У побутовому електрообладнанні, де використовуються електродвигуни, зазвичай встановлюються електромашини з механічною комутацією. Такий тип двигунів називають колекторними (далі КД). Пропонуємо розглянути різні видитаких пристроїв, їх принцип дії та конструктивні особливості. Ми також розповімо про переваги та недоліки кожного з них, наведемо приклади сфери застосування.
Під таким визначенням мається на увазі електромашина, що перетворює електроенергію на механічну, і навпаки. Конструкція пристрою передбачає наявність хоча б однієї обмотки, приєднаної до колектора (див. рис. 1).
Малюнок 1. Колектор на роторі електродвигуна (відзначений червоним)
У КД даний елемент конструкції використовується для перемикання обмоток і як датчик, що дозволяє визначити положення якоря (ротора).
Види КД
Класифікувати дані пристрою прийнято за типом живлення, залежно від цього розрізняють дві групи КД:
- Постійного струму. Такі машини відрізняються високим пусковим моментом, плавним керуванням частоти обертання та відносно простою конструкцією.
- Універсальні. Можуть працювати від постійного, і змінного джерела електроенергії. Відрізняються компактними розмірами, невисокою вартістю та простотою керування.
Перші поділяються на два підвиди, залежно від організації індуктора він може бути на постійних магнітах або спеціальних котушках збудження. Вони служать для створення магнітного потоку, необхідного для утворення обертального моменту. КД, де використовуються котушки збудження, розрізняють за типами обмоток, вони можуть бути:
- незалежними;
- паралельними;
- послідовними;
- змішаними.
Розібравшись із видами, розглянемо кожен із них.
КД універсального типу
На малюнку нижче представлено зовнішній вигляделектромашини даного типута її основні елементи конструкції. Дане виконання характерне практично всім КД.
Позначення:
- А – механічний комутатор, його називають колектором, його функції були описані вище.
- В – щіткотримач, служать для кріплення щіток (як правило, з графіту), через які напруга надходить на обмотки якоря.
- С – Сердечник статора (набирається із пластин, матеріалом для яких є електротехнічна сталь).
- D - Обмотки статора, даний вузол відноситься до системи збудження (індуктор).
- Е - Вал якоря.
У пристроїв даного типу збудження може бути послідовним і паралельним, але оскільки останній варіант зараз не роблять, ми його не розглядатимемо. Щодо універсальних КД послідовного збудження, то типова схематаких електромашин представлено нижче.
Універсальний КД може працювати від змінної напругизавдяки тому, що коли відбувається зміна полярності, струм в обмотках збудження та якоря також змінює напрямок. Внаслідок цього обертальний момент не змінює свого напряму.
Особливості та сфера застосування універсальних КД
Основні недоліки даного пристроювиявляються при його підключенні до джерел змінної напруги, що відображається в наступному:
- зниження ККД;
- підвищене іскроутворення у щітково-колекторному вузлі, і як наслідок, його швидке зношування.
Раніше КД широко застосовувалися в багатьох побутових електроприладах (інструмент, пральні машини, пилососи і т.д.). На даний момент виробники практично перестали використовувати даний тип двигунів надавши перевагу безколекторним електромашин.
Тепер розглянемо колекторні електромашини, що працюють від джерел постійної напруги.
КД із індуктором на постійних магнітах
Конструктивно такі електромашини відрізняються від універсальних тим, що замість котушок збудження використовуються постійні магніти.
Цей вид КД набув найбільшого поширення порівняно з іншими електромашинами цього типу. Це пояснюється невисокою вартістю внаслідок простоти конструкції, простим управліннямшвидкості обертання (залежить від напруги) та зміною його напрямку (достатньо змінити полярність). Потужність двигуна залежить від напруженості поля, створюваного постійними магнітами, що вносить певні обмеження.
Основна сфера застосування – малопотужні приводи для різного обладнання, що часто використовується в дитячих іграшках.
До переваг можна віднести такі якості:
- високий момент сили навіть на низькій частоті обертів;
- динамічність керування;
- низька вартість.
Основні недоліки:
- мала потужність;
- втрата магнітами своїх властивостей від перегріву чи з часом.
Для усунення одного з основних недоліків даних пристроїв (старіння магнітів) у системі збудження використовуються спеціальні обмотки, перейдемо до розгляду таких КД.
Незалежні та паралельні котушки збудження
Перші отримали таку назву внаслідок того, що обмотки індуктора та якоря не підключаються один до одного та запитуються окремо (див. А на рис. 6).
Малюнок 6. Схеми КД із незалежною (А) та паралельною (В) обмоткою збудження
Особливість такого підключення полягає в тому, що харчування U і U K повинні відрізнятися, інакше виникне момент сили. Якщо неможливо організувати такі умови, то котушки якоря та індуктора підключається паралельно (див. рис. 6). Обидва види КД мають однакові характеристики, ми вважали за можливе об'єднати їх в одному розділі.
Момент сили таких електромашин високий при низькій частоті обертання і зменшується при її збільшенні. Характерно, що струми якоря та котушки незалежні, а загальний струм є сумою струмів, що проходять через ці обмотки. В результаті цього, при падінні струму котушки збудження до 0, КД з великою ймовірністю вийде з ладу.
Сфера застосування таких пристроїв силові установкиіз потужністю від 3 кВт.
Позитивні риси:
- відсутність постійних магнітівзнімає проблему їхнього виходу з ладу з часом;
Мінуси:
- вартість вища, ніж у пристроїв на постійних магнітах;
- неприпустимість падіння струму нижче за порогове значення на котушці збудження, оскільки це призведе до поломки.
Послідовна котушка збудження
Схема такого КД представлена малюнку нижче.
Оскільки обмотки включені послідовно, то струм у них дорівнюватиме. В результаті цього, коли струм в обмотці статора стає меншим, ніж номінальний (це відбувається при невеликому навантаженні), зменшується потужність магнітного потоку. Відповідно, коли збільшується навантаження, пропорційно збільшується потужність потоку, аж до повного насичення магнітної системи, після чого ця залежність порушується. Тобто надалі зростання струму в обмотці котушки якоря не призводить до збільшення магнітного потоку.
Зазначена вище особливість проявляється в тому, що КД даного типу не дозволяється запускати при навантаженні на чверть менше від номінальної. Це може призвести до того, що ротор електромашини різко збільшить частоту обертання, тобто двигун піде "в рознесення". Відповідно, така особливість вносить обмеження на сферу застосування, наприклад, механізми з ремінною передачею. Це з тим, що з її обриві електромашина починає працювати у холостому режимі.
Зазначена особливість не поширюється на пристрої, потужність яких менше 200 Вт, для них допустимі падіння навантаження аж до холостого режиму роботи.
Переваги КД із послідовною котушкою, такі ж, як у попередньої моделі, за винятком простоти та динамічності управління. Щодо мінусів, то до них слід віднести:
- високу вартість у порівнянні з аналогами на постійних магнітах;
- низький рівень моменту сили за високої частоти оборотів;
- оскільки обмотки статора та збудження підключені послідовно, виникають проблеми з керуванням швидкістю обертання;
- робота без навантаження призводить до поломки КД.
Змішані котушки збудження
Як видно зі схеми, представленої на малюнку нижче, індуктор на КД даного типу має дві котушки, підключені послідовно і паралельно обмотці ротора.
Як правило, одна з котушок має більшу силу, що намагнічує, тому вона вважається, як основна, відповідно, друга - додаткова (допоміжна). Допускається зустрічне та узгоджене включення котушок, залежно від цього інтенсивність магнітного потоку відповідає різниці чи сумі магнітних сил кожної обмотки.
При зустрічному включенні характеристики КД стають близькими до відповідних показників електромашин із послідовним або паралельним збудженням (залежно від того, яка котушка є основною). Тобто, таке включення є актуальним, якщо необхідно отримати результат у вигляді незмінної частоти оборотів або їх збільшення при зростанні навантаження.
Узгоджене включення призводить до того, що характеристики КД відповідатимуть середньому значенню показниками електромашин з паралельними і послідовними котушками збудження.
Єдиний недолік такої конструкції – найвища вартість у порівнянні з іншими типами КД. Ціна виправдовується завдяки таким позитивним якостям:
- не старіють магніти, за відсутністю таких;
- мінімальна можливість виходу з ладу при позаштатних режимах роботи;
- високий момент сили низької частоти обертання;
- просте та динамічне управління.
Виникла потреба підключити універсальний колекторний електродвигун. На перший погляд, жодних проблем немає. Двигун робітник, який раніше стояв у відповідному пристрої і виконував призначену йому функцію, тобто вже був підключений. Але річ у тому, що використовувати його вирішив у зовсім іншому за своїми функціями пристрої. Змінилися умови, можливості експлуатації та вимоги як до його роботи, так і до терміну служби. Адже механізм, в якому передбачалося знову задіяти електродвигун, має бути зібрано саме під нього. Що робити з існуючим обв'язуванням? Чи можна і головне чи потрібно в ній, щось міняти? У даному випадку це електродвигун від електробритви.
Наявна обв'язка складається з конденсаторів і дроселів, призначених виконувати виключно функції перешкододавлюючого фільтра.
Безпосередньо на роботу двигуна вони ніяк не впливають. Відомо, що універсальний колекторний електродвигун однаково добре працює і постійному, і змінному струмі. Відповідно, не мудруючи лукаво, при наявному опорі секцій обмоток статора (більше 800 Ом) плюс опір якоря (360 Ом), підключення можна зробити за такою схемою:
Що й було успішно випробувано.
Однак на постійному струмі трішки краще. По перше ККД двигунапри змінному струмі менше, по-друге менше термін служби щіток, колектора та всієї машини. Схема підключення буде такою.
Було випробувано і цей варіант схеми.
Іскріння щіток колектора стало помітно менше. Дуже вже вирішив на цьому і зупинитися, але тут порадили, що при живленні даного електродвигуна постійним струмом слід додати після діодного мосту конденсатор.
Ємність конденсатора спочатку порахував за, що здалася придатною для даного випадку, формулою. При підключенні конденсатора з розрахунковою ємністю 200 mkf двигун заревів як невеликий електродриль, що змусило зменшувати ємність. Формулою для розрахунку, яка не виправдала себе, «ділитися» сенсу не бачу.
Зупинився на конденсаторі 33mkf х 250V та діодному мосту з діодів 1N4007 (як більш компактному). Роботою електродвигуна задоволений.
Відео роботи електромотора
Нічого незвичайного, але справді краще побачити, ніж почути (в даному випадку прочитати) як він там «гуде», як він там «іскрит». Бажаю вдалих експериментів, Babay.
У домашньому господарствірідко зустрінеш мотор, що працює на постійному струмі. Натомість вони завжди встановлюються у дитячих іграшках, які літають, їздять, крокують тощо. Завжди вони стоять в автомобілях: у різних приводах та вентиляторах. В електротранспорті найчастіше використовують також їх.
Іншими словами, застосовуються двигуни постійного струмутам, де потрібно досить широкий діапазон регулювання швидкості та точність її підтримки.
Електрична потужність у моторі перетворюється на механічну, що змушує його обертатися, а частина цієї потужності витрачається на нагрівання провідника. Конструкція двигуна електричного постійного струму включає якір та індуктор, які поділяють повітряні зазори. Індуктор, що складається з додаткових та головних полюсів, та станини, призначений для створення магнітного поля. Якір, зібраний з окремих листів, робоча обмотка і колектор, завдяки якому постійний струм підводиться до робочої обмотки, утворюють магнітну систему. Колектор - це насаджений на вал двигуна циліндр, зібраний із ізольованих один від одного мідних пластин. До його виступів припаюються кінці обмотки якоря. Струм з колектора знімається за допомогою щіток, закріплених у певному положенні в щіткотримачах, завдяки чому забезпечується потрібний притиск на поверхню колектора. Щітки з корпусом двигуна з'єднуються траверсом.
Щітки, в процесі роботи, ковзають по поверхні колектора, що обертається, переходячи від однієї його пластини до іншої. При цьому в паралельних секціях обмотки якоря відбувається зміна струму (коли щітка коротко замикає виток). Процес цей називають комутацією.
Під впливом свого магнітного поля, у замкнутій секції обмотки виникає ЕРС самоіндукції, викликаюча появадодаткового струму, який на поверхні щіток розподіляє нерівномірний струм, що призводить до іскріння.
Частота обертів- Одна з найважливіших його характеристик. Її регулювати можна трьома способами: змінюючи потік збудження, змінюючи величину напруги, що підводиться до двигуна, змінюючи опір в якірному ланцюгу.
Два перші способи зустрічаються набагато частіше за третій, зважаючи на його неекономічність. Струм збудження регулюється за допомогою будь-якого пристрою, який може змінювати активний опір (наприклад, реостата). Регулювання зміною напруги вимагає наявність джерела постійного струму: перетворювача або генератора. Таке регулювання застосовують у всіх промислових електроприводах.
Гальмування електричного двигуна постійного струму
Для гальмування електроприводів із ДПТ також є три варіанти:гальмування противключенням, динамічне та рекуперативне. Перше відбувається за рахунок зміни полярності струму в обмотці якоря та напруги. Друге відбувається завдяки замиканню коротко (через резистор) обмотки якоря. Електричний двигунпри цьому працює як генератор, перетворюючи на електричну, запасену їм механічну енергію, яка виділяється у вигляді тепла. Це гальмування супроводжується миттєвою зупинкою двигуна.
Останнє відбувається, якщо електричний мотор, включений у мережу, обертається зі швидкістю, яка вища за швидкість холостого ходу. ЕРС обмотки двигуна в цьому випадку перевищує значення напрузі я в мережі, що призводить до зміни на протилежний напрямок струму в обмотці мотора, тобто. двигун віддає у мережу енергію, переходячи у режим генератора. Одночасно виникає гальмівний момент на валу.
Переваги двигунів постійного струму
Порівнюючи їх з асинхронними двигунами, Треба відзначити відмінні пускові якості, високу (до 3000 об/хв) частоту обертання, а також хороше регулювання. Із недоліків відзначити можна? Складність конструкції, низьку надійність, високу вартість та витрати на ремонт та обслуговування.
Принцип дії ДПТ
ДПТ, як і будь-який сучасний мотор, працює на основі «Правила лівої руки», з яким усі знайомі ще зі школи та закону Фарадея. При підключенні струму до нижньої обмотки якоря в одному напрямку, а до верхньої обмотки - в іншому, якір починає обертатися, а укладені в його пазах провідники - виштовхуватися магнітним полем статора або обмоток корпусу двигуна постійного струму. Праворуч виштовхується нижня частина, а ліворуч – верхня. В результаті якір обертається доти, доки його частини не поміняються місцями. Щоб досягти безперервного обертання, необхідно полярність обмотки якоря регулярно міняти місцями. Саме цим і займається колектор, що комутує при обертанні обмотки якоря. На колектор від джерела подається напруга через пару притискних щіток із графіту.
Принципові схеми ДПТ
Двигун змінного струмупідключається просто, на відміну ДПТ. Зазвичай у таких двигунів високої та середньої потужностіє окремі висновки в клемній коробці (від обмотки та якоря). На якір зазвичай подається повна напруга, а на обмотку - струм, регулювати який можна реостатом або змінною напругою. Від величини струму, що є на обмотці збудження, прямопропорційно залежать обороти двигуна змінного струму.
Залежно від того, яка використовується схема підключення електродвигуна постійного струму, електричний двигун може бути постійного струму, поділяють на самозбуджуючі і з незалежним збудженням(Від окремого джерела).
Схема для підключення двигуна із збудженням паралельним
Вона аналогічна до попередньої, але не має окремого джерела живлення.
Коли потрібен великий пусковий струм, застосовують двигуни з послідовним збудженням: у міському електротранспорті (тролейбусах, трамваях, електровозах).
Струми обох обмоток у цьому випадку однакові. Недолік – потрібне постійне навантаження на вал, оскільки при її зменшенні на 25% різко збільшується частота обертання і відбувається відмова двигуна.
Є ще мотори, які дуже рідко застосовуються - зі змішаним збудженням. Їхня схема представлена нижче.
Електродвигун постійного струму з паралельним збудженням
Під поняттям «збудження» розуміють створення електричних машинахмагнітного поля, яке потрібно, щоб запрацював двигун. Схем збудження кілька:
- З незалежним збудженням (живлення обмотки походить від стороннього джерела).
- Електродвигун постійного струму з паралельним збудженням (джерело живлення обмотки збудження та якоря включені паралельно) – шунтові.
- З послідовним збудженням(обидві обмотки включені послідовно) – серієсні.
- Зі змішаним збудженням – компаудні.
Безщіткові мотори
Але, двигун із щітками, які швидко зношуються та призводять до іскріння, не може використовуватися там, де необхідна висока надійністьтому серед електротранспорту (електровелосипедів, скутерів, мотоциклів та електромобілів) найбільше застосуваннязнайшли безщіткові електродвигуни. Вони відрізняються високим ККД, невисокою вартістю, гарною питомою ємністю, тривалим терміномслужби, малими розмірами, безшумною роботою.
Робота цього двигуна ґрунтується на взаємодії магнітних полів електромагніту та постійного. Коли за вікном 21 століття, а навколо повно потужних і недорогих провідників, логічно замінити механічний інвертор на цифровий, додати датчик положення ротора, вирішальний в який момент на конкретну котушку необхідно подати напругу, і отримати безщітковий електродвигун постійного струму. Як датчик частіше використовується датчик Холла.
Оскільки в цьому двигуні видалені щітки, він не потребує регулярного обслуговування. Керується двигун постійного струму за допомогою блоку управління, що дозволяє змінювати частоту обертання вала двигуна, стабілізувати на певному рівні оберти (незалежно від наявного на валу навантаження).
Складається блок управління з кількох вузлів:
- Системи імпульсно-фазового керування СІФУ.
- Регулятора
- Захист.
Де придбати електродвигун
Багато компаній зі світовими іменами випускають сьогодні електродвигун постійного струму 220 В. Купити його можна в інтернет-магазинах, менеджери яких нададуть вичерпну онлайн інформацію, що стосується обраної моделі. Великий вибірмоделей таких двигунів на сайті http://ua.aliexpress.com/w/wholesale-brushless-dc-motor.html, у каталозі якого можна ознайомитися з вартістю моделей, їх описом та ін. Якщо навіть у каталозі немає двигуна, що цікавить, можна замовити його доставку.
Колекторні двигуни змінного струму досить широко застосовуються як силові агрегати побутової техніки, ручного електроінструменту, електроустаткування автомобілів, систем автоматики. Схема підключення колекторного двигуна змінного струму, а також пристрій нагадують схему і пристрій електродвигуна постійного струму з послідовним збудженням.
Область застосування таких моторів обумовлена їхньою компактністю, малою вагою, легкістю керування, порівняно невисокою вартістю. Найбільш затребувані в цьому виробничому сегменті електродвигуни малої потужності високою частотоюобертання.
- Спрощена схема підключення
- Управління роботою двигуна
- Переваги і недоліки
- Типові несправності
Особливості конструкції та принцип дії
По суті, колекторний двигун змінного струму є досить специфічним пристроєм, що має всі переваги машини постійного струму і, в силу цього, що володіє схожими характеристиками. Відмінність цих двигунів у тому, що корпус статора мотора змінного струму зниження втрат на вихрові струми виконується з окремих листів електротехнічної сталі. Обмотки збудження машини змінного струму послідовно підключаються для оптимізації роботи в побутової мережі 220в.
Можуть бути як одно-, так і трифазними; завдяки здатності працювати від постійного та змінного струму називаються ще універсальними. Крім статора та ротора конструкція включає щітково-колекторний механізм та тахогенератор. Обертання ротора в колекторному електродвигуні виникає в результаті взаємодії струму якоря та магнітного потоку обмотки збудження. Через щітки струм подається на колектор, зібраний з пластин трапецеїдального перерізу і є одним із вузлів ротора, послідовно з'єднаного з статора обмотками.
В цілому принцип роботи колекторного мотора змінного струму можна наочно продемонструвати за допомогою відомого зі школи досвіду з обертанням рамки між полюсами магнітного поля. Якщо через рамку протікає струм, вона починає обертатися під впливом динамічних сил. Напрямок руху рамки не змінюється за зміни напряму руху струму у ній.
Послідовне приєднання обмоток збудження дає великий максимальний момент, але з'являються великі оберти холостого ходу, які можуть призвести до передчасного виходу механізму з ладу.
Спрощена схема підключення
Типова схема підключення колекторного електродвигуна змінного струму може передбачати десять виведених контактів на контактній планці. Струм від фази L протікає до однієї з щіток, потім передається на колектор та обмотку якоря, після чого проходить другу щітку та перемичку на обмотки статора і виходить на нейтраль N. Такий спосіб підключення не передбачає реверс двигуна внаслідок того, що послідовне приєднання обмоток веде до одночасної заміни полюсів магнітних полів і в результаті момент завжди має один напрямок.
Напрямок обертання в цьому випадку можна змінити лише помінявши місцями виходу обмоток на контактній планці. Вмикання двигуна «безпосередньо» виконується тільки з приєднаними висновками статора і ротора (через щітково-колекторний механізм). Виведення половини обмотки використовується для включення другої швидкості. Слід пам'ятати, що при такому підключенні двигун працює на повну потужністьз моменту увімкнення, тому експлуатувати його можна не більше 15 секунд.
Управління роботою двигуна
На практиці використовуються двигуни з у різний спосібрегулювання роботи. Управління колекторним мотором може здійснюватися за допомогою електронної схеми, в якій роль регулюючого елемента виконує симистор, що «пропускає» задану напругу на двигун. Симистор працює, як ключ, що швидко спрацьовує, на затвор якого приходять керуючі імпульси і відкривають його в заданий момент.
У схемах з використанням симистора реалізований принцип дії, заснований на двухполуперіодному фазовому регулюванні, при якому величина напруги, що подається на мотор, прив'язана до імпульсів, що надходять на керуючий електрод. Частота обертання якоря у своїй прямо пропорційна прикладеному до обмоткам напрузі. Принцип роботи схеми керування колекторним двигуном спрощено описується такими пунктами:
- електронна схема подає сигнал на затвор симистора;
- затвор відкривається, по обмотках статора тече струм, надаючи обертання якорю двигуна М;
- тахогенератор перетворює на електричні сигнали миттєві величини частоти обертання, в результаті формується Зворотній зв'язокз імпульсами керування;
- в результаті ротор обертається рівномірно за будь-яких навантажень;
- реверс електродвигуна здійснюється за допомогою реле R1 та R
Крім симісторної існує фазоімпульсна тиристорна схема управління.
Переваги і недоліки
До незаперечних переваг таких машин слід віднести:
- компактні габарити;
- збільшений пусковий момент; «універсальність» - робота на змінній та постійній напрузі;
- швидкість та незалежність від частоти мережі;
- м'яке регулювання обертів у великому діапазоні за допомогою варіювання напруги живлення.
- зниження довговічності механізму;
- іскріння між колектором і щітками;
- підвищений рівень шумів;
- велика кількість елементів колектора.
Типові несправності
Найбільшої уваги потребує щітково-колекторний механізм, у якому спостерігається іскріння навіть за роботі нового двигуна. Спрацьовані щітки слід замінити для запобігання серйознішим несправностям: перегріву ламелей колектора, їх деформації та відшаровуванню. Крім того, може статися міжвиткове замикання обмоток якоря або статора, в результаті якого відбувається значне падіння магнітного поля або сильне іскріння колекторно-щіткового переходу.
Уникнути передчасного виходу з ладу універсального колекторного двигуна грамотна експлуатаціяпристрої та професіоналізм виробника в процесі складання виробу.