushless) двигатель? Какой из них лучше поставить на свою радиоуправляемую электромодель?

Коллекторные моторы, которые так часто используются для приведения в движение электромоделей на радиоуправлении, имеют всего два исходящих питающих провода. Один из них «+» другой « — ». В свою очередь они подключаются к регулятору скорости вращения. Разобрав коллекторный мотор, вы всегда там найдете 2 магнита изогнутой формы, вал совместно с якорем, на который намотана медная нить (проволока), где по одну сторону вала стоит шестерня, а по другую сторону располагается коллектор, собранный из пластин, в составе которых чистая медь.

Принцип работы коллекторного мотора

Электрический ток (DC или direct current), поступая на обмотки якоря (в зависимости от их количества на каждую по очереди) создает в них электромагнитное поле, которое с одной стороны имеет южный полюс, а с другой стороны северный.

Многие знают, что, если взять два любых магнита и приставить их одноименными полюсами друг другу, то они не за что не сойдутся, а если приставить разноименными, то они прилипнут так, что не всегда возможно их разъединить.

Так вот, это электромагнитное поле, которое возникает в любой из обмоток якоря, взаимодействуя с каждым из полюсов магнитов статора, приводит в действие (вращение) сам якорь. Далее ток, через коллектор и щетки переходит к следующей обмотке и так последовательно, переходя от одной обмотки якоря к другой, вал электродвигателя совместно с якорем вращается, но лишь до тех пор, пока к нему подается напряжение.

В стандартном коллекторном моторе якорь имеет три полюса (три обмотки) – это сделано для того чтобы движок не «залипал» в одном положении.

Минусы коллекторных моторов

Сами по себе коллекторные моторы неплохо справляются со своей работой, но это лишь до того момента пока не возникает необходимость получить от них на выходе максимально высокие обороты. Все дело в тех самых щетках, о которых упоминалось выше. Так как они всегда находятся в плотном контакте с коллектором, то в результате высоких оборотов в месте их соприкосновения возникает трение, которое в дальнейшем вызовет скорый износ обоих и в последствии приведёт к потере эффективной мощности эл. двигателя. Это самый весомый минус таких моторов, который сводит на нет все его положительные качества.

Принцип работы бесколлекторного мотора

Здесь все наоборот, у моторов бесколлекторного типа отсутствуют как щетки так и коллектор. Магниты в них располагаются строго вокруг вала и выполняют функцию ротора. Обмотки, которые имеют уже несколько магнитных полюсов, размещаются вокруг него. На роторе бесколлектоных моторов устанавливается так называемый сенсор (датчик) который будет контролировать его положение и передавать эту информацию процессору который работает в купе с регулятором скорости вращения (обмен данными о положении ротора происходит более 100 раз в секунду). На выходе мы получаем более плавную работу самого мотора с максимальной отдачей.

Бесколлекторные моторы могут быть с датчиком (сенсором) и без него. Отсутствие датчика незначительно снижает эффективность работы мотора, поэтому их отсутствие вряд ли расстроит новичка, но зато, приятно удивит ценник. Отличить друг от друга их просто. У моторов с датчиком, помимо 3-х толстых проводов питания есть еще дополнительный шлейф из тонких, которые идут к регулятору скорости. Не стоит гнаться за моторами с датчиком как новичку так и любителю, т.к их потенциал оценит только профи, а остальные просто переплатят, причем значительно.

Плюсы бесколлекторных моторов

Почти нет изнашиваемых деталей. Почему «почти», потому что вал ротора устанавливается на подшипники, которые в свою очередь имеют свойство изнашиваться, но ресурс у них крайне велик, да и взаимозаменяемость их очень проста. Такие моторы очень надежны и эффективны. Устанавливается датчик контроля положения ротора. На коллекторных моторах работа щеток всегда сопровождается искрением, что впоследствии вызывает помехи в работе радиоаппаратуры. Так вот у бесколлектоных, как вы уже поняли, эти проблемы исключены. Нет трения, нет перегрева, что так же является существенным преимуществом. По сравнению с коллекторными моторами не требуют дополнительного обслуживания в процессе эксплуатации.

Минусы бесколлекторных моторов

У таких моторов минус только один, это цена. Но если посмотреть на это с другой стороны, и учесть тот факт что эксплуатация бесколлекторных моторов освобождает владельца сразу от таких заморочек как замена пружин, якоря, щеток, коллекторов, то вы с легкостью отдадите предпочтение в пользу последних.

Устройство и отличия от бесколлекторного двигателя

Большое количество оборудования имеет силовые установки, работающие от электрической сети питания. Коллекторный двигатель это силовая установка, преобразующая  электрическую энергию в физическую силу. Отличие коллекторного двигателя от бесколлекторного состоит в наличии коллекторно-щеточного узла.

Виды коллекторных двигателей

В зависимости от источника тока, к которому подключается мотор, коллекторные установки делят на два вида:

• Работающий от источника постоянного тока. Используются в автомобилях, самоходной технике, детских игрушках и т.д. Отличаются простотой конструкции. Подключаются только к источнику постоянного тока;
• Универсальный коллекторный двигатель. Работает как от постоянного, так и от переменного тока. Применяется в бытовых электрических приборах.

СПРАВКА: Универсальный коллекторный силовой агрегат  отличается простотой конструкции и небольшими габаритно массовыми параметрами. Благодаря этому может быть использован в качестве силовой установки ручного инструмента.

В зависимости от максимальной мощности силовые установки делятся на три типа:

1. Небольшой мощности. Используются в детских игрушках, аудио – видеотехнике и т.д. Напряжение питания таких установок составляет от 1.5 до 9 Вольт. Оси якоря устанавливаются на специализированные втулки. Они играют роль подшипников скольжения. Токопроводящие щетки выполнены в виде двух пластин;
2. Средней мощности. Якорь устанавливается на втулках или подшипниках. Применяются на автомобильной и самоходной технике. Напряжение питания составляет от 12 до 24 вольта;
3. Высокой мощности. Отличаются высокими показателями мощности и наличием электрических магнитов.

Устройство коллекторного двигателя

Для того чтобы понять как работает коллекторный двигатель, необходимо разобраться в его конструкции. Независимо от вида силового агрегата он состоит из следующих основных элементов:

• Якорь. Состоит из металлического вала,  на который установлены обмотки. Вал устанавливается на подшипниках скольжения или качения в корпусе мотора. Якорь является движущейся частью мотора, которая передаёт крутящий момент к необходимому оборудованию;
• Коммутатор (коллектор). Необходим для определения положения якоря. Располагается на роторе. Выполнен в виде медных контактов трапециевидного сечения;

• Щётки. Изготовлены из графита. Щетки используются для подачи напряжения к обмоткам ротора;
• Держатели щёток. Изготавливаются из металла или пластика. Держатели щёток устанавливаются на корпус мотора при помощи не проводящих ток прокладок. Такая конструкция исключает  подачу напряжения на корпус мотора;

ВАЖНО: Щётки или держатели оснащаются пружинами. Они необходимы для прижимания щетки к коллектору во время работы силовой установки.

• Подшипники. На небольших моторах используются пластиковые или металлические втулки. Мотор оборудован двумя подшипниками. Они необходимы для нормального вращения вала якоря;
• Сердечник статора. Изготавливается из большого количества металлических пластин;
• Обмотки. Необходимы для создания магнитного поля.

Принцип работы коллекторного двигателя

Коллекторный двигатель переменного тока 220 Вольт и мотор постоянного тока, преобразуют электрическую энергию в физическую силу. Создание физической силы осуществляется путём раскручивания якоря, установленного на двух подшипниках в корпусе мотора.

Ротор и статор силового агрегата имеют обмотки. Они изготовлены из провода. Во избежание замыкание витков обмотки между собой провод выполнен в изолирующей оболочке. Напряжение подается на обмотку статора при помощи провода.

Якорь коллекторного мотора подвижный. Для передачи напряжения на обмотку якоря используется коллектор.

Он выполнен в виде медных контактов. На них передаётся напряжение через графитовые щетки. Такая конструкция позволяет передавать напряжение на обмотку якоря независимо от скорости его вращения.

При прохождении электрического тока через обмотки возникает магнитное поле. Обмотка якоря имеет магнитное поле противоположной полярности полю обмотки статора. Под воздействием электромагнитных полей разной полярности якорь двигателя начинает вращаться.

ВНИМАНИЕ: Коллекторный двигатель может быть использован в качестве генератора постоянного тока.

Варианты обмоток возбуждения

Подключить коллекторный двигатель постоянного тока можно несколькими способами. Возбуждение мотора зависит от способа подключения обмоток.

• Независимое подключение. Обмотки мотора постоянного тока подключаются отдельно. Для подключения используется два источника постоянного тока. Обмотка статора оснащается реостатом. Он необходим для установки необходимой частоты вращения ротора. Обмотка  ротора оборудуется пусковым реостатом. Он нужен для контроля над силой тока в обмотке ротора при запуске силовой установки;
• Параллельное подключение. Питание обмоток якоря и статора осуществляется от одного и того же источника питания. Обмотки оснащены регуляторами;
• Последовательно-соединенное. Электродвигатель такой конструкции имеет обмотку статора, последовательно подключенную с обмоткой якоря. Ротор может быть оснащен регулятором, необходимым для ограничения силы тока при запуске. Статор оснащается реостатом, регулирующим в частоту вращения вала.

ВАЖНО: Использование коллекторного мотора с последовательным подключением без нагрузки, может привести  к выходу его из строя.

• Смешанное возбуждение. Данная конструкция использует две катушки подключенные параллельно, и последовательно одновременно.

Преимущества и недостатки коллекторного двигателя

Однофазный коллекторный двигатель переменного тока или аналогичный работающий от источника постоянного тока имеют плюсы и минусы.

Плюсы

1. Однофазный мотор коллекторного типа ( универсальный), можно подключить к любой сети питания. Такая конструкция позволяет использовать мотор от источника питания переменного тока, без использования выпрямителей;
2. В отличие от бесколлекторных двигателей, модели с коллекторами имеют небольшие размеры. Это позволяет использовать силовые установки  для монтажа на электрический инструмент, детские игрушки, и т.п;
3. Небольшая сила тока при запуске. Позволяет использовать моторы от бытовой сети питания;
4. Простота регулировки вращения вала ротора. Для управления оборотами применяется реостат. При выходе из строя регулятора, мотор останется работоспособным;

Недостатки

1. Необходимость регулярного обслуживания. Графитовые щетки при длительной работе стираются. Необходимо вовремя менять щетки на новые. Нарушение этого правила может привести к выходу из строя коллектора;
2. Отсутствие стабильности показателей мощности. При изменении нагрузки на якорь показатели мощности силового агрегата могут изменяться.

Возможные поломки и способы их ремонта

В результате работы коллекторного двигателя могут возникнуть неисправности. Большинство из них самостоятельно сможет устранить человек не имеющий специализированных технических знаний и оборудования. Ниже представлены наиболее часто возникающие неисправности.

Повышенный шум при работе узла. Сильный уровень шума при работе мотора может свидетельствовать о выходе из строя подшипников, на которые установлен якорь.

При выходе из строя подшипников качения необходимо заменить изношенные детали новыми.

Износ щёток. Критическая изношенность щёток сопровождается повышенным уровнем шума при работе. Несвоевременная замена может привести к поломке коллектора. При возникновении неисправности необходимо заменить графитовые щётки. При выборе щёток необходимо обратить внимание на их толщину. Новые детали не должны застревать в держателях.

Отсутствие вращения якоря при подключении мотора к сети питания. Отсутствие вращения может возникнуть в результате обрыва цепи питания. Обрыв может произойти в результате поломки пружины прижимающей щётку к коллектору или при обрыве провода. При поломке пружины необходимо заменить ее новой деталью. При обрыве провода необходимо восстановить его целостность.

Отсутствие вращения ротора может возникнуть в результате выхода из строя предохранителя. Для восстановления работоспособности необходимо установить новый предохранитель. Перед установкой предохранителя необходимо определить причину, по которой старое устройство вышло из строя. После устранения причины можно установить предохранитель и провести испытание двигателя.

Отсутствие регулировки вращения вала якоря. После запуска агрегат работает на максимальных оборотах. Такая неисправность возникает в результате поломки реостата. Для восстановления работоспособности двигателя необходимо заменить регулятор.

Медленное вращение ротора. Снижение частоты вращения вала может возникнуть в результате низкого напряжения в сети питания. Необходимо проверить напряжение. Снижение оборотов якоря может быть спровоцировано высокой нагрузкой. Необходимо снизить нагрузку на якорь.

Из вышеперечисленного следует, что коллекторный мотор  преобразовывает электрическую энергию в физическую силу. Для передачи напряжения к обмоткам якоря используются щётки. Моторы отличаются простотой конструкции и небольшими габаритно массовыми параметрами.

Коллекторный двигатель постоянного тока: конструкция и принцип действия

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

Определение и устройство

В справочниках и энциклопедиях приводят, такое определение:

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

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

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

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

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

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

Принцип действия

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

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

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

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

Виды КДПТ и схемы соединения обмоток

По способу возбуждения коллекторные двигатели постоянного тока различают двух типов:

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

Различают такие типы КДПТ по способу соединения обмоток:

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

Условное графическое обозначение на схеме вы видите ниже.

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

Схема подключения и реверс

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

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

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

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

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

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

Сфера применения

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

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

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

Достоинства и недостатки

Разберем плюсы и минусы коллекторного двигателя постоянного тока. Преимущества:

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

Недостатки у КДПТ следующие:

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

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

Материалы по теме:

какие они бывают / НПФ ВЕКТОР corporate blog / Habr

В прошлых статьях был рассмотрен принцип работы синхронного и асинхронного электродвигателей, а также рассказано, как ими управлять. Но видов электродвигателей существует гораздо больше! И у каждого из них свои свойства, область применения и особенности.

В этой статье будет небольшой обзор по разным типам электродвигателей с фотографиями и примерами применений. Почему в пылесос ставятся одни двигатели, а в вентилятор вытяжки другие? Какие двигатели стоят в сегвее? А какие двигают поезд метро?

Каждый электродвигатель обладает некоторыми отличительными свойствами, которые обуславливают его область применения, в которой он наиболее выгоден. Синхронные, асинхронные, постоянного тока, коллекторные, бесколлекторные, вентильно-индукторные, шаговые… Почему бы, как в случае с двигателями внутреннего сгорания, не изобрести пару типов, довести их до совершенства и ставить их и только их во все применения? Давайте пройдемся по всем типам электродвигателей, а в конце обсудим, зачем же их столько и какой двигатель «самый лучший».

С этим двигателем все должны быть знакомы с детства, потому что именно этот тип двигателя стоит в большинстве старых игрушек. Батарейка, два проводка на контакты и звук знакомого жужжания, вдохновляющего на дальнейшие конструкторские подвиги. Все ведь так делали? Надеюсь. Иначе эта статья, скорее всего, не будет вам интересна. Внутри такого двигателя на валу установлен контактный узел – коллектор, переключающий обмотки на роторе в зависимости от положения ротора. Постоянный ток, подводимый к двигателю, протекает то по одним, то по другим частям обмотки, создавая вращающий момент. Кстати, не уходя далеко, всех ведь, наверное, интересовало – что за желтые штучки стояли на некоторых ДПТ из игрушек, прямо на контактах (как на фото сверху)? Это конденсаторы – при работе коллектора из-за коммутаций потребление тока импульсное, напряжение может также меняться скачками, из-за чего двигатель создает много помех. Они особенно мешают, если ДПТ установлен в радиоуправляемой игрушке. Конденсаторы как раз гасят такие высокочастотные пульсации и, соответственно, убирают помехи.

Двигатели постоянного тока бывают как очень маленького размера («вибра» в телефоне), так и довольно большого – обычно до мегаватта. Например, на фото ниже показан тяговый электродвигатель электровоза мощностью 810кВт и напряжением 1500В.

Почему ДПТ не делают мощнее? Главная проблема всех ДПТ, а в особенности ДПТ большой мощности – это коллекторный узел. Скользящий контакт сам по себе является не очень хорошей затеей, а скользящий контакт на киловольты и килоамперы – и подавно. Поэтому конструирование коллекторного узла для мощных ДПТ – целое искусство, а на мощности выше мегаватта сделать надежный коллектор становится слишком сложно (рекорд — 12,5МВт).
В потребительском качестве ДПТ хорош своей простотой с точки зрения управляемости. Его момент прямо пропорционален току якоря, а частота вращения (по крайней мере холостой ход) прямо пропорциональна приложенному напряжению. Поэтому до наступления эры микроконтроллеров, силовой электроники и частотного регулируемого привода переменного тока именно ДПТ был самым популярным электродвигателем для задач, где требуется регулировать частоту вращения или момент.

Также нужно упомянуть, как именно в ДПТ формируется магнитный поток возбуждения, с которым взаимодействует якорь (ротор) и за счет этого возникает вращающий момент. Этот поток может делаться двумя способами: постоянными магнитами и обмоткой возбуждения. В небольших двигателях чаще всего ставят постоянные магниты, в больших – обмотку возбуждения. Обмотка возбуждения – это еще один канал регулирования. При увеличении тока обмотки возбуждения увеличивается её магнитный поток. Этот магнитный поток входит как в формулу момента двигателя, так и в формулу ЭДС. Чем выше магнитный поток возбуждения, тем выше развиваемый момент при том же токе якоря. Но тем выше и ЭДС машины, а значит при том же самом напряжении питания частота вращения холостого хода двигателя будет ниже. Зато если уменьшить магнитный поток, то при том же напряжении питания частота холостого хода будет выше, уходя в бесконечность при уменьшении потока возбуждения до нуля. Это очень важное свойство ДПТ. Вообще, я очень со

Коллекторный электродвигатель — это… Что такое Коллекторный электродвигатель?

Колле́кторный электродвигатель — синхронная^[1]электрическая машина, в которой датчиком положения ротора и пере­к­лю­ча­те­лем тока в обмотках является одно и то же устройство — щёточно-коллекторный узел.

Разновидности

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Самые маленькие двигатели данного типа (единицы ватт) содержат в корпусе:

• трёхполюсной ротор на подшипниках скольжения;
• коллекторный узел из двух щеток — медных пластин;
• двухполюсной статор из постоянных магнитов.

Применяются, в основном, в детских игрушках (рабочее напряжение 3–9 вольт).

Более мощные двигатели (десятки ватт), как правило, имеют

• много-полюсный ротор на подшипниках качения;
• коллекторный узел из четырёх графитовых щёток;
• четырёхполюсный статор из постоянных магнитов.

Именно такой конструкции большинство электродвигателей в современных автомобилях (рабочее напряжение 12 вольт): привод вентиляторов систем охлаждения и вентиляции, дворников, насосов омывателей.

Двигатели мощностью в сотни ватт, в отличие от предыдущих, содержат четырёхполюсный статор из электромагнитов. Обмотки статора могут подключаться несколькими способами:

• последовательно с ротором (так называемое последовательное возбуждение),
  • преимущество: большой максимальный момент,
  • недостаток: большие обороты холостого хода, способные повредить двигатель.
• параллельно с ротором (параллельное возбуждение)
  • преимущество: большая стабильность оборотов при изменении нагрузки,
  • недостаток: меньший максимальный момент
• часть обмоток параллельно с ротором, часть последовательно (смешанное возбуждение)
  • до некоторой степени совмещает достоинства предыдущих типов. Пример — автомобильные стартёры.
• отдельным источником питания (независимое возбуждение)
  • характеристика аналогична параллельному подключению, однако обычно может регулироваться. Применяется редко.

Общие достоинства коллекторных двигателей постоянного тока — простота изготовления, эксплуатации и ремонта, достаточно большой ресурс.

К недостаткам можно отнести то, что эффективные конструкции (с большим КПД и малой массой) таких двигателей являются низкомоментыми и быстроходными (сотни и тысячи оборотов в минуту), поэтому для большинства приводов (кроме вентиляторов и насосов) необходимы редукторы. Это утверждение не вполне верно, но обоснованно. Электрическая машина, построенная на низкую скорость, вообще имеет заниженный КПД и связанные с ним проблемы охлаждения. Скорее всего проблема лежит так, что изящных решений для нее нет.

Универсальный коллекторный электродвигатель

Схема одного из вариантов УКД. Допускается работа и от постоянного, и от переменного тока

Универсальный коллекторный электродвигатель (УКД) — разновидность коллекторной машины постоянного тока, которая может работать и на постоянном, и на переменном токе. Получил большое распространение в ручном электроинструменте и в некоторых видах бытовой техники из-за малых размеров, малого веса, лёгкости регулирования оборотов, относительно низкой цены. Широко использовался на железных дорогах Европы и США как тяговая машина.

Особенности конструкции

Строго говоря, универсальный коллекторный электродвигатель является коллекторным электродвигателем постоянного тока с последовательно включенными обмотками возбуждения (статора), оптимизированным для работы на переменном токе бытовой электрической сети. Такой тип двигателя независимо от полярности подаваемого напряжения вращается в одну сторону, так как за счёт последовательного соединения обмоток статора и ротора смена полюсов их магнитных полей происходит одновременно и результирующий момент остаётся направленным в одну сторону. На самом деле там есть небольшой фазовый сдвиг, обуславливающий появление против направленного момента, но он невелик, симметрирование обмоток не только улучшает условия коммутации, но и уменьшает этот момент. (М.П. Костенко, Электрические машины). Для нужд железных дорог строились специальные подстанции переменного тока низкой частоты — 16 Гц в Европе, 25 Гц в США. В 50-х годах XX века германо-французскому консорциуму производителей электрических машин удалось построить однофазную тяговую машину промышленной частоты (50 Гц). По данным М.П. Костенко Электрические машины, электровоз с однофазными коллекторными машинами на 50 Гц испытывался в СССР, где получил восторженно-отрицательную оценку специалистов. (Цитата со слов источника: «У Них асимметрия магнитной системы — доли миллиметра, у нас — доли сантиметра. У Нас щетки машины — крашенный кирпич, у них — процесс высоких технологий (это лекционный материал И.Б. Битюцкий, Липецкий политехнический университет специальность электрические машины)^{[источник?]}).

Для возможности работы на переменном токе применяется статор из магнитно-мягкого материала, имеющего малый гистерезис (сопротивление перемагничиванию). Для уменьшения потерь на вихревые токи статор выполняют наборным из изолированных пластин. Подмножеством коллекторных машин переменного тока (к.м.п.т.) являются машины «пульсирующего тока», полученного путем выпрямления тока однофазной цепи без сглаживания пульсаций (железная дорога). Здесь стоит отметить разность в культуре электротехнической промышленности — если Европа выбрала чистую коллекторною машину, то СССР предпочел «гибрид бульдога с носорогом» — машину, где ток не менял полярность, но колебался от нуля до максимума. (И.Б. Битюцкий, Липецкий политехничский университет).

Особенностью (в большинстве случаев — достоинством) работы такого двигателя именно на переменном токе (а не на постоянном такого же напряжения) является то, что в режиме малых оборотов (пуск и перегрузка) индуктивное сопротивление обмоток статора ограничивает потребляемый ток и соответственно максимальный момент двигателя (оценочно) до 3–5 от номинального (против 5–10 при питании того же двигателя постоянным током). Для сближения механических характеристик у двигателей общего назначения может применяться секционирование обмоток статора — отдельные выводы (и меньшее число витков обмотки статора) для подключения переменного тока.

Сложной проблемой является вопрос коммутации мощной коллекторной машины переменного тока. В момент коммутации (прохождение секцией нейтрали) сцепленное с секцией якоря (ротора) магнитное поле меняет свое направление на противоположное, что вызывает генерацию в секции так называемой реактивной ЭДС. Так обстоит дело в случае с постоянным током. В к. м. п. т. реактивная ЭДС. также имеет место. Но так как якорь (ротор) находится в пульсирующем во времени магнитном поле статора, в коммутируемой секции дополнительно имеет место ещё и трансформаторная ЭДС. Ее амплитуда будет максимальна в момент пуска машины, пропорционально снижаться по мере приближения к скорости синхронизма (в точке синхронизма она обратиться в нуль) и далее по мере разгона машины вновь будет пропорционально возрастать. Проблема коммутации к.м.п.т. может быть решена следующим образом:

• Стремление при проектировании к одновитковой секции (уменьшение потока сцепления).
• Увеличение активного сопротивления секции. Наиболее перспективными по данным М.П.Костенко являются резисторы в «петушках» коллекторых пластин, где они хорошо охлаждаются.
• Активная подшлифовка коллектора щетками максимальной твердости (высокий износ) и максимально возможного сопротивления.
• Использование добавочных полюсов с последовательными обмотками для компенсации реактивной ЭДС. и паралельной — для компенсации трансформаторной ЭДС. Но так как величина трансформаторной ЭДС представляет собой функцию от угловой скорости (якоря) ротора и тока намагничивания машины, то такие обмотки нуждаются в системе подчиненного регулирования, не разработанной по сегодняшний день.
• Применение питающих цепей низкой частоты. Популярные частоты 16 и 25 Гц.

Реверсирование УКД осуществляется переключением полярности включения обмоток только статора или только ротора.

Достоинства и недостатки

Сравнение приведено для случая подключения к бытовой однофазной электрической сети 220 вольт 50 Гц. и одинаковой мощности двигателей. Разница в механических характеристиках двигателей («мягкость-жёсткость», максимальный момент) может быть как достоинством, так и недостатком в зависимости от требований к приводу.

Достоинства в сравнении с коллекторным двигателем постоянного тока:

• Прямое включение в сеть, без дополнительных компонентов (для двигателя постоянного тока требуется, как минимум, выпрямление).
• Меньший пусковой (перегрузочный) ток (и момент), что предпочтительнее для бытовых устройств.
• Проще управляющая схема (при её наличии) — тиристор (или симистор) и реостат. При выходе из строя электронного компонента двигатель (устройство) остаётся работоспособным, но включается сразу на полную мощность.

Недостатки в сравнении с коллекторным двигателем постоянного тока:

• Меньший общий КПД из-за потерь на индуктивность и перемагничивание статора.
• Меньший максимальный момент (может быть недостатком).

Достоинства в сравнении асинхронным двигателем:

• Быстроходность и отсутствие привязки к частоте сети.
• Компактность (даже с учётом редуктора).
• Больший пусковой момент.
• Автоматическое пропорциональное снижение оборотов (практически до нуля) и увеличение момента при увеличении нагрузки (при неизменном напряжении питания) — «мягкая» характеристика.
• Возможность плавного регулирования оборотов (момента) в очень широком диапазоне — от ноля до номинального значения — изменением питающего напряжения.

Недостатки в сравнении с асинхронным двигателем:

• Нестабильность оборотов при изменении нагрузки (где это имеет значение).
• Наличие щёточно-коллекторного узла и в связи с этим:
  • Относительно малая надёжность (срок службы. Тяжелые условия коммутации обуславливают использование максимально твердых щеток, что снижает ресурс.
  • Сильное искрение на коллекторе из-за коммутации переменного тока и связанные с этим радиопомехи
  • Высокий уровень шума
  • Относительно большое число деталей коллектора (и соответственно двигателя)

Следует отметить, что в современных бытовых устройствах ресурс электродвигателя (щёточно-коллекторного узла) сопоставим с ресурсом рабочих органов и механических передач.

Сравнение с асинхронным двигателем

Двигатели (УКД и асинхронный) одной и той же мощности, независимо от номинальной частоты асинхронного двигателя, имеют разную механическую характеристику:

• УКД — «мягкая» характеристика, момент прямо, а обороты обратно пропорциональны нагрузке на валу (потребляемой мощности) — практически линейно — от режима холостого хода до режима полного торможения. Номинальный момент выбирается примерно в 3-5 раз меньшим максимального. Обороты холостого хода ограничиваются только потерями в двигателе и могут разрушить мощный двигатель при включении его без нагрузки.
• Асинхронный двигатель — «вентиляторная» характеристика — двигатель поддерживает близкую к номинальной частоту вращения, резко (десятки процентов) увеличивая момент при незначительном снижении оборотов (единицы процентов). При значительном снижении оборотов (до точки критического момента) момент двигателя не только не растёт, а падает до нуля, что вызывает полную остановку. Обороты холостого хода постоянны и слегка превышают номинальные.
• Однофазный асинхронный двигатель предлагает дополнительный «букет» проблем, связанных с запуском, т.к. в нормальных условиях пускового момента не развивает. Пульсирующее во времени магнитное поле однофазного статора математически разлагается на два противофазных поля, делающих невозможным пуск без различных ухищрений:
• расщепленный паз
• создающая искусственною фазу емкость
• создающую искусственною фазу активное сопротивление

Вращающееся в противофазе поле теоретически снижает максимальный КПД однофазного асинхронного двигателя до 50–60 % из-за потерь в перенасыщенной магнитной системе и активных потерь в обмотках, которые нагружаются токами «противополя». Фактически, на одном валу «сидят» две электрические машины, одна из которых работает в двигательном режиме, а вторая — в режиме противовключения.

Таким образом, в однофазных сетях к.м.п.т. не знает себе конкурентов.

Механическая характеристика в первую очередь и обуславливает (разные) области применения данных типов двигателей.

Из-за малых оборотов, ограниченных частотой сети переменного тока, асинхронные двигатели той же мощности имеют значительно бо́льшие вес и размеры, чем УКД. Если асинхронный двигатель запитывается от преобразователя (инвертора) с высокой частотой, то вес и размеры обеих машин становятся соизмеримы. При этом остаётся жёсткость механической характеристики, добавляются потери на преобразование тока и, как следствие увеличения частоты, повышаются индуктивные и магнитные потери (снижается общий КПД).

Аналоги без коллекторного узла

Ближайшим аналогом УКД по механической харатеристике является бесколлекторный электродвигатель (вентильный электродвигатель, в котором электронным аналогом щёточно-коллекторного узла является инвертор с датчиком положения ротора (ДПР).

Электронным аналогом универсального коллекторного двигателя является система: выпрямитель (мост), синхронный электродвигатель с датчиком углового положения ротора (датчик угла) и инвертором (другими словами — вентильный электродвигатель с выпрямителем).

Однако из-за применения постоянных магнитов в роторе максимальный момент вентильного двигателя при тех же габаритах будет меньше.

См. также

Примечания

Коллекторный электродвигатель — Википедия. Что такое Коллекторный электродвигатель

Колле́кторный электродви́гатель — электрическая машина, в которой датчиком положения ротора и переключателем тока в обмотках является одно и то же устройство — щёточно-коллекторный узел.

Разновидности

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Самые маленькие двигатели данного типа (единицы Ватт) содержат в корпусе:

• трёхполюсной ротор на подшипниках скольжения;
• коллекторный узел из двух щёток — медных пластин;
• двухполюсной статор из постоянных магнитов.

Применяются, в основном, в детских игрушках (рабочее напряжение 3-9 вольт).

Более мощные двигатели (десятки Ватт), как правило, имеют

• многополюсный ротор на подшипниках качения;
• коллекторный узел из четырёх графитовых щёток;
• четырёхполюсный статор из постоянных магнитов.

Именно такой конструкции большинство электродвигателей в современных автомобилях (рабочее напряжение 12 или 24 Вольт): привод вентиляторов систем охлаждения и вентиляции, «дворников», насосов омывателей.

Способы возбуждения коллекторных двигателей

Двигатели мощностью в сотни Ватт, в отличие от предыдущих, содержат четырёхполюсный статор из электромагнитов. Свойства электродвигателей во многом объясняется способом, которым обмотки статора могут подключаться относительно якоря:

• последовательно с якорем (так называемое последовательное возбуждение),
• параллельно с якорем (параллельное возбуждение)
• отдельным источником питания (независимое возбуждение)
• часть обмоток параллельно с якорем , часть последовательно (смешанное возбуждение)

Электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением

В этом электродвигателе обмотка якоря подключена к основному источнику постоянного тока (сети постоянного тока, генератору или выпрямителю), а обмотка возбуждения — к вспомогательному источнику. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат, а в цепь обмотки якоря — пусковой реостат. Регулировочный реостат служит для регулирования частоты вращения якоря двигателя, а пусковой — для ограничения тока в обмотке якоря при пуске. Характерной особенностью электродвигателя является то, что его ток возбуждения не зависит от тока в обмотке якоря (тока нагрузки). Поэтому можно приближенно считать, что и магнитный поток двигателя не зависит от нагрузки. Зависимости момента и частоты вращения от тока будут линейными: момент прямо пропорционален току нагрузки и линейно снижается с ростом частоты вращения. В цепь обмотки возбуждения никаких выключателей и предохранителей не устанавливают, так как при разрыве этой цепи резко уменьшается магнитный поток электродвигателя, и возникает аварийный режим. Если электродвигатель работает при холостом ходе или небольшой нагрузке на валу, то частота вращения резко возрастает (двигатель идет вразнос). При этом сильно увеличивается ток в обмотке якоря и может возникнуть круговой огонь. Во избежание этого защита должна отключить электродвигатель от источника питания. Резкое увеличение частоты вращения при обрыве цепи обмотки возбуждения объясняется тем, что в этом случае резко уменьшаются магнитный поток, э. д. с., и возрастает ток. А так как приложенное напряжение остается неизменным, то частота вращения будет увеличиваться до тех пор, пока э. д. с. не достигнет значения, приблизительно равного напряжению питания, что необходимо для равновесного состояния электрической цепи якоря. При нагрузке на валу, близкой к номинальной, электродвигатель в случае разрыва цепи возбуждения остановится, так как электромагнитный момент, который может развить двигатель при значительном уменьшении магнитного потока, уменьшается и станет меньше нагрузочного момента на валу. В этом случае так же резко увеличивается ток, обмотка может выйти из строя из-за перегрева.

Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением

Здесь обмотки возбуждения и якоря питаются от одного и того же источника электрической энергии с напряжением. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат, а в цепь обмотки якоря — пусковой реостат. В рассматриваемом электродвигателе имеет место, по существу, раздельное питание цепей обмоток якоря и возбуждения, вследствие чего ток возбуждения не зависит от тока обмотки якоря. Поэтому электродвигатель с параллельным возбуждением будет иметь такие же характеристики, как и двигатель с независимым возбуждением. Однако двигатель с параллельным возбуждением работает нормально только при питании от источника постоянного тока с неизменным напряжением.

Электродвигатель постоянного тока с последовательным возбуждением

Обмотка возбуждения включена последовательно с якорем. Для ограничения тока при пуске в цепь обмотки якоря может быть включен пусковой реостат, а для регулирования частоты вращения параллельно обмотке возбуждения может быть включен регулировочный реостат. Характерной особенностью этого электродвигателя является то, что его ток возбуждения равен или пропорционален (при включении реостата) току обмотки якоря, поэтому магнитный поток зависит от нагрузки двигателя. При токе обмотки якоря, меньшем 0,8—0,9 номинального тока, магнитная система машины не насыщена, и можно считать, что магнитный поток изменяется прямо пропорционально току. Поэтому скоростная характеристика электродвигателя будет мягкая — с увеличением тока частота вращения будет резко уменьшаться. Уменьшение частоты вращения, происходит из-за увеличения падения напряжения во внутреннем сопротивлении цепи обмотки якоря, а также из-за увеличения магнитного потока. Электромагнитный момент при увеличении тока будет резко возрастать, так как в этом случае увеличивается и магнитный поток, поэтому при токе, меньшем 0,8-0,9 номинального, скоростная характеристика имеет форму гиперболы, а моментная — параболы.

Если ток больше номинального, зависимости момента и скорости вращения от тока линейны, так как в этом режиме магнитная цепь будет насыщена и магнитный поток при изменении тока меняться не будет.

Механическая характеристика рассматриваемого двигателя мягкая и имеет гиперболический характер. При малых нагрузках магнитный поток сильно уменьшается, частота вращения резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет вразнос). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода и при небольшой нагрузке (различные станки, транспортеры и пр.).

Обычно минимально допустимая нагрузка для двигателей большой и средней мощности составляет 0,2 …. 0,25 номинальной. Чтобы предотвратить возможность работы двигателя без нагрузки, его соединяют с приводным механизмом жестко (зубчатой передачей или глухой муфтой), применение ременной передачи или фрикционной муфты недопустимо, т.к. при обрыве ремня двигатель может выйти из строя.

Несмотря на указанный недостаток, двигатели с последовательным возбуждением широко применяют, особенно там, где имеют место изменения нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска: во всех тяговых приводах (электровозы, тепловозы, электропоезда, электрокары, электропогрузчики и пр.), а также в приводах грузоподъемных механизмов (краны, лифты и пр.).

Объясняется это тем, что при мягкой характеристике увеличение нагрузочного момента приводит к меньшему возрастанию тока и потребляемой мощности, чем у двигателей с независимым и параллельным возбуждением, поэтому двигатели с последовательным возбуждением лучше переносят перегрузки. Кроме того, эти двигатели имеют больший пусковой момент, чем двигатели с параллельным и независимым возбуждением, так как при увеличении тока обмотки якоря при пуске соответственно увеличивается и магнитный поток.

Электродвигатель постоянного тока со смешанным возбуждением

В этом электродвигателе магнитный поток создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения — параллельной (или независимой) и последовательной.

Механическая характеристика электродвигателя со смешанным возбуждением располагается между характеристиками двигателей с параллельным и последовательным возбуждением. Достоинством двигателя постоянного тока со смешанным возбуждением является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой, может работать при холостом ходе. В этом режиме частота вращения его якоря определяется магнитным потоком параллельной обмотки и имеет ограниченное значение (двигатель не идет вразнос)^[1].

Общие достоинства коллекторных двигателей постоянного тока — простота изготовления, эксплуатации и ремонта, достаточно большой ресурс.

К недостаткам можно отнести то, что эффективные конструкции (с большим КПД и малой массой) таких двигателей являются низкомоментыми и быстроходными (сотни и тысячи оборотов в минуту), поэтому для большинства приводов (кроме вентиляторов и насосов) необходимы редукторы. Это утверждение не вполне верно, но обоснованно. Электрическая машина, построенная на низкую скорость, вообще имеет заниженный КПД и связанные с ним проблемы охлаждения. Скорее всего проблема такова, что изящных решений для неё нет.

Универсальный коллекторный электродвигатель

Схема одного из вариантов УКД. Допускается работа и от постоянного, и от переменного тока

Универсальный коллекторный электродвигатель (УКД) — разновидность коллекторной машины постоянного тока, которая может работать и на постоянном, и на переменном токе^[2]. Получил большое распространение в ручном электроинструменте и в некоторых видах бытовой техники из-за малых размеров, малого веса, лёгкости регулирования оборотов, относительно низкой цены. Широко использовался на железных дорогах Европы и США как тяговый электродвигатель.

Особенности конструкции

Строго говоря, универсальный коллекторный электродвигатель является коллекторным электродвигателем постоянного тока с последовательно включенными обмотками возбуждения (статора), оптимизированным для работы на переменном токе бытовой электрической сети. Такой тип двигателя независимо от полярности подаваемого напряжения вращается в одну сторону, так как за счёт последовательного соединения обмоток статора и ротора смена полюсов их магнитных полей происходит одновременно и результирующий момент остаётся направленным в одну сторону. На самом деле там есть небольшой фазовый сдвиг, обуславливающий появление противонаправленного момента, но он невелик, симметрирование обмоток не только улучшает условия коммутации, но и уменьшает этот момент. (М. П. Костенко, «Электрические машины»). Для нужд железных дорог строились специальные подстанции переменного тока низкой частоты — 16 Гц в Европе, в США же частота 25 Гц была одной из стандартных (наряду с 60 Гц) до 50-х годов XX века. В 50-х годах XX века германо-французскому консорциуму производителей электрических машин удалось построить однофазную тяговую машину промышленной частоты (50 Гц). По данным М. П. Костенко «Электрические машины», электровоз с однофазными коллекторными машинами на 50 Гц испытывался в СССР, где получил восторженно-отрицательную оценку специалистов.^{[источник не указан 2122 дня]}.

Для возможности работы на переменном токе применяется статор из магнитно-мягкого материала, имеющего малый гистерезис (сопротивление перемагничиванию). Для уменьшения потерь на вихревые токи статор выполняют наборным из изолированных пластин. Подмножеством коллекторных машин переменного тока (КМПТ) являются машины «пульсирующего тока», полученного путём выпрямления тока однофазной цепи без сглаживания пульсаций (железная дорога).

Особенностью (в большинстве случаев — достоинством) работы такого двигателя именно на переменном токе (а не на постоянном такого же напряжения) является то, что в режиме малых оборотов (пуск и перегрузка) индуктивное сопротивление обмоток статора ограничивает потребляемый ток и соответственно максимальный момент двигателя (оценочно) до 3-5 от номинального (против 5-10 при питании того же двигателя постоянным током). Для сближения механических характеристик у двигателей общего назначения может применяться секционирование обмоток статора — отдельные выводы (и меньшее число витков обмотки статора) для подключения переменного тока.

Сложной проблемой является вопрос коммутации мощной коллекторной машины переменного тока. В момент коммутации (прохождение секцией нейтрали) сцепленное с секцией якоря (ротора) магнитное поле меняет своё направление на противоположное, что вызывает генерацию в секции так называемой реактивной ЭДС. Так обстоит дело в случае с постоянным током. В КМПТ реактивная ЭДС также имеет место. Но так как якорь (ротор) находится в пульсирующем во времени магнитном поле статора, в коммутируемой секции дополнительно имеет место ещё и трансформаторная ЭДС. Её амплитуда будет максимальна в момент пуска машины, пропорционально снижаться по мере приближения к скорости синхронизма (в точке синхронизма она обратится в нуль) и далее по мере разгона машины вновь будет пропорционально возрастать. Проблема коммутации КМПТ может быть решена следующим образом:

• Стремление при проектировании к одновитковой секции (уменьшение потока сцепления).
• Увеличение активного сопротивления секции. Наиболее перспективными по данным М. П. Костенко являются резисторы в «петушках» коллекторых пластин, где они хорошо охлаждаются.
• Активная подшлифовка коллектора щётками максимальной твёрдости (высокий износ) подгорающего коллектора из-за тяжелых условий коммутации; и максимально возможного сопротивления как средство гашения реактивной и трансформаторной ЭДС коммутируемой секции.
• Использование добавочных полюсов с последовательными обмотками для компенсации реактивной ЭДС и параллельной — для компенсации трансформаторной ЭДС. Но так как величина трансформаторной ЭДС представляет собой функцию от угловой скорости (якоря) ротора и тока намагничивания машины, то такие обмотки нуждаются в системе подчинённого регулирования, не разработанной по сегодняшний день.
• Применение питающих цепей низкой частоты. Популярные частоты 16 и 25 Гц.

Реверсирование УКД осуществляется переключением полярности включения обмоток только статора или только ротора.

Достоинства и недостатки

Сравнение приведено для случая подключения к бытовой однофазной электрической сети 220 вольт 50 Гц. и одинаковой мощности двигателей. Разница в механических характеристиках двигателей («мягкость-жёсткость», максимальный момент) может быть как достоинством, так и недостатком в зависимости от требований к приводу.

Сравнение с коллекторным двигателем постоянного тока

Достоинства:

• Прямое включение в сеть, без дополнительных компонентов (для двигателя постоянного тока требуется, как минимум, выпрямление).
• Меньший пусковой (перегрузочный) ток (и момент), что предпочтительнее для бытовых устройств.
• Проще управляющая схема (при её наличии) — тиристор (или симистор) и реостат. При выходе из строя электронного компонента двигатель (устройство) остаётся работоспособным, но включается сразу на полную мощность.

Недостатки:

• Меньший общий КПД из-за потерь на индуктивность и перемагничивание статора.
• Меньший максимальный момент (может быть недостатком).

Сравнение с асинхронным двигателем

Достоинства:

• Быстроходность и отсутствие привязки к частоте сети.
• Компактность (даже с учётом редуктора).
• Больший пусковой момент.
• Автоматическое пропорциональное снижение оборотов (практически до нуля) и увеличение момента при увеличении нагрузки (при неизменном напряжении питания) — «мягкая» характеристика.
• Возможность плавного регулирования оборотов (момента) в очень широком диапазоне — от ноля до номинального значения — изменением питающего напряжения.

Недостатки:

• Нестабильность оборотов при изменении нагрузки (где это имеет значение).
• Наличие щёточно-коллекторного узла и в связи с этим:
  • Относительно малая надёжность (срок службы: тяжёлые условия коммутации обуславливают использование максимально твердых щёток, что снижает ресурс).
  • Сильное искрение на коллекторе из-за коммутации переменного тока и связанные с этим радиопомехи.
  • Высокий уровень шума.
  • Относительно большое число деталей коллектора (и, соответственно, двигателя).

Следует отметить, что в современных бытовых устройствах ресурс электродвигателя (щёточно-коллекторного узла) сопоставим с ресурсом рабочих органов и механических передач.

Двигатели (УКД и асинхронный) одной и той же мощности, независимо от номинальной частоты асинхронного двигателя, имеют разную механическую характеристику:

• УКД — «мягкая» характеристика, момент прямо, а обороты обратно пропорциональны нагрузке на валу (потребляемой мощности) — практически линейно — от режима холостого хода до режима полного торможения. Номинальный момент выбирается примерно в 3-5 раз меньшим максимального. Обороты холостого хода ограничиваются только потерями в двигателе и могут разрушить мощный двигатель при включении его без нагрузки.
• Асинхронный двигатель — «вентиляторная» характеристика — двигатель поддерживает близкую к номинальной частоту вращения, резко (десятки процентов) увеличивая момент при незначительном повышении нагрузки на валу и снижении оборотов (единицы процентов). При значительном снижении оборотов (до точки критического момента) момент двигателя не только не растёт, а падает до нуля, что вызывает полную остановку. Обороты холостого хода постоянны и слегка превышают номинальные.
• Однофазный асинхронный двигатель предлагает дополнительный «букет» проблем, связанных с запуском, так как в нормальных условиях пускового момента не развивает. Пульсирующее во времени магнитное поле однофазного статора математически разлагается на два противофазных поля, делающих невозможным пуск без различных ухищрений:
  • расщепление фазы
  • создающая искусственную фазу ёмкость
  • создающую искусственную фазу активное сопротивление

Вращающееся в противофазе поле теоретически снижает максимальный КПД однофазного асинхронного двигателя до 50-60 % из-за потерь в перенасыщенной магнитной системе и активных потерь в обмотках, которые нагружаются токами «противополя». Фактически, на одном валу «сидят» две электрические машины, одна из которых работает в двигательном режиме, а вторая — в режиме противовключения.

Механическая характеристика в первую очередь и обуславливает (разные) области применения данных типов двигателей.

Из-за малых оборотов, ограниченных частотой сети переменного тока, асинхронные двигатели той же мощности имеют значительно бо́льшие вес и размеры, чем УКД. Если асинхронный двигатель запитывается от преобразователя (инвертора) с высокой частотой, то вес и размеры обеих машин становятся соизмеримы. При этом остаётся жёсткость механической характеристики, добавляются потери на преобразование тока и, как следствие увеличения частоты, повышаются индуктивные и магнитные потери (снижается общий КПД).

Аналоги бесколлекторного узла

Ближайшим аналогом УКД по механической характеристике является бесколлекторный электродвигатель (вентильный электродвигатель, в котором электронным аналогом щёточно-коллекторного узла является инвертор с датчиком положения ротора (ДПР).

Электронным аналогом универсального коллекторного двигателя является система: выпрямитель (мост), синхронный электродвигатель с датчиком углового положения ротора (датчик угла) и инвертором (другими словами — вентильный электродвигатель с выпрямителем).

Однако из-за применения постоянных магнитов в роторе максимальный момент вентильного двигателя при тех же габаритах будет меньше.

См. также

Ссылки, примечания