Коллекторный электродвигатель представляет собой синхронную электрическую машину, в которой переключатель тока в обмотке и датчик положения ротора выполнены в виде одного и того же устройства – щеточно-коллекторного узла. Это устройство бывает разных видов.
Разновидности
Коллекторный электродвигатель постоянного тока обычно включает в свой состав такие элементы, как:
- трехполюсной ротор на подшипниках скольжения;
- двухполюсной статор на постоянных магнитах;
- медные пластины в качестве щеток коллекторного узла.
Этот набор характерен для самых маломощных решений, используемых обычно в детских игрушках, где не требуется большая мощность. В состав более мощных двигателей включается еще несколько конструктивных элементов:
- четыре графитовые щетки в виде коллекторного узла;
- ротор с несколькими полюсами на подшипниках качения;
- статор из постоянных магнитов с четырьмя полюсами.
Чаще всего устройство электродвигателя такого типа используется в современных автомобилях для реализации привода вентилятора системы охлаждения и вентиляции, насосов омывателей, дворников и прочих элементов. Существую и более сложные агрегаты.
Мощность электродвигателя в несколько сотен ватт предполагает использование в составе четырехполюсного статора, выполненного из электромагнитов. Для подключения его обмоток может использоваться один из нескольких способов:
- Последовательно с ротором. В данном случае получается большой максимальный момент, однако из-за больших оборотов холостого хода велик риск повреждения двигателя.
- Параллельно с ротором. В данном случае обороты остаются стабильными в условиях изменяющейся нагрузки, однако максимальный момент заметно меньше.
- Смешанное возбуждение, когда часть обмотки подключается последовательно, а часть параллельно. В данном случае совмещены достоинства предыдущих вариантов. Используется этот тип для стартеров автомобилей.
- Независимое возбуждение, при котором используется отдельный источник питания. В данном случае получаются характеристики, соответствующие параллельному подключению. Используется этот вариант довольно редко.
Коллекторный электродвигатель обладает определенными достоинствами: их просто изготавливать, ремонтировать, эксплуатировать, а их ресурс работы достаточно велик. В качестве недостатков обычно выделяется следующий: эффективные конструкции подобных устройств обычно являются быстроходными и низкомоментными, поэтому большинство приводов требует установки редукторов. Это утверждение вполне обосновано, так как электрическая машина, ориентированная на низкую скорость, характеризуется заниженным КПД, а также связанными с этим проблемами охлаждения. Последние таковы, что для них сложно найти изящное решение.
Универсальный коллекторный электродвигатель
Этот вариант представляет собой разновидность коллекторной машины постоянно тока, способную работать на постоянном и переменном токе. Устройство получило широкое распространение в некоторых видах бытовой техники и ручном инструменте из-за малых размеров, незначительного веса, низкой стоимости и простоты регуляции оборотов. Довольно часто встречается в качестве тяговой машины на железных дорогах США и Европы. Можно рассмотреть устройство электродвигателя.
Особенности конструкции
Для лучшего понимания данного вопроса следует подробнее рассмотреть, что легло в основу представленного устройства. Тип электродвигателя коллекторный универсальный представляет собой прибор постоянного тока, имеющий последовательно включенные обмотки возбуждения, оптимизированные для работы на переменном токе бытовой сети электрического питания. Вращение двигателя происходит в одну сторону вне зависимости от полярности. Это связано с тем, что последовательное соединение обмоток статора и ротора приводит к одновременной смене их магнитных полюсов, а благодаря этому результирующий момент направляется в одну сторону.
Из чего он выполнен?
Коллекторный электродвигатель переменного тока предполагает использование в конструкции статора из магнитно-мягкого материала, который характеризуется малым гистерезисом. Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, этот элемент делается из наборных пластин с изоляцией. В качестве подмножества коллекторных машин переменного тока принято выделять агрегаты пульсирующего тока, которые получены посредством выпрямления тока однофазной цепи без применения сглаживания пульсации.
Коллекторный электродвигатель переменного тока чаще всего характеризуется такой особенностью: в режиме малых оборотов индуктивное сопротивление обмоток статора не позволяет потреблять ток больше определенных пределов, при этом ограничивается и максимальный момент двигателя до 3-5 от номинального. Сближение механических характеристик достигается за счет использования секционирования обмоток статора – для подключения переменного тока используются отдельные выводы.
Довольно сложная задача сопряжена с коммутацией мощной коллекторной машины переменного тока. В тот момент, когда секция проходит нейтраль, магнитное поле, находящееся в сцеплении с ротором, меняет свое направление на противоположное, а это становится причиной генерации в секции реактивной ЭДС. Это случается при работе от переменного тока. В коллекторных машинах переменного тока тоже имеет место реактивная ЭДС. Тут же отмечается и трансформаторная ЭДС, так как ротор находится в магнитном поле статора, пульсирующем во времени. Плавный пуск коллекторного электродвигателя невозможен, так как в этот момент амплитуда машины будет максимальной, а по мере приближения к скорости синхронизма будет пропорционально снижаться. По мере дальнейшего разгона будет отмечаться новое возрастание. Для решения проблемы коммутации в этом случае предлагается несколько последовательных шагов:
- При проектировании следует отдавать предпочтение одновитковой секции, что позволит уменьшить поток сцепления.
- Активное сопротивление секции требуется увеличивать, для чего наиболее перспективными элементами являются резисторы в коллекторных пластинах, где наблюдается хорошее охлаждение.
- Коллектор должен активно подшлифовываться щетками максимальной твердости с наибольшим сопротивлением.
- Реактивная ЭДС может быть компенсирована посредством использования добавочных полюсов с последовательными обмотками, а параллельные обмотки применимы для компенсации трансформаторной ЭДС. Так как величина последнего параметра представляет собой функцию угловой скорости ротора и тока намагничивания, подобные обмотки требуют использования систем подчиненного регулирования, которых пока еще не существуют.
- Частота питающих цепей должна быть как можно ниже. Наиболее популярными вариантами являются 16 и 25 Гц.
- Реверсирование УКД производится при помощи переключение полярности включения обмоток статора или ротора.
Достоинства и недостатки
Для сравнения используются следующие условия: приборы подключены к бытовой электрической сети с напряжением 220 вольт и частотой 50 Гц, мощность двигателей при этом одинакова. Разность в механических характеристиках устройств может быть недостатком или достоинством в зависимости от того, какие предъявляются требования к приводу.
Итак, коллекторный электродвигатель переменного тока: достоинства в сравнении с агрегатом постоянного тока:
- Включение в сеть производится напрямую, при этом нет необходимости в использовании дополнительных компонентов. В случае с агрегатом постоянного тока требуется выпрямление.
- Пусковой ток гораздо меньше, что весьма важно для устройств, используемых в быту.
- При наличии управляющей схемы ее устройство гораздо проще – реостат и тиристор. Если электронный компонент выйдет их строя, то коллекторный электродвигатель, цена которого зависит от мощности и составляет от 1400 рублей и более, останется работоспособным, но будет сразу же включаться на полную мощность.
Имеются и определенные недостатки:
- За счет потерь на перемагничивание статора и индуктивность общий КПД заметно снижается.
- Максимальный момент тоже уменьшен.
Электродвигатели однофазные коллекторные обладают определенными достоинствами в сравнении с асинхронными:
- компактность;
- отсутствие привязки к сетевой частоте и быстроходность;
- значительный пусковой момент;
- пропорциональное снижение и увеличение оборотов в автоматическом режиме, а также увеличение момента при возрастании нагрузки, при этом напряжение питания остается неизменным;
- регулирование оборотов может быть плавным в довольно широком диапазоне посредством изменения питающего напряжения.
Недостатки в сравнении с асинхронным двигателем
- при изменении нагрузки обороты будут нестабильными;
- щеточно-коллекторный узел делает устройство не слишком надежным (необходимость применения максимально жестких щеток значительно снижает ресурс);
- коммутация переменного тока вызывает сильное искрение на коллекторе, при этом образуются радиопомехи;
- высокий уровень шума при работе;
- коллектор характеризуется большим числом деталей, что делает двигатель довольно массивным.
Современный коллекторный электродвигатель характеризуется ресурсом, сопоставимым с возможностями механических передач и рабочих органов.
Другие сравнения
При сопоставлении коллекторных и асинхронных двигателей одинаковой мощности, вне зависимости от номинальной частоты последних, получается разная характеристика. Далее это будет описано подробнее. Универсальный коллекторный электродвигатель реализует «мягкую» характеристику. В данном случае момент прямо пропорционален нагрузке на валу, при этом обороты обратно пропорциональны ей. Номинальный момент обычно меньше максимального в 3-5 раз. Ограничение оборотов холостого хода характеризуется исключительно потерями в двигателе, при этом при включении мощного агрегата без нагрузки он может разрушиться.
Характеристикой асинхронного двигателя является «вентиляторная», то есть агрегат поддерживает частоту вращения, приближенную к номинальной, увеличивая момент максимально резко при незначительном снижении оборотов. Если речь идет о значительном изменении этого показателя, то момент двигателя не только не растет, но и падает до нулевой отметки, что приводит к полной остановке. Обороты холостого хода немного превышают номинальные, при этом остаются постоянными. Характеристикой однофазного асинхронного двигателя является дополнительный набор проблем, сопряженных с запуском, так как он не развивает пускового момента в нормальных условиях. Магнитное поле однофазного статора, пульсирующее во времени, распадается на два поля с противоположными фазами, из-за чего пуск без всевозможных ухищрений становится невозможным:
- емкость, создающая искусственную фазу;
- расщепленный паз;
- активное сопротивление, формирующее искусственную фазу.
Теоретически поле, вращающееся в противофазе, снижает максимальный КПД однофазного асинхронного агрегата до 50-60% из-за потерь в перенасыщенной магнитной системе и обмотках, нагружаемых токами противополя. Получается, что на одном валу находятся две электрические машины, при этом одна работает в двигательном режиме, а вторая – режиме противовключения. Получается, что электродвигатели однофазные коллекторные не знают конкурентов в соответствующих сетях. Чем и заслужили столь высокую популярность.
Механические характеристики электродвигателя обеспечивает ему определенную сферу использования. Малые обороты, ограниченные частотой сети переменного тока, делают асинхронные агрегаты аналогичной мощности большими по весу и размеру в сравнении с универсальными коллекторными. Однако при включении в цепь питания инвертора с высокой частотой можно добиться соизмеримых размеров и веса. Остается жесткость механической характеристики электродвигателя, к которой добавляются потери на токопреобразование, а также увеличение частоты, повышаются магнитные и индуктивные потери.
Аналоги без коллекторного узла
Коллекторный электродвигатель переменного тока имеет аналог, который ближе всего к нему по механической характеристике, - вентильный, где щеточно-коллекторный узел заменили на инвертор, оснащенный датчиком положения ротора. В качестве электронного аналога данного агрегата используется следующая система: выпрямитель, синхронный мотор с датчиком углового положения ротора, комбинированный с инвертором. Однако присутствие в роторе постоянных магнитов приводит к уменьшению максимального момента при сохранении габаритов.
Принцип действия
Устройство электродвигателя коллекторного демонстрирует, как прибор преобразует электрическую энергию в механическую и в обратном направлении. Это говорит о его возможности использования в качестве генератора. Стоит более подробно рассмотреть коллекторный электродвигатель, схема которого продемонстрирует его возможности.
Законы физики ясно говорят о том, что при пропускании электрического тока сквозь проводник, находящийся в магнитном поле, появляется воздействие на него определенной силы. При этом работает правило правой руки, оказывающее непосредственное влияние на мощность электродвигателя. Коллекторный электродвигатель работает именно по такому основному принципу.
Физика учит нас тому, что основой создания нужных вещей служат маленькие правила. Это и послужило базой для создания рамки, вращающейся в магнитном поле, что и позволило создать коллекторный электродвигатель. Схема показывает, что в магнитное поле помещена пара проводников, ток которых направлен в противоположные стороны, а значит, и силы тоже. Их сумма и дает необходимый крутящий момент. Устройство электродвигателя намного сложнее, так как в него добавлен целый комплекс необходимых элементов, в частности, коллектор, обеспечивающий одинаковое направление тока над полюсами. Неравномерность хода была устранена за счет размещения еще нескольких катушек на якоре, при этом постоянные магниты были заменены на катушки, что позволило уйти от необходимости использования постоянного тока. Это позволило придать крутящему моменту единое направление.
Ремонт электродвигателей своими руками
Как и любое иное устройство, этот агрегат может выйти из строя по любой причине. Если электродвигатель, фото которого вы можете увидеть в нашем обзоре, не может набрать нужное число оборотов, либо при его пуске не крутится вал, требуется проверить, не сгорели ли его предохранители, нет ли обрывов в электрической цепи якоря, не перегружено ли само устройство. Очень часто перегрузка приводит к потреблению силы тока ненормального значения. Для устранения этой неисправности требуется тщательно осмотреть механическую передачу и тормоз, а потом устранить причины перегрузок.
Устройство электродвигателя таково, что при запуске он потребляет определенную силу тока. Если она больше номинального значения, требуется проверить согласованность подключения параллельной и последовательной обмоток относительно друг друга, а также по отношению к реостату. Когда проводится ремонт электродвигателей своими руками, чаще всего допускаются вполне конкретные ошибки. В частности, шунтовая обмотка может быть последовательно подключена с электрическим сопротивлением реостата, либо соединена с одним полюсом электрической сети.
Проверка согласованности подключения рабочей обмотки возбуждения производится посредством подключения одного из концов шунтовой обмотки с якорным концом, а второго - с электрическим проводником, идущим от дуги реостата. Обычно поперечное сечение этого электрического проводника немного меньше остальных, поэтому его можно обнаружить без мегаомметра. После включения силового рубильника и сдвига ползунка реостата в среднее положение на свободные концы подается питание. Посредством контрольной лампы производится последовательная проверка всех проводящих концов. При касании с одним из них лампа должна загораться, а с другим – нет. Так тестируется весь электродвигатель. Цена проводимой работы будет зависеть от вида поломки агрегата.
Если при работе устройства наблюдается количество оборотов, которое меньше номинального, то в качестве основных причин этого обычно служат такие: малое сетевое напряжение, перегрузка устройства, большой возбуждающий ток. Если отмечается неработоспособность обратного характера, требуется проверить электроцепь возбуждения, устранить все выявленные дефекты, после чего можно установить нормальную величину тока возбуждения. В некоторых случаях может потребоваться перемотка электродвигателей.
Когда причина неработоспособности агрегата заключается в ошибочном сопряжении параллельной и последовательной обмотки возбуждения, требуется восстановить правильный порядок соединения. При невозможности устранения подобной неполадки простым путем может потребоваться перемотка электродвигателей. Требуется проверить и величину напряжения в электрической сети, так как при повышении ее номинального показателя обороты прибора могут увеличиваться.
