Схема коллекторного двигателя переменного тока

Конструкция

Главной деталью считается коллектор. На фото показано, что деталь трудно перепутать. Коллектор легко просматривается через любую щель. Это барабан медного цвета, состоящий из множества отделённых друг от друга канавками ламелей. Структура коллектора сложна, каждую катушку нужно включить в двух направлениях для увеличения мощности. Этого не сделал однажды Якоби, и результат получился посредственным.

Обмотка якоря (движущейся части двигателя) состоит из множества катушек, образующих полюса. Конструкция симметрична для минимизации люфта, биений, снижения уровня вибраций. Это повышает срок эксплуатации изделия.

Коллектор, укреплённый на валу, становится распределителем электрической энергии, механическим коммутатором. Сегодня альтернативой этому варианту признаны вентильные двигатели с электронным управлением. За счёт своеобразной конструкции коллектор сильно искрит: при разрыве поверхностей щётки и ламели образуется быстро гаснущая дуга. Это становится причиной шума. По уровню постороннего звука коллекторные двигатели превосходят в разы прочие приспособления.

Щётки постепенно изнашиваются. Они состоят из контакта-шайбы под резьбовое соединение; толстого, характерного вида многожильного медного провода и графитового тела. По этим признакам узнаётся коллекторный двигатель, если задняя его часть закрыта кожухом, как показано на фото. Не нужно искать графитовое тело, достаточно посмотреть, куда идёт кабель. Конструкция держателей различается, но щётка легко снимается и заменяется на новую. Для обеспечения надёжного контакта служит прижимная пружина. Она присутствует во всех конструкциях, графитовое тело в процессе эксплуатации стачивается.

Несложно проиллюстрировать на болгарке (угло-шлифовальной машине). Для доступа имеются специальные крышки, позволяющие заменить щётку, не вскрывая корпуса. Чем обеспечиваются высокие эксплуатационные качества. Часто объем работ по резке и зачистке металлов на болгарку ложится большой, в пылу работы разбирать корпус не станет лучшим решением. Если присутствуют крышки, показанные на фото, достаточно снять их и заменить деталь. Резьбовое соединение здесь отсутствует, щётка прижимается к коллектору непосредственно крышкой.

Шлицевой отвёрткой нужно провернуть заглушку и извлечь старую щётку. Контактная площадка легко выбрасывается наружу, подталкиваемая пружиной. При невозможности достать идентичную щётку, допускается графитовое тело подточить. Форма контакта роли не играет, при необходимости припаивается нужной формы шайба, площадка и пр.

Из сказанного следует, что коллекторный двигатель в высшей степени ремонтопригодный. Отношение свысока к конструкциям постоянного тока неправильная политика. Эффективность переменного тока (крутящий момент, КПД) ниже. Причина – скорость вращения вала не всегда совпадает с частотой сети. Сложно предсказать результат векторного сложения полей всех полюсов.

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.

Трехфазные коллекторные электродвигатели

Эти агрегаты подключаются к трехфазной сети. У них обмотка возбуждения обладает качествами шунтового двигателя. Ротор движка подает питающее напряжение на механизм. Основную рабочую функцию выполняет роторная обмотка, подключенная к сети переменного напряжения с помощью токосъемных контактных колец. Статорная обмотка, расположенная в роторных пазах вместе с основной, всеми фазами соединяется с коллектором движка. Каждой фазе соответствуют определенные щетки, которые раздвигаются и сдвигаются с помощью подвижных траверс.

Для работы механизма в режиме асинхронного двигателя щетки устанавливаются на одни и те же пластины коллектора. Но, в отличие от асинхронного агрегата, в коллекторном двигателе роль первичной обмотки играет роторная обмотка, а роль вторичной обмотки – статорная. ЭДС в механизме создается за счет раздвижения щеток. ЭДС вызывает в статоре ток, который создает и определяет момент вращения механизма.

Для регулировки скорости в коллекторную цепь вводится отсутствующая мощность. Используя трансформаторную связь между обмотками, мощность статора возвращается в электрическую сеть, создавая эффект, позволяющий регулировать количество оборотов вала в экономном режиме. При раздвижении щеток на определенное расстояние частота вращения соответственно увеличивается или уменьшается.

Если щетки, соответствующие своим фазам, смещаются, ЭДС изменяется по фазе. Это дает возможность регулирования cosφ. Его качество повышается, когда значение скорости меньше синхронной, а щетки смещаются в противоположную направлению движения ротора сторону.

Электродвигатели, работающие от трехфазной сети, чаще всего применяются в полиграфии (на ротационных машинах), текстильной и легкой промышленности (на прядильных станках), металлургии (на металлорежущих станках).

Основной недостаток трехфазных агрегатов – плохие коммутационные условия. Это вызывает трудности при получении трансформаторной ЭДС, поскольку повышенная мощность приводит к увеличению магнитного потока. Поэтому в редких случаях для повышения ЭДС и экономичного регулирования количества оборотов вала в цепь вводится асинхронный электродвигатель.

Схема коллекторного двигателя — переменного тока

В данном рисунке представлена универсальная схема коллекторного двигателя рис.2. Схема имеет три вывода проводов от двух обмоток статора, для подключения как к переменному так и к постоянному напряжениям, то-есть, двигатель способен работать как от постоянного так и от переменного тока. рис.2

На схеме даны следующие обозначения:

Два конца провода из трех выводов обмоток статора необходимы так-же для подключения сглаживающего фильтра конденсатора.

Сопротивление обмоток — коллекторного двигателя

Для замера сопротивлений обмоток статора коллекторного двигателя нужно соединить поочередно щупы измерительного прибора с выводами проводов фото 2.

Замеры сопротивлений обмоток статора выполняются с целью определения их целостности либо разрыва перегорания провода в обмотке.

Чтобы измерить сопротивление обмоток ротора коллекторного двигателя, — выполняется замер сопротивления ламелей начала и концы обмоток ротора, соединенные с металлическими пластинами — на коллекторе фото 3, рис. 3.

И чтобы проверить отсутствие либо замыкание обмотки на корпус магнитопровода ротора, нужно соединить один конец щупа прибора с пластиной коллектора и второй щуп соединить с магнитопроводом рис. 4.

При замыкании обмотки ротора на корпус магнитопровода — сопротивление для данного участка приймет нулевое значение.

В данной теме Вы ознакомились с устройством и способами проведения диагностики коллекторного электродвигателя, и это далеко еще не все.

В конструкции современного автомобиля задействован коллекторный двигатель, агрегат, использующий контакты с целью определения положения нахождения ротора.Текущие тенденции на мировом рынке автомобилестроения сводятся к полной замене силовых установок, работающих за счет внутреннего сгорания топлива на электрические моторы. За последние годы, призывы к увеличению планки по количеству вредных выбросов в атмосферу, звучат, чуть ли не ежедневно, а это укрепляет позиции электрических агрегатов.

Принцип работы электрического двигателя, преобразовать электрическую энергию в механическую работу. Если сравнивать агрегаты с двигателями внутреннего сгорания, электрические моторы предпочтительней, преимущество: компактность, простота, долговечность, экологически безвредны и масса других плюсов.

В конструкции современного автомобиля задействован коллекторный двигатель, агрегат, использующий контакты с целью определения положения нахождения ротора.

Электромобиль Tesla model S:

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).

Плюсы и минусы сравниваемых двигателей

Электродвигатели с коллектором применяются в детских игрушках, моделях автомобиля, судомоделировании и т.п. Более мощные устройства с обмоткой возбуждения применяются в автомобилестроении, бытовой технике, в токарном станке или сверлильном и т.д.

Широкое применение обусловлено:

• Невысокой ценой.
• Простотой управления. Для регулировки скорости достаточно иметь реостат, а для осуществления реверса — изменить полярность в цепи возбуждения или якоря.
• Можно подключать непосредственно к питающей сети.
• Скорости вращения ротора можно менять в широком диапазоне.
• Небольшие пусковые токи.

Но при простоте устройства коллекторные двигатели имеют недостатки:

• Невысокий КПД.
• Ограниченный срок службы.
• Необходимость в постоянном обслуживании.
• Невысокая надежность устройства.

При этом такие двигатели применяются не во всех отраслях промышленности. Их нельзя использовать во взрывоопасных помещениях. При эксплуатации на высоких скоростях быстро выходит из строя коллектор и щетки.

В результате происходит снижение мощности, а токоподводящие щетки начинают искрить. Такое конструктивное отличие приводит к быстрому выходу из строя ламелей коллектора, создаются помехи в радиоаппаратуре.

Щетки приходится менять, а коллектор протачивать, что сокращает срок службы двигателя. Это является основным недостатком таких устройств.

В бесколлекторных электродвигателях отсутствует коллектор. В этом состоит отличие бесеколлекторных двигателей от коллекторных, в связи с чем и отсутствуют указанные выше недостатки.

Достоинствами таких электрических машин являются:

• Отсутствие трущихся частей позволяет сократить потери мощности на трение. Не требуется постоянно следить за состоянием щеток, так как они отсутствуют. Это отличие позволяет увеличить межремонтный период.
• Возможность использования корпуса в качестве рабочего органа. Эта конструктивная разница позволяет применять механизмы непосредственно в качестве колес.
• Бесколлекторные электродвигатели, в отличие от коллекторных более долговечны. При этом они менее подвержены перегреву, т.к. отсутствует коллектор и щетки, которые в процессе работы сильно нагреваются.
• Мгновенно набирают обороты.
• Могут применяться во всех отраслях промышленности, в пожаро- и взрывоопасных помещениях. Из-за отсутствия коллектора не возникает искрения, чем они и лучше.

Но у данного типа двигателя имеется существенный недостаток: бесколлекторные модели можно использовать только с драйвером-коммутатором. С помощью этого устройства задаются режимы работы, скорость и направление вращения. При этом стоимость бесколлекторных двигателей значительно выше. Разница в стоимости может быть значительной. Это то, чем отличаются они от устройств с коллектором.

Малый вес и высокая мощность — это то, что лучше сочетается в приборах с дистанционным управлением, например, для квадрокоптера, где от веса и КПД зависит дальность и время полёта.

Блог-помощника машиниста

Все электрические машины подразделяются по значению на два вида: Генераторы, Двигатели. Принципиально, что генераторы, что двигатели устроены одинаково.

Генераторы— при вращение ветка его рабочие стороны пересекают магнитные селевые линии полюсов, поэтому в них индуктируется ЭДС. Если к ветку подсоединить проводники и нагрузку (потребитель лампочка) то в цепи пойдет электрический ток. Этот ток будет направлен также как и ЭДС. Этот ток образует собственное магнитное поле и при этом он образует силы, действующие на проводники по направлению определяемой правилами левой руки. Эти силы создают электромагнитный вращающий момент, и он направлен в сторону противоположную вращению проводников, поэтому он является тормозным моментом. Для того чтобы предотвратить остановку якоря требуется приладить внешний вращающий момент противоположный тормозному моменту и больший по величине.

Условиями работы электрических генераторов является;

1. Совпадение по направлению тока и ЭДС что указывает, что машина отдает электрическую энергию (мощность).
2. Возникновение электромагнитного тормозного момента, из которого вытекает необходимость в получение извне механической энергии.

Двигатель — если подключить проводникам якоря к источнику тока, то по проводнику начинает происходить электрический ток. Этот ток будет создавать собственное магнитное поле, которое взаимодействие с магнитным полем полюсов будут, выталкивается, в результате совместного действия этих сил создается вращающий момент, который приводит якорь с проводниками во вращения. Одновременно при вращение подводников якоря в магнитном поле в каждом проводнике, индуктируется, ЭДС который определяется правилами правой руки. Следовательно, это ЭДС направлено против тока от внешнего источника, то есть она препятствует прохождения тока по проводникам. По этой причине для электродвигателей ее называют противно – ЭДС. Для того чтобы якоря продолжал, вращается и создавал требуемый момент (сила тяги) необходимо прикладывать к электродвигателю внешнее напряжение направленное на встречу против – ЭДС и больший по величине.

Условия работы электродвигателей.

1. Совпадение по направлению электромагнитного момента и частоты вращения якоря это характеризует отдачу машиной в механической энергии.
2. Возникновение в проводниках якоря против – ЭДС направлено против внешнего напряжения и тока и с него вытекает необходимость потребления извне электрической энергии.

Назначение коллектора. При вращение рамки в магнитном поле индуктированная в нем ЭДС непрерывно изменяется по величине и направлению, а соответственно изменяется и ток во внешней цепи по тому же самому закону. Для получения во внешней цепи постоянного по направлению тока концы рамок подсоединяют к полукольцам. А для того чтобы получить постоянный по величине ток применяют большое количество рамок. Такую конструкцию называют, коллектором и его назначение является выпрямление переменной ЭДС получаемой в рамке.

Коллектор позволяет сохранить в постоянном направлением тока и напряжение во вешней электрической цепи действующую между щетками несмотря то, что в витке якоря ЭДС и ток изменяется дважды за один полный оборот рамки. Коллектор предназначен для соединения якорной обмотки с внешней цепью.

Условные обзначения

Главный плюс силы обмотка возбуждения.

Веток -1 конвенционная машина (только в мощных)

Веток-2 обмотка дополнительного полюса (практически во всех машинах)

Веток-3 обмотка последовательного возбуждения (машины последовательного возбуждения)

Веток-4 обмотка независимого сил параллельного возбуждения.

Выпускной коллектор

Итак, второй претендент, он также выполняет немаловажную роль – отвод сгоревших газов. После того как впускные клапана были закрыты, топливо сжимается и поджигается свечой зажигания – происходит мини взрыв, поршни идут вниз – открываются выпускные клапана и отводят сгоревшие газы.

Вот только после клапанов они должный выйти в глушитель, а собирает их, из каждого цилиндра как раз выпускной коллектор (также по одной трубе на цилиндр). Он также подсоединен своей широкой частью к головке блока, только (если утрировать) с другой стороны, далее по трубам газы собираются в одну большую, как правило, сначала стоит катализатор, который дожигает газы, затем после него уже идет глушитель (может стоять и отвод для турбины). После этого газы уходят дальше после в окружающую среду. Стоит упомянуть – этот тракт гасит не только отработанные газы, но и звук выхлопа! Точнее не он сам, а глушитель которую он передает «отработку».

Как вы понимаете выпускной коллектор, работает с высокими температурами, ведь зачастую выхлоп может разогреваться до 950 градусов Цельсия. Поэтому обязательно нужно применять металлы, да не простые, а тугоплавкие способные выдерживать высокие показатели «тепла».

В этот отводящий коллектор, зачастую вкручивают датчик, это «лямба-зонт» или кислородный датчик, он «следит» за содержанием кислорода и других газов в выхлопе.

Благодаря этому датчику корректируется подача топливной смеси через наш «подающий» коллектор, то есть получается взаимосвязь.

Выпускной тракт, обычно в автомобилях очень прочный, служит почти весь срок эксплуатации автомобиля.

Двигатель постоянного тока: коллекторный или бесколлекторный?

Идеальных решений в инженерии не существует, однако подобрать оптимальный вариант, который будет наилучшим образом соответствовать поставленным целям и задачам, можно всегда. Перед разработчиками любого оборудования, от простейшего до самого сложного, всегда стоит множество задач, которые требуют решения, и многие из них представляются в формате «или/или». Так, при использовании в механизмах электродвигателей постоянного тока часто возникает вопрос: отдать предпочтение коллекторному (щёточному) или бесколлекторному (бесщёточному) агрегату?

Коллекторные двигатели постоянного тока

Применение щёточных электродвигателей постоянного тока актуально в устройствах, работающих на умеренных и низких скоростях. Их основными преимуществами являются экономичность, простота использования и отсутствие встроенной электроники, благодаря которому двигатели такого типа легко справляются с кратковременными перегрузками.

Для обеспечения длительного срока службы коллекторному электродвигателю требуются грамотная эксплуатация и квалифицированное обслуживание: так, важно учитывать, что при работе такого двигателя на чрезмерно высоких скоростях щётки могут лететь с коллектора, а прохождение через механизм тока определённой плотности может стать причиной выгорания щёток. При эксплуатации коллекторного двигателя постоянного тока может потребоваться использование дисульфида молибдена или карбоната лития

Наличие щёток и коллектора сказывается на габаритах устройств: они значительно больше и тяжелее бесщёточных механизмов. Необходимость регулярного обслуживания ограничивает возможности свободной установки электродвигателя, делая необходимостью его размещение в доступном месте. Внутреннее расположение ротора усложняет теплообмен, а падение напряжения на щётках неминуемо ведёт к снижению эксплуатационных свойств электродвигателя.

Трение щёток о коллекторные контакты, неминуемо возникающее при работе щёточного электродвигателя, приводит к таким негативным последствиям, как снижение эффективности, высокий уровень шума, возникновение электромагнитных помех и возникновение искр: именно по этой причине коллекторные двигатели постоянного тока никогда не используются для работы во взрывоопасной среде.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока

Отсутствие в бесколлекторных электродвигателях (BLDC) коллектора и щёток делает их более лёгкими и компактными, сокращает необходимое обслуживание до минимума и даёт ротору возможность вращения на более высокой скорости. Таким образом, отсутствие «проблемных» деталей лишило бесщёточные электродвигатели недостатков, свойственных щёточным агрегатам. Тем не менее, бесколлекторные двигатели имеют свои недочёты, главные из которых – конструктивная сложность и наличие встроенной электроники, делающее такие механизмы более дорогими, чем коллекторные.

Таким образом, выбирая между коллекторным и бесколлекторным двигателем постоянного тока, опираться нужно на такие факторы, как:

— финансовые возможности;— требования к характеристикам устройства;— наличие возможности обеспечения квалифицированного обслуживания;— сфера применения (учитываются шумность, возможность возникновения искр).

Широкий выбор щёточных и бесщёточных электродвигателей постоянного тока представлен в каталоге торгового дома Степмотор.

Источник