В бытовом электрооборудовании, где используются электродвигатели, как правило, устанавливаются электромашины с механической коммутацией. Такой тип двигателей называют коллекторными (далее КД). Предлагаем рассмотреть различные виды таких устройств, их принцип действия и конструктивные особенности. Мы также расскажем о достоинствах и недостатках каждого из них, приведем примеры сферы применения.
Под таким определением подразумевается электромашина, преобразовывающая электроэнергию в механическую, и наоборот. Конструкция устройства предполагает наличие хотя бы одной обмотки подсоединенной к коллектору (см. рис. 1).
Рисунок 1. Коллектор на роторе электродвигателя (отмечен красным)
В КД данный элемент конструкции используется для переключения обмоток и в качестве датчика, позволяющего определить положение якоря (ротора).
Виды КД
Классифицировать данные устройства принято по типу питания, в зависимости от этого различают две группы КД:
- Постоянного тока. Такие машины отличаются высоким пусковым моментом, плавным управлением частоты вращения и относительно простой конструкцией.
- Универсальные. Могут работать как от постоянного, так и переменного источника электроэнергии. Отличаются компактными размерами, невысокой стоимостью и простотой управления.
Первые, делятся на два подвида, в зависимости от организации индуктора он может быть на постоянных магнитах или специальных катушках возбуждения. Они служат для создания магнитного потока, необходимого для образования вращательного момента. КД, где используются катушки возбуждения, различают по типам обмоток, они могут быть:
- независимыми;
- параллельными;
- последовательными;
- смешанными.
Разобравшись с видами, рассмотрим каждый из них.
КД универсального типа
На рисунке ниже представлен внешний вид электромашины данного типа и ее основные элементы конструкции. Данное исполнение характерно практически для всех КД.
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.
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.
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.
К числу преимуществ можно отнести следующие качества:
- высокий момент силы даже на низкой частоте оборотов;
- динамичность управления;
- низкая стоимость.
Основные недостатки:
- малая мощность;
- потеря магнитами своих свойств от перегрева или с течением времени.
Для устранения одного из основных недостатков данных устройств (старения магнитов) в системе возбуждения используются специальные обмотки, перейдем к рассмотрению таких КД.
Независимые и параллельные катушки возбуждения
Первые получили такое название вследствие того, что обмотки индуктора и якоря не подключаются друг к другу и запитываются отдельно (см. А на рис. 6).
Рисунок 6. Схемы КД с независимой (А) и параллельной (В) обмоткой возбуждения
Особенность такого подключения заключается в том, что питание U и U K должны отличаться, в противном случае н возникнет момент силы. Если невозможно организовать такие условия, то катушки якоря и индуктора подключается параллельно (см. В на рис. 6). Оба вида КД обладают одинаковыми характеристиками, мы сочли возможным объединить их в одном разделе.
Момент силы у таких электромашин высокий при низкой частоте вращения и уменьшается при ее увеличении. Характерно, что токи якоря и катушки независимы, а общий ток является суммой токов, проходящих через эти обмотки. В результат этого, при падении тока катушки возбуждения до 0, КД с большой вероятностью выйдет из строя.
Сфера применения таких устройств – силовые установки с мощностью от 3 кВт.
Положительные черты:
- отсутствие постоянных магнитов снимает проблему их выхода из строя с течением времени;
Минусы:
- стоимость выше, чем у устройств на постоянных магнитах;
- недопустимость падения тока ниже порогового значения на катушке возбуждения, поскольку это приведет к поломке.
Последовательная катушка возбуждения
Схема такого КД представлена на рисунке ниже.
Поскольку обмотки включены последовательно, то ток в них будет равным. В результате этого, когда ток в обмотке статора становится меньше, чем номинальный (это происходит при небольшой нагрузке), уменьшается мощность магнитного потока. Соответственно, когда нагрузка увеличивается, пропорционально увеличивается мощность потока, вплоть до полного насыщения магнитной системы, после чего эта зависимость нарушается. То есть, в дальнейшем рост тока в обмотке катушки якоря не приводит к увеличению магнитного потока.
Указанная выше особенность проявляется в том, что КД данного типа непозволительно запускать при нагрузке на четверть меньше номинальной. Это может привести к тому, что ротор электромашины резко увеличит частоту вращения, то есть, двигатель пойдет «в разнос». Соответственно, такая особенность вносит ограничения на сферу применения, например, в механизмах с ременной передачей. Это связано с тем, что при ее обрыве электромашина начинает работать в холостом режиме.
Указанная особенность не распространяется на устройства, чья мощность менее 200 Вт, для них допустимы падения нагрузки вплоть до холостого режима работы.
Преимущества КД с последовательной катушкой, такие же, как у предыдущей модели, за исключением простоты и динамичности управления. Что касается минусов, то к ним следует отнести:
- высокую стоимость в сравнении с аналогами на постоянных магнитах;
- низкий уровень момента силы при высокой частоте оборотов;
- поскольку обмотки статора и возбуждения подключены последовательно, возникают проблемы с управлением скоростью вращения;
- работа без нагрузки приводит к поломке КД.
Смешанные катушки возбуждения
Как видно из схемы, представленной на рисунке ниже, индуктор на КД данного типа обладает двумя катушками, подключенных последовательно и параллельно обмотке ротора.
Как правило, одна из катушек обладает большей намагничивающей силой, поэтому она считается, как основная, соответственно, вторая – дополнительная (вспомогательная). Допускается встречное и согласованное включение катушек, в зависимости от этого интенсивность магнитного потока соответствует разности или сумме магнитных сил каждой обмотки.
При встречном включении характеристики КД становятся близкими к соответствующим показателям электромашин с последовательным или параллельным возбуждением (в зависимости от того, какая из катушек является основной). То есть, такое включение актуально, если необходимо получить результат в виде неизменной частоты оборотов или их увеличению при возрастании нагрузки.
Согласованное включение приводит к тому, что характеристики КД будут соответствовать среднему значению показателями электромашин с параллельными и последовательными катушками возбуждения.
Единственный недостаток такой конструкции – самая высокая стоимость в сравнении с другими типами КД. Цена оправдывается благодаря следующими положительными качествами:
- не устаревают магниты, за отсутствием таковых;
- малая вероятность выхода из строя при нештатных режимах работы;
- высокий момент силы на низкой частоте вращения;
- простое и динамичное управление.
Возникла необходимость подключить универсальный коллекторный электродвигатель. На первый взгляд никаких проблем нет. Двигатель рабочий, ранее стоял в соответствующем устройстве и выполнял предназначенную ему функцию, то есть уже был подключён. Но дело в том, что использовать его решил в совершенно ином по своим функциям устройстве. Изменились условия, возможности эксплуатации и требования, как к его работе, так и к сроку службы. Ведь механизм, в котором предполагалось вновь задействовать электродвигатель, должен будет быть собран именно под него. Что делать с существующей обвязкой? Можно и главное нужно ли в ней, что-то менять? В данном конкретном случае это электродвигатель от электробритвы.
Имеющаяся обвязка состоит из конденсаторов и дросселей предназначенных выполнять исключительно функции помехоподавляющего фильтра.
Непосредственно на работу двигателя они ни как не влияют. Известно, что универсальный коллекторный электродвигатель одинаково хорошо работает и на постоянном, и на переменном токе. Соответственно, не мудрствуя лукаво, при имеющимся сопротивлении секций обмоток статора (более 800 Ом) плюс сопротивление якоря (360 Ом), подключение можно сделать по такой схеме:
Что и было успешно опробовано.
Однако на постоянном токе чуточку лучше. Во первых КПД двигателя при переменном токе меньше, во вторых меньше срок службы щёток, коллектора и всей машины. Схема подключения будет такой.
Был опробован и этот вариант схемы.
Искрение щёток коллектора стало заметно меньше. Совсем уж решил на этом и остановиться, но тут посоветовали, что при питании данного электродвигателя постоянным током следует добавить, после диодного моста, конденсатор.
Ёмкость конденсатора первоначально посчитал по, показавшейся подходящей для данного случая, формуле. При подключении конденсатора с расчетной ёмкостью в 200 mkf движок взревел как небольшая электродрель, что заставило уменьшать ёмкость. Формулой для расчета, не оправдавшей себя, «делиться» смысла не вижу.
Остановился на конденсаторе 33mkf х 250V и диодном мосте из диодов 1N4007 (как более компактном). Работой электродвигателя доволен.
Видео работы электромотора
Ничего необычного, но действительно лучше увидеть, чем услышать (в данном случае прочитать) как он там «гудит», как он там «искрит». Желаю удачных экспериментов, Babay.
В домашнем хозяйстве редко встретишь мотор, работающий на постоянном токе. Зато они всегда устанавливаются в детских игрушках, которые летают, ездят, шагают и т.д. Всегда они стоят в автомобилях: в различных приводах и вентиляторах. В электротранспорте чаще всего используют тоже их.
Другими словами, применяются двигатели постоянного тока там, где требуется достаточно широкий диапазон регулирования скорости и точность ее поддержания.
Электрическая мощность в моторе преобразуется в механическую, заставляющую его вращаться, а часть этой мощности расходуется на нагревание проводника. Конструкция двигателя электрического постоянного тока включает якорь и индуктор, которые разделяют воздушные зазоры. Индуктор, состоящий из добавочных и главных полюсов, и станины, предназначен для создания магнитного поля. Якорь, собранный из отдельных листов, обмотка рабочая и коллектор, благодаря которому постоянный ток подводится к рабочей обмотке, образуют магнитную систему. Коллектор – это насаженный на вал двигателя цилиндр, собранный из изолированных друг от друга медных пластин. К его выступам припаиваются концы обмотки якоря. Ток с коллектора снимается при помощи щеток, закрепленных в определенном положении в щеткодержателях, благодаря чему обеспечивается нужный прижим на поверхность коллектора. Щетки с корпусом двигателя соединяются с помощью траверса.
Щетки, в процессе работы, скользят по поверхности вращающегося коллектора, переходя от одной его пластины к другой. При этом, в параллельных секциях обмотки якоря происходит изменение тока (когда щетка накоротко замыкает виток). Процесс этот называют коммутацией.
Под влиянием своего магнитного поля, в замкнутой секции обмотки возникает ЭДС самоиндукции, вызывающая появление дополнительного тока, который на поверхности щеток распределяет неравномерно ток, что приводит к искрению.
Частота вращения – одна из важнейших его характеристик. Ее регулировать можно тремя способами: изменяя поток возбуждения, изменяя величину подводимого напряжения к двигателю, изменяя сопротивление в якорной цепи.
Два первых способа встречаются намного чаще третьего, ввиду его неэкономичности. Ток возбуждения регулируется при помощи любого устройства, у которого возможно изменять активное сопротивление (например, реостата). Регулирование при помощи изменения напряжения требует наличие источника постоянного тока: преобразователя или генератора. Такое регулирование применяют во всех промышленных электроприводах.
Торможение электрического двигателя постоянного тока
Для торможения электроприводов с ДПТ также есть три варианта: торможение противовключением, динамическое и рекуперативное. Первое происходит за счет изменения полярности тока в обмотке якоря и напряжения. Второе происходит благодаря замыканию накоротко (через резистор) обмотки якоря. Электрический двигатель при этом работает как генератор, преобразуя в электрическую, запасенную им механическую энергию, которая выделяется в виде тепла. Это торможение сопровождается мгновенной остановкой двигателя.
Последнее происходит, если электрический мотор, включенный в сеть, вращается со скоростью, которая выше скорости холостого хода. ЭДС обмотки двигателя в этом случае, превышает значение напряжении я в сети, что приводит к изменению на противоположное направление тока в обмотке мотора, т.е. двигатель отдает в сеть энергию, переходя в режим генератора. Одновременно возникает тормозной момент на валу.
Преимущества двигателей постоянного тока
Сравнивая их с асинхронными моторами, нужно отметить отличные пусковые качества, высокую (до 3000 об/мин) частоту вращения, а также хорошую регулировку. Из недостатков отметить можно? Сложность конструкции, низкую надежность, высокую стоимость и затраты на ремонт и обслуживание.
Принцип действия ДПТ
ДПТ, как и любой современный мотор, работает на основе «Правила левой руки», с которым все знакомы еще со школы и закона Фарадея. При подключении тока к нижней обмотке якоря в одном направлении, а к обмотке верхней – в другом, якорь начинает вращаться, а уложенные в его пазах проводники – выталкиваться магнитным полем статора или обмоток корпуса двигателя постоянного тока. Вправо выталкивается нижняя часть, а влево – верхняя. В результате якорь вращается до тех пор, пока его части не поменяются местами. Чтобы добиться непрерывного вращения, необходимо полярность обмотки якоря регулярно менять местами. Как раз этим и занимается коллектор, коммутирующий при вращении обмотки якоря. На коллектор от источника подается напряжение через пару прижимных щеток из графита.
Принципиальные схемы ДПТ
Двигатель переменного тока подключается просто, в отличие от ДПТ. Обычно у таких двигателей высокой и средней мощности имеются отдельные выводы в клеммной коробке (от обмотки и якоря). На якорь обычно подается полное напряжение, а на обмотку - ток, регулировать который можно реостатом или напряжением переменным. От величины тока, имеющегося на обмотке возбуждения, прямопропорционально зависят обороты двигателя переменного тока.
В зависимости от того, какая используется схема подключения электродвигателя постоянного тока, двигатель электрический может быть постоянного тока, разделяют на самовозбуждающиеся и с независимым возбуждением (от отдельного источника).
Схема для подключения двигателя с возбуждением параллельным
Она аналогична предыдущей, но не имеет отдельного источника питания.
Когда требуется большой пусковой ток, применяют двигатели с возбуждением последовательным: в городском электротранспорте (троллейбусах, трамваях, электровозах).
Токи обоих обмоток в этом случае одинаковы. Недостаток – требуется постоянная нагрузка на вал, поскольку при ее уменьшении на 25%, резко увеличивается частота вращения и происходит отказ двигателя.
Есть еще моторы, которые крайне редко используются - со смешанным возбуждением. Их схема представлена ниже.
Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением
Под понятием «возбуждение» понимают создание в электрических машинах магнитного поля, которое необходимо, чтобы заработал двигатель. Схем возбуждения несколько:
- С независимым возбуждением (питание обмотки происходит от постороннего источника).
- Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением (источник питания обмотки возбуждения и якоря включены параллельно) – шунтовые.
- С последовательным возбуждением (обе обмотки включены последовательно) – сериесные.
- Со смешанным возбуждением – компаундные.
Бесщеточные моторы
Но, двигатель со щетками, которые быстро изнашиваются и приводят к искрению, не может использоваться там, где необходима высокая надежность, поэтому среди электротранспорта (электровелосипедов, скутеров, мотоциклов и электромобилей) наибольшее применение нашли бесщеточные электродвигатели. Они отличаются высоким КПД, невысокой стоимостью, хорошей удельной емкостью, длительным сроком службы, малыми размерами, бесшумной работой.
Работа этого двигателя основывается на взаимодействии магнитных полей электромагнита и постоянного. Когда за окном 21 век, а вокруг полно мощных и недорогих проводников, логично заменить механический инвертор цифровым, добавить датчик положения ротора, решающий в какой момент на конкретную катушку необходимо подать напряжение, и получить бесщеточный электродвигатель постоянного тока. В качестве датчика чаще используется датчик Холла.
Поскольку в этом двигателе удалены щетки, он не нуждается в регулярном обслуживании. Управляется двигатель постоянного тока при помощи блока управления, позволяющего изменять частоту вращения вала мотора, стабилизировать на определенном уровне обороты (независимо от имеющейся на валу нагрузки).
Состоит блок управления из нескольких узлов:
- Системы импульсно-фазового управления СИФУ.
- Регулятора
- Защиты.
Где купить электродвигатель
Многие компании с мировыми именами выпускают сегодня электродвигатель постоянного тока 220 В. Купить его можно в интернет - магазинах, менеджеры которых предоставят исчерпывающую онлайн информацию, касающуюся выбранной модели. Большой выбор моделей таких двигателей на сайте http://ru.aliexpress.com/w/wholesale-brushless-dc-motor.html , в каталоге которого можно ознакомиться со стоимостью моделей, их описанием и пр. Если даже в каталоге нет интересующего двигателя, можно заказать его доставку.
Коллекторные двигатели переменного тока достаточно широко применяются как силовые агрегаты бытовой техники, ручного электроинструмента, электрооборудования автомобилей, систем автоматики. Схема подключения коллекторного двигателя переменного тока, а также его устройство напоминают схему и устройство электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.
Область применения таких моторов обусловлена их компактностью, малым весом, легкостью управления, сравнительно невысокой стоимостью. Наиболее востребованы в этом производственном сегменте электродвигатели малой мощности с высокой частотой вращения.
- Упрощенная схема подключения
- Управление работой двигателя
- Преимущества и недостатки
- Типичные неисправности
Особенности конструкции и принцип действия
По сути, коллекторный двигатель переменного тока представляет собой достаточно специфичное устройство, обладающее всеми достоинствами машины постоянного тока и, в силу этого, обладающее схожими характеристиками. Отличие этих двигателей состоит в том, что корпус статора мотора переменного тока для снижения потерь на вихревые токи выполняется из отдельных листов электротехнической стали. Обмотки возбуждения машины переменного тока подключаются последовательно для оптимизации работы в бытовой сети 220в.
Могут быть как одно-, так и трехфазными; благодаря способности работать от постоянного и переменного тока называются ещё универсальными. Кроме статора и ротора конструкция включает щеточно-коллекторный механизм и тахогенератор. Вращение ротора в коллекторном электродвигателе возникает в результате взаимодействия тока якоря и магнитного потока обмотки возбуждения. Через щетки ток подается на коллектор, собранный из пластин трапецеидального сечения и является одним из узлов ротора, последовательно соединенного с обмотками статора.
В целом принцип работы коллекторного мотора переменного тока можно наглядно продемонстрировать с помощью известного со школы опыта с вращением рамки, помещенной между полюсами магнитного поля. Если через рамку протекает ток, она начинает вращаться под действием динамических сил. Направление движения рамки не меняется при изменении направления движения тока в ней.
Последовательное подсоединение обмоток возбуждения дает большой максимальный момент, но появляются большие обороты холостого хода, способные привести к преждевременному выходу механизма из строя.
Упрощенная схема подключения
Типовая схема подключения коллекторного электродвигателя переменного тока может предусматривать до десяти выведенных контактов на контактной планке. Ток от фазы L протекает до одной из щеток, затем передается на коллектор и обмотку якоря, после чего проходит вторую щетку и перемычку на обмотки статора и выходит на нейтраль N. Такой способ подключения не предусматривает реверс двигателя вследствие того, что последовательное подсоединение обмоток ведет к одновременной замене полюсов магнитных полей и в результате момент всегда имеет одно направление.
Направление вращения в этом случае можно изменить, только поменяв местами выхода обмоток на контактной планке. Включение двигателя «напрямую» выполняется только с подсоединенными выводами статора и ротора (через щеточно-коллекторный механизм). Вывод половины обмотки используется для включения второй скорости. Следует помнить, что при таком подключении мотор работает на полную мощность с момента включения, поэтому эксплуатировать его можно не более 15 секунд.
Управление работой двигателя
На практике используются двигатели с различными способами регулирования работы. Управление коллекторным мотором может осуществляться с помощью электронной схемы, в которой роль регулирующего элемента выполняет симистор, «пропускающий» заданное напряжение на мотор. Симистор работает, как быстросрабатывающий ключ, на затвор которого приходят управляющие импульсы и открывают его в заданный момент.
В схемах с использованием симистора реализован принцип действия, основанный на двухполупериодном фазовом регулировании, при котором величина подаваемого на мотор напряжения привязана к импульсам, поступающим на управляющий электрод. Частота вращения якоря при этом прямо пропорциональна приложенному к обмоткам напряжению. Принцип работы схемы управления коллекторным двигателем упрощенно описывается следующими пунктами:
- электронная схема подает сигнал на затвор симистора;
- затвор открывается, по обмоткам статора течет ток, придавая вращение якорю М двигателя;
- тахогенератор преобразует в электрические сигналы мгновенные величины частоты вращения, в результате формируется обратная связь с импульсами управления;
- в результате ротор вращается равномерно при любых нагрузках;
- реверс электродвигателя осуществляется с помощью реле R1 и R
Помимо симисторной существует фазоимпульсная тиристорная схема управления.
Преимущества и недостатки
К неоспоримым достоинствам таких машин следует отнести:
- компактные габариты;
- увеличенный пусковой момент; «универсальность» — работа на переменном и постоянном напряжении;
- быстрота и независимость от частоты сети;
- мягкая регулировка оборотов в большом диапазоне с помощью варьирования напряжения питания.
- снижение долговечности механизма;
- искрение между и коллектором и щетками;
- повышенный уровень шумов;
- большое количество элементов коллектора.
Типичные неисправности
Наибольшего внимания к себе требует щеточно-коллекторный механизм, в котором наблюдается искрение даже при работе нового двигателя. Сработанные щетки следует заменить для предотвращения более серьезных неисправностей: перегрева ламелей коллектора, их деформации и отслаивания. Кроме того, может произойти межвитковое замыкание обмоток якоря или статора, в результате которого происходит значительное падение магнитного поля или сильное искрение коллекторно-щеточного перехода.
Избежать преждевременного выхода из строя универсального коллекторного двигателя может грамотная эксплуатация устройства и профессионализм изготовителя в процессе сборки изделия.