Колекторний електродвигун. Універсальний колекторний електродвигун

Колекторний електродвигун являє собою синхронну електричну машину, в якій перемикач струму в обмотці і датчик положення ротора виконані у вигляді одного і того ж пристрою - щітково-колекторного вузла. Це пристрій буває різних видів.

Різновиди

Колекторний електродвигун постійного струму зазвичай включає до свого складу такі елементи, як:

- триполюсною ротор на підшипниках скольженія-

- двополюсної статор на постійних магнітах-

- мідні пластини в якості щіток колекторного вузла.

Цей набір характерний для самих малопотужних рішень, які звичайно використовуються в дитячих іграшках, де не потрібна велика потужність. До складу більш потужних двигунів включається ще кілька конструктивних елементів:

- чотири графітові щітки у вигляді колекторного узла-

- ротор з кількома полюсами на підшипниках каченія-

- статор з постійних магнітів з чотирма полюсами.

Найчастіше пристрій електродвигуна такого типу використовується в сучасних автомобілях для реалізації приводу вентилятора системи охолодження і вентиляції, насосів омивателей, двірників і інших елементів. Існую і більш складні агрегати.

Потужність електродвигуна в кілька сотень ватів припускає використання в складі чотириполюсним статора, виконаного з електромагнітів. Для підключення його обмоток може використовуватися один з декількох способів:

- Послідовно з ротором. В даному випадку виходить великий максимальний момент, однак через більших обертів холостого ходу великий ризик пошкодження двигуна.

- Паралельно з ротором. В даному випадку обороти залишаються стабільними в умовах мінливої навантаження, проте максимальний момент помітно менше.

- Змішане збудження, коли частина обмотки підключається послідовно, а частина паралельно. В даному випадку суміщені достоїнства попередніх варіантів. Використовується цей тип для стартерів автомобілів.

- Незалежне збудження, при якому використовується окреме джерело живлення. У даному випадку виходять характеристики, відповідні паралельного підключення. Використовується цей варіант досить рідко.

Колекторний електродвигун володіє певними перевагами: їх просто виготовляти, ремонтувати, експлуатувати, а їх ресурс роботи досить великий. Як недоліки зазвичай виділяється наступний: ефективні конструкції подібних пристроїв зазвичай є швидкохідними і нізкомоментнимі, тому більшість приводів вимагає установки редукторів. Це твердження цілком обгрунтоване, так як електрична машина, орієнтована на низьку швидкість, характеризується зниженням ККД, а також пов`язаними з цим проблемами охолодження. Останні такі, що для них складно знайти витончене рішення.

Універсальний колекторний електродвигун

Цей варіант являє собою різновид колекторної машини постійно струму, здатну працювати на постійному і змінному струмі. Пристрій отримав широке поширення в деяких видах побутової техніки і ручному інструменті через малих розмірів, незначної ваги, низької вартості і простоти регуляції оборотів. Досить часто зустрічається в якості тягової машини на залізницях США та Європи. Можна розглянути пристрій електродвигуна.

Особливості конструкції

Для кращого розуміння цього питання слід докладніше розглянути, що лягло в основу представленого пристрою. Тип електродвигуна колекторний універсальний являє собою прилад постійного струму, що має послідовно включені обмотки збудження, оптимізовані для роботи на змінному струмі побутової мережі електричного живлення. Обертання двигуна відбувається в одну сторону незалежно від полярності. Це пов`язано з тим, що послідовне з`єднання обмоток статора і ротора призводить до одночасної зміни їх магнітних полюсів, а завдяки цьому результуючий момент прямує в одну сторону.

З чого він виконаний?

Колекторний електродвигун змінного струму припускає використання в конструкції статора з магнітно-м`якого матеріалу, який характеризується малим гістерезисом. Щоб зменшити втрати на вихрові струми, цей елемент робиться з набраних пластин з ізоляцією. В якості підмножини колекторних машин змінного струму прийнято виділяти агрегати пульсуючого струму, які отримані за допомогою випрямлення струму однофазного ланцюга без застосування згладжування пульсації.

Колекторний електродвигун змінного струму найчастіше характеризується такою особливістю: у режимі малих оборотів індуктивний опір обмоток статора не дозволяє споживати струм більше певних меж, при цьому обмежується і максимальний момент двигуна до 3-5 від номінального. Зближення механічних характеристик досягається за рахунок використання секціонування обмоток статора - для підключення змінного струму використовуються окремі висновки.

Досить складне завдання пов`язана з комутацією потужної колекторної машини змінного струму. У той момент, коли секція проходить нейтраль, магнітне поле, що знаходиться в зчепленні з ротором, змінює свій напрямок на протилежний, а це стає причиною генерації в секції реактивної ЕРС. Це трапляється при роботі від змінного струму. У колекторних машинах змінного струму теж має місце реактивна ЕРС. Тут же зазначається і трансформаторна ЕРС, так як ротор знаходиться в магнітному полі статора, пульсуючому в часі. Плавний пуск колекторного електродвигуна неможливий, оскільки в цей момент амплітуда машини буде максимальною, а в міру наближення до швидкості синхронизма буде пропорційно знижуватиметься. У міру подальшого розгону відзначатиметься нове зростання. Для вирішення проблеми комутації в цьому випадку пропонується кілька послідовних кроків:

- При проектуванні слід віддавати перевагу одновиткової секції, що дозволить зменшити потік зчеплення.

- Активний опір секції потрібно збільшувати, для чого найбільш перспективними елементами є резистори в колекторних пластинах, де спостерігається гарне охолодження.

- Колектор повинен активно подшліфовивают щітками максимальної твердості з найбільшим опором.

- Реактивна ЕРС може бути компенсована за допомогою використання додаткових полюсів з послідовними обмотками, а паралельні обмотки застосовні для компенсації трансформаторної ЕРС. Так як величина останнього параметра являє собою функцію кутової швидкості ротора та струму намагнічування, подібні обмотки вимагають використання систем підпорядкованого регулювання, яких поки ще не існують.

- Частота живлять ланцюгів повинна бути якомога нижче. Найбільш популярними варіантами є 16 і 25 Гц.

- Реверсування УКД проводиться за допомогою перемикання полярності включення обмоток статора або ротора.

Переваги і недоліки

Для порівняння використовуються наступні умови: прилади підключені до побутової електричної мережі з напругою 220 вольт і частотою 50 Гц, потужність двигунів при цьому однакова. Різниця в механічних характеристиках пристроїв може бути недоліком або гідністю в залежності від того, які пред`являються вимоги до приводу.

Отже, колекторний електродвигун змінного струму: достоїнства в порівнянні з агрегатом постійного струму:

- Включення в мережу проводиться безпосередньо, при цьому немає необхідності у використанні додаткових компонентів. У випадку з агрегатом постійного струму потрібно випрямлення.

- Пусковий струм набагато менше, що дуже важливо для пристроїв, що використовуються в побуті.

- При наявності керуючої схеми її пристрій набагато простіше - реостат і тиристор. Якщо електронний компонент вийде з ладу, то колекторний електродвигун, ціна якого залежить від потужності і становить від 1400 рублів і більше, залишиться працездатним, але буде відразу ж включатися на повну потужність.

Є і певні недоліки:

- За рахунок втрат на перемагнічування статора і індуктивність загальний ККД помітно знижується.

- Максимальний момент теж зменшений.

Електродвигуни однофазні колекторні володіють певними перевагами в порівнянні з асинхронними:

- компактность-

- відсутність прив`язки до мережевої частоті і бистроходность-

- значний пусковий момент-

- пропорційне зниження і збільшення оборотів в автоматичному режимі, а також збільшення моменту при зростанні навантаження, при цьому напруга живлення залишається неізменним-

- регулювання обертів може бути плавним в досить широкому діапазоні за допомогою зміни напруги живлення.

Недоліки в порівнянні з асинхронним двигуном

- при зміні навантаження обороти будуть нестабільнимі-

- щітково-колекторний вузол робить пристрій не надто надійним (необхідність застосування максимально жорстких щіток значно знижує ресурс) -

- комутація змінного струму викликає сильне іскріння на колекторі, при цьому утворюються радіопомехі-

- високий рівень шуму при роботі-

- колектор характеризується великим числом деталей, що робить двигун досить масивним.

Сучасний колекторний електродвигун характеризується ресурсом, порівнянними з можливостями механічних передач та робочих органів.

Інші порівняння

При зіставленні колекторних і асинхронних двигунів однакової потужності, незалежно від номінальної частоти останніх, виходить різна характеристика. Далі це буде описано докладніше. Універсальний колекторний електродвигун реалізує «м`яку» характеристику. В даному випадку момент прямо пропорційний навантаженні на валу, при цьому обороти обернено пропорційні їй. Номінальний момент зазвичай менше максимального в 3-5 разів. Обмеження оборотів холостого ходу характеризується виключно втратами в двигуні, при цьому при включенні потужного агрегату без навантаження він може зруйнуватися.

Характеристикою асинхронного двигуна є «вентиляторна», тобто агрегат підтримує частоту обертання, наближену до номінальної, збільшуючи момент максимально різко при незначному зниженні оборотів. Якщо мова йде про значну зміну цього показника, то момент двигуна не тільки не зростає, але й падає до нульової позначки, що призводить до повної зупинки. Обороти холостого ходу трохи перевищують номінальні, при цьому залишаються постійними. Характеристикою однофазного асинхронного двигуна є додатковий набір проблем, пов`язаних із запуском, так як він не розвиває пускового моменту в нормальних умовах. Магнітне поле однофазного статора, пульсуюче в часі, розпадається на два поля з протилежними фазами, через що пуск без всіляких хитрощів стає неможливим:

- ємність, що створює штучну фазу-

- розщеплений паз-

- активний опір, яке формує штучну фазу.

Теоретично поле, що обертається в протифазі, знижує максимальний ККД однофазного асинхронного агрегату до 50-60% через втрати в перенасиченої магнітній системі і обмотках, навантажуються струмами противопол. Виходить, що на одному валу знаходяться дві електричні машини, при цьому одна працює в руховому режимі, а друга - режимі противовключения. Виходить, що електродвигуни однофазні колекторні не знають конкурентів у відповідних мережах. Чим і заслужили таку високу популярність.

Механічні характеристики електродвигуна забезпечує йому певну сферу використання. Малі обороти, обмежені частотою мережі змінного струму, роблять асинхронні агрегати аналогічної потужності великими за вагою та розміром в порівнянні з універсальними колекторними. Однак при включенні в ланцюг живлення інвертора з високою частотою можна домогтися сумірних розмірів і ваги. Залишається жорсткість механічної характеристики електродвигуна, до якої додаються втрати на токопреобразованіе, а також збільшення частоти, підвищуються магнітні та індуктивні втрати.

Аналоги без колекторного вузла

Колекторний електродвигун змінного струму має аналог, який найближче до нього по механічній характеристиці, - вентильний, де щітково-колекторний вузол замінили на інвертор, оснащений датчиком положення ротора. В якості електронного аналога даного агрегату використовується наступна система: випрямляч, синхронний мотор з датчиком кутового положення ротора, комбінований з інвертором. Проте присутність в роторі постійних магнітів призводить до зменшення максимального моменту при збереженні габаритів.

Принцип дії

Пристрій електродвигуна колекторного демонструє, як прилад перетворює електричну енергію в механічну і в зворотному напрямку. Це говорить про його можливості використання в якості генератора. Варто більш детально розглянути колекторний електродвигун, схема якого продемонструє його можливості.

Закони фізики ясно говорять про те, що при пропущенні електричного струму крізь провідник, що знаходиться в магнітному полі, з`являється вплив на нього певної сили. При цьому працює правило правої руки, що надає безпосередній вплив на потужність електродвигуна. Колекторний електродвигун працює саме за таким основному принципу.

Фізика вчить нас тому, що основою створення потрібних речей служать маленькі правила. Це і послужило базою для створення рамки, що обертається в магнітному полі, що і дозволило створити колекторний електродвигун. Схема показує, що в магнітне поле поміщена пара провідників, ток яких спрямований в протилежні сторони, а значить, і сили теж. Їх сума і дає необхідний крутний момент. Пристрій електродвигуна набагато складніше, тому що в нього доданий цілий комплекс необхідних елементів, зокрема, колектор, що забезпечує однакове напрямок струму над полюсами. Нерівномірність ходу була усунена за рахунок розміщення ще декількох котушок на якорі, при цьому постійні магніти були замінені на котушки, що дозволило піти від необхідності використання постійного струму. Це дозволило надати крутному моменту єдиний напрямок.

Ремонт електродвигунів своїми руками

Як і будь-яке інше пристрій, цей агрегат може вийти з ладу з будь-якої причини. Якщо електродвигун, фото якого ви можете побачити в нашому огляді, не може набрати потрібне число обертів, або при його пуску не крутиться вал, потрібно перевірити, чи не згоріли чи його запобіжники, чи немає обривів в електричному ланцюзі якоря, що не перевантажено чи сам пристрій. Дуже часто перевантаження призводить до споживання сили струму ненормального значення. Для усунення цієї несправності потрібно ретельно оглянути механічну передачу і гальмо, а потім усунути причини перевантажень.

Пристрій електродвигуна таке, що при запуску він споживає певну силу струму. Якщо вона більше номінального значення, потрібно перевірити узгодженість підключення паралельної і послідовної обмоток відносно один одного, а також по відношенню до реостата. Коли проводиться ремонт електродвигунів своїми руками, найчастіше допускаються цілком конкретні помилки. Зокрема, шунтовая обмотка може бути послідовно підключена з електричним опором реостата, або з`єднана з одним полюсом електричної мережі.

Перевірка узгодженості підключення робочої обмотки збудження проводиться за допомогою підключення одного з кінців шунтовой обмотки з якірним кінцем, а другий - з електричним провідником, що йде від дуги реостата. Зазвичай поперечний переріз цього електричного провідника трохи менше за інших, тому його можна виявити без мегаомметра. Після включення силового рубильника і зсуву повзунка реостата в середнє положення на вільні кінці подається харчування. За допомогою контрольної лампи проводиться послідовна перевірка всіх провідних кінців. При торканні з одним з них лампа повинна загорятися, а з іншим - ні. Так тестується весь електродвигун. Ціна проведеної роботи буде залежати від виду поломки агрегату.

Якщо при роботі пристрою спостерігається кількість оборотів, яке менше номінального, то в якості основних причин цього зазвичай служать такі: мале мережеве напруга, перевантаження пристрою, великий збудливий струм. Якщо відзначається непрацездатність зворотного характеру, потрібно перевірити електроланцюг збудження, усунути всі виявлені дефекти, після чого можна встановити нормальну величину струму збудження. У деяких випадках може знадобитися перемотування електродвигунів.

Коли причина непрацездатності агрегату полягає в помилковому сполученні паралельної і послідовної обмотки збудження, потрібно відновити правильний порядок з`єднання. При неможливості усунення подібної неполадки простим шляхом може знадобитися перемотування електродвигунів. Потрібно перевірити і величину напруги в електричній мережі, так як при підвищенні її номінального показника обороти приладу можуть збільшуватися.