Коллекторный двигатель: виды, принцип работы, схемы
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.
Что такое коллекторный двигатель?
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.
Такие машины отличаются высоким пусковым моментом, плавным управлением частоты вращения и относительно простой конструкцией.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.
Схема универсального коллекторного двигателяУниверсальный 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.
Конструкция коллекторного двигателя на постоянных магнитах и его схемаЭтот 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.
КД на постоянных магнитах с игрушки времен СССРК 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 возбужденияОсобенность такого подключения заключается в том, что питание U и UK 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;
- высокий момент силы на низкой частоте вращения;
- простое и динамичное управление.
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.
Схема КД с последовательным возбуждениемПоскольку 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.
Схема КД со смешанными катушками возбужденияКак 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.
Коллекторный двигатель: устройство, управление, регулирование
Мы часто встречаемся с электродвигателями. Они обеспечивают работу бытовой и строительной техники, являются составной частью производственного оборудования. Немалая часть устройств имеет в составе коллекторный двигатель.
Это один из простых и недорогих движков, который имеет хорошие характеристики. Именно этим, да ещё невысокой ценой, обусловлена его популярность.
Содержание статьи
- 1 Что такое коллекторный двигатель и его особенности
- 2 Общее устройство коллекторных двигателей
- 3 Ротор коллекторного двигателя
- 3.1 Роторная обмотка
- 3.2 Как устроен коллекторный узел и как он работает
- 4 Принцип работы
- 5 Достоинства и недостатки
- 6 Коллекторный двигатель постоянного тока с магнитами
- 7 С обмотками возбуждения
- 8 Универсальные коллекторные двигатели
- 8.1 Достоинства и недостатки
Что такое коллекторный двигатель и его особенности
Коллектором называют часть двигателя, контактирующую со щётками. Этот узел обеспечивает передачу электроэнергии в рабочую часть агрегата. Коллекторным называется двигатель, у которого хотя бы одна обмотка ротора соединена со щётками и коллектором. Коллекторные электродвигатели бывают:
- постоянного тока;
- переменного тока;
- универсальные.
Коллекторный двигатель может быть постоянного и переменного тока. Есть универсальные модели, которые могут работать от источника напряжения любого типа
Последние универсальные, работают как от постоянного, так и от переменного тока. Они сохраняют популярность, даже несмотря на то, что наличие щёток отрицательный момент, так как щётки стираются и искрят. За этим узлом требуется постоянное наблюдение, техническое обслуживание. К плюсам коллекторных двигателей относят возможность плавной регулировки скорости в широких пределах, невысокую стоимость.
Как и другие электромоторы, коллекторный состоит из статора и ротора (часто называют «якорь»). Его отличительной чертой является наличие на валу коллекторного узла, через который на машину передаётся электропитание. Устройство коллекторных моторов постоянного и переменного тока похожи, но имеют определённые отличия, потому рассмотрим подробнее их по отдельности.
Общее устройство коллекторных двигателей
Как и любой электродвигатель, коллекторный преобразует электрическую энергию в механическую.
Он состоит из неподвижной части – статора и подвижной – ротора. В статоре располагаются обмотки возбуждения, ротор отвечает за передачу возникающей механической энергии. Одна из составляющих частей ротора – вал. С одной стороны, на валу размещён коллекторный узел, с помощью которого на обмотки ротора передаётся электрическая энергия.
Коллекторный двигатель: устройство
Статор состоит из корпуса, который защищает компоненты мотора от повреждений. Сверху и снизу корпуса крепятся магнитные полюса. Они необходимы для поддержания магнитного потока между статором и ротором.
Ротор коллекторного двигателя
Ротор коллекторного двигателя состоит из вала, на который насаживается сборный магнитопровод. С одной стороны, на вал крепится коллекторный узел, с другой, лопасти вентилятора. Для обеспечения лёгкого вращения и для фиксации в корпусе на вал с двух сторон надеваются подшипники.
Для нормальной работы электродвигателя, необходимо чтобы ротор был отлично сбалансирован. Потому к изготовлению этой части подходят особенно скрупулёзно.
Подвижная (вращающаяся) часть
Роторная обмотка
Сердечник ротора собирается из металлических пластин, отштампованных из магнитного металла. Толщина пластин 0,35-0,5 мм, каждая из них залита слоем диэлектрического лака, для избавления от паразитных токов. Пластины по внешнему краю имеют пазы, в которые затем укладываются витки медной проволоки. Эти пластины насаживаются на вал и закрепляются на нём, собирается пакет требуемого размера. Эта система является магнитопроводом.
Так выглядит ротор коллекторного двигателя
В пазы магнитопровода укладывается витки медного обмоточного провода. Выходы обмоток выводятся на коллекторный узел, где и происходит их переключение.
Как устроен коллекторный узел и как он работает
Коллекторный узел стоит рассмотреть подробнее. Иначе понять, как вращается ротор, сложно.
Коллектор имеет цилиндрическую форму и набран из медных пластин (иногда называют ламелями), которые изолированы друг от друга слюдяными или текстолитовыми прокладками. Нет электрического контакта и с осью вала, к которому он крепится.
Коллектор имеет вид цилиндра, который набран из медных пластин. Пластины сделаны в виде секторов, разделены диэлектрическими прокладками
Получается, коллектор собран из медных секторов и без обмотки электрически друг с другом не связанных. К каждой пластине коллектора крепится вывод одной рамки обмотки ротора. К плоскости двух противоположных рамок коллектора прижимается две щетки. Они плотно прилегают к поверхности медной пластины коллектора, что даёт хороший контакт. На эти щётки подаётся потенциал, который и передаётся в тот виток обмотки ротора, который подключён к этим пластинам.
К парным пластинам коллектора прижимаются графитовые щетки
Так как ротор с некоторой скоростью вращается, одна пара пластин сменяется другой. Таким образом, напряжение передаётся на все обмотки ротора.
При этом возникающие друг за другом поля поддерживают вращение ротора, «проталкивая» его в нужном направлении.
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).
Достоинства и недостатки
Как водится, начнём с перечисления плюсов. Достоинства коллекторных электромоторов такие:
- Простое устройство.
- Высокая скорость до 10 000 об/мин.
- Хороший крутящий момент даже на малых оборотах.
- Невысокая стоимость.
- Возможность регулировать скорость в широких пределах.
- Невысокие пусковые токи и нагрузки.
Схема коллекторного двигателя
Неплохие качества, но есть и недостатки, причём они не менее серьёзные. Минусы коллекторных электродвигателей такие:
- Высокий уровень шумов при работе. Особенно на высоких скоростях. Щетки трутся о коллектор, дополнительно создавая шумы.
- Искрение щёток, их износ.
- Необходимость частого обслуживания коллекторного узла.
- Нестабильность показателей при изменении нагрузки.
- Высокая частота отказов из-за наличия коллектора и щёток, малый срок службы этого узла.
В целом, коллекторный двигатель неплохой выбор, иначе его не ставили бы на бытовой технике. Справедливости ради стоит сказать, что при нормальном качестве исполнения, работают такие двигатели годами. Могут и 10-15 лет проработать без проблем.
Коллекторный двигатель постоянного тока с магнитами
В коллекторных двигателях постоянного тока постоянное магнитное поле обеспечивают:
- постоянные магниты;
- обмотки возбуждения.
Магниты и обмотки располагаются на корпусе статора, и чаще всего, вверху и внизу. Если говорить о маломощных моторах, то более популярны коллекторные двигатели с постоянными магнитами. Они проще в производстве, дешевле, быстро реагируют на изменение напряжения, что позволяет плавно регулировать скорость. Недостаток моторов с постоянными магнитами является их невысокая мощность, а еще то, что со временем или при перегреве магниты теряют свои свойства и это приводит к ухудшению характеристик двигателя.
Устройство коллекторного двигателя постоянного тока
Такие моторы имеют небольшую мощность, от единиц до сотен Ватт. Они используются в технике, для которой важна плавная регулировка скоростей. Это обычно детские игрушки, некоторые виды бытовой техники (в основном вентиляторы). Недостатком коллекторного мотора с магнитами является постепенная потеря мощности, магниты со временем становятся слабее, и без того небольшая мощность падает. Но в последнее время появились новые магнитные сплавы с большой магнитной силой, позволяющие создавать двигатели с большой мощностью.
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.
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.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.
Универсальные коллекторные двигатели
Несмотря на то, что коллекторный узел можно назвать самым слабым местом электродвигателя, подобные модели нашли широкое применение.
Все благодаря невысокой цене и легкости управления скоростью. Коллекторные двигатели переменного тока стоят практически в любой бытовой технике, как крупной, так и мелкой. Миксеры, блендеры, кофемолки, строительные фены, даже стиральные машины (привод барабана).
Универсальный коллекторный двигатель работает от постоянного и переменного напряжения
По строению универсальные коллекторные двигатели не отличаются от моделей постоянного тока с обмотками возбуждения. Разница, безусловно есть, но она не в устройстве, а в деталях:
- Схема возбуждения всегда последовательная.
- Магнитные системы ротора и статора для компенсации магнитных потерь делают шихтованного типа (единая система без сплошных разрезов).
- Обмотка возбуждения состоит из нескольких секций. Это необходимо, чтобы режимы работы на постоянном и переменном напряжении были схожи.
Работа коллекторных электродвигателей универсального типа основана на том, что если одновременно (или почти одновременно) поменять полярность питания на обмотках статора и ротора, направление результирующего момента останется тем же.
При последовательной схеме возбуждения полярность меняется с очень небольшой задержкой. Так что направление вращения ротора остается тем же.
Достоинства и недостатки
Хотя универсальные коллекторные двигатели активно используются, они имеют серьёзные недостатки:
- Более низкий КПД при работе на переменном токе (если сравнивать с работой на постоянном такого же напряжения).
- Сильное искрение коллекторного узла на переменном токе.
- Создают радиопомехи.
- Повышенный уровень шума при работе.
Во многих моделях строительной техники
Но все эти недостатки нивелируются тем, что при частоте питающего напряжения в 50 Гц они могут вращаться со скоростью 9000-10000 об/мин. По сравнению с синхронными и асинхронными двигателями это очень много, максимальная их скорость — 3000 об/мин. Именно это обусловило использование этого типа моторов в бытовой технике. Но постепенно они заменяются современными бесщеточными двигателями. С развитием полупроводников их производство и управление становится всё более дешёвым и простым.
Что такое коммутатор? — Советы по управлению движением
Вы здесь: Главная / Двигатели / Двигатели постоянного тока / Что такое коммутатор?
Даниэль Коллинз Оставить комментарий
Принцип работы двигателя постоянного тока основан на взаимодействии между магнитным полем вращающегося якоря и магнитным полем неподвижного статора. Поскольку северный полюс якоря притягивается к южному полюсу статора (и наоборот), на якорь действует сила, заставляющая его вращаться. Коммутация — это процесс переключения поля в обмотках якоря для создания постоянного крутящего момента в одном направлении, а коммутатор — это устройство, соединенное с якорем, которое обеспечивает такое переключение тока.
Плечо рычага для крутящего момента, создаваемого на якоре, зависит от угла катушки (cos α). Следовательно, когда катушка перпендикулярна (вертикальна) магнитному полю статора, крутящий момент не создается. Вот почему двигатели постоянного тока имеют несколько катушек; поэтому якорный механизм будет продолжать испытывать силу, даже если одна катушка перпендикулярна магнитному полю.
Изображение предоставлено: Государственный университет Джорджии
Основная цель коммутации — обеспечить, чтобы крутящий момент, действующий на якорь, всегда был в одном направлении. Напряжение, создаваемое в якоре, носит переменный характер, а коммутатор преобразует его в постоянный ток. Проще говоря, коммутатор включает и выключает катушки, чтобы контролировать, в каком направлении указывают электромагнитные поля. С одной стороны катушки электричество всегда должно течь «от себя», а с другой стороны электричество всегда должно течь «навстречу». Это гарантирует, что крутящий момент всегда создается в одном и том же направлении. В противном случае катушка повернется на 180 градусов в одну сторону, а затем изменит направление.
Отличное визуальное представление того, как ток переключается из-за положения катушек и щеток, см. в этой статье Университета Юты.
Сам коммутатор представляет собой разъемное кольцо, обычно изготовленное из меди, причем каждый сегмент кольца прикреплен к каждому концу катушки якоря.
Если якорь имеет несколько катушек, коммутатор также будет иметь несколько сегментов — по одному на каждый конец каждой катушки. Подпружиненные щетки расположены с каждой стороны коммутатора и соприкасаются с коммутатором при его вращении, снабжая сегменты коммутатора и соответствующие катушки якоря напряжением.
Когда щетки проходят через зазоры в коммутаторе, подаваемый электрический заряд переключает сегменты коммутатора, что меняет электрическую полярность катушек якоря. Это переключение полярности в катушках поддерживает вращение якоря в одном направлении. Напряжение между щетками колеблется по амплитуде между нулем и максимальным значением, но всегда сохраняет одну и ту же полярность.
Как упоминалось ранее, коммутатор состоит из сегментов, которые изолированы друг от друга. Когда щетки переходят от одного сегмента к другому, наступает момент, когда щетки соприкасаются с обоими сегментами одновременно. Это называется нейтральной плоскостью, и в этой точке индуцированное напряжение равно нулю.
В противном случае щетки замкнули бы концы катушки вместе и вызвали искрение из-за высокого напряжения.
Термин «щетки» был придуман на заре двигателей постоянного тока, когда они были сделаны из жил медной проволоки. Эти устройства требовали частой замены и повреждали коллекторные кольца. В современных двигателях постоянного тока обычно используются угольные щетки, которые медленнее изнашиваются и меньше повреждают коллектор.
Важно отметить, что приведенное выше обсуждение относится к традиционным коллекторным двигателям постоянного тока, которые коммутируются механически. Бесщеточные двигатели постоянного тока также требуют коммутации, но для бесщеточных конструкций коммутация осуществляется электронным способом с помощью энкодера или датчиков Холла, которые отслеживают положение ротора, чтобы определить, когда и как подавать питание на катушки.
Автор изображения: Groschopp, Inc. Первой работой Чарльза Протеуса Стейнмеца после прибытия в Америку было исследование проблем, возникающих при разработке версии щеточного коллекторного двигателя переменного тока. Ситуация была настолько плохой, что двигатели не могли быть спроектированы до фактического строительства. Успех или неудача конструкции двигателя не были известны до тех пор, пока он не был построен с большими затратами и не испытан. Он сформулировал законы магнитного гистерезис в поиске решения. Гистерезис – это отставание напряженности магнитного поля от силы намагничивания. Это приводит к потерям, которых нет в магнитах постоянного тока. Сплавы с низким гистерезисом и разделение сплава на тонкие пластины с изоляцией позволили точно спроектировать коллекторные двигатели переменного тока перед их изготовлением. , как и сопоставимые двигатели постоянного тока, имеют более высокий пусковой момент и более высокую скорость, чем асинхронные двигатели переменного тока. Если серийный двигатель постоянного тока, оснащенный ламинированным полем, подключен к сети переменного тока, запаздывающее реактивное сопротивление катушки возбуждения значительно снизит ток возбуждения. Пока такой мотор будет вращаться, работа будет маргинальной. При пуске обмотки якоря, соединенные с закороченными щетками сегментами коммутатора, выглядят как закороченные витки трансформатора на поле. Серийный двигатель переменного тока без компенсации. Возникновение дуги и искрение уменьшается за счет последовательного включения компенсирующей обмотки статора с якорем, расположенным таким образом, что его магнитодвижущая сила (mmf) уравновешивает силу переменного тока якоря mmf. (Рисунок ниже) Меньший воздушный зазор двигателя и меньшее количество витков возбуждения уменьшают запаздывающее реактивное сопротивление последовательно с якорем, улучшающим коэффициент мощности. Двигатель переменного тока с компенсацией. Можно разработать небольшие (менее 300 Вт) универсальные двигатели , работающие от постоянного или переменного тока. Очень маленькие универсальные двигатели могут быть некомпенсированными. В более крупных универсальных двигателях с более высокими скоростями используется компенсирующая обмотка. Двигатель будет работать медленнее на переменном токе, чем на постоянном, из-за реактивного сопротивления переменного тока. Однако пики синусоидальных волн насыщают магнитный путь, уменьшая общий поток ниже значения постоянного тока, увеличивая скорость «последовательного» двигателя. Таким образом, эффекты смещения приводят к почти постоянной скорости от постоянного тока до 60 Гц. Отталкивающий двигатель (рисунок ниже) состоит из поля, непосредственно подключенного к сети переменного тока, и пары короткозамкнутых щеток, смещенных на 15 o до 25 o от оси поля. Поле индуцирует ток в короткозамкнутом якоре, магнитное поле которого противоположно полю катушек возбуждения. Скоростью можно управлять, вращая щетки относительно оси поля. Этот двигатель имеет превосходную коммутацию ниже синхронной скорости и худшую коммутацию выше синхронной скорости. Низкий пусковой ток обеспечивает высокий пусковой момент. Отталкивающий двигатель переменного тока. Когда асинхронный двигатель приводит в действие жесткую пусковую нагрузку, такую как компрессор, можно использовать высокий пусковой момент репульсионного двигателя. Резюме: Коллекторные двигатели переменного тока Эта страница под названием 13.12: AC Commutator Motors распространяется в соответствии с лицензией GNU Free Documentation License 1.3 и была создана, изменена и/или курирована Тони Р. Купхалдтом (Все о цепях) через исходное содержимое, которое было отредактировано в соответствии со стилем и стандарты платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу. 13.12: Коллекторные двигатели переменного тока — Workforce LibreTexts
Купхальдт
Серийный двигатель работает значительно выше синхронной скорости обычного двигателя переменного тока. Коллекторные двигатели переменного тока могут быть однофазными или многофазными. Версия с однофазным двигателем переменного тока испытывает пульсацию крутящего момента с двойной частотой сети, которой нет в многофазном двигателе. Поскольку коллекторный двигатель может работать на гораздо более высокой скорости, чем асинхронный двигатель, он может выдавать большую мощность, чем асинхронный двигатель аналогичного размера. Однако коллекторные двигатели не так не требуют технического обслуживания, как асинхронные двигатели, из-за износа щеток и коллектора. Однофазный серийный двигатель
Это приводит к сильному искрению и искрению на щетках, когда якорь начинает вращаться. Это становится менее серьезной проблемой по мере увеличения скорости, когда искрение и искрение распределяются между сегментами коммутатора. Запаздывающее реактивное сопротивление и дугогасительные щетки допустимы только в очень небольших некомпенсированных двигателях переменного тока, работающих на высокой скорости. Серийные двигатели переменного тока меньше, чем ручные дрели и кухонные миксеры, могут быть некомпенсированными. (Рисунок ниже) Серийный двигатель с компенсацией
Во всех коллекторных двигателях переменного тока, кроме очень маленьких, используются компенсационные обмотки. В двигателях такого же размера, как те, что используются в кухонном миксере, или больше, используются компенсированные обмотки статора.
В небольших бытовых приборах, таких как дрели, пылесосы и миксеры, требующих от 3000 до 10 000 об/мин, используются универсальные двигатели. Тем не менее, разработка твердотельных выпрямителей и недорогих постоянных магнитов делает двигатель постоянного тока с постоянными магнитами жизнеспособной альтернативой.
Обмотки ротора асинхронного двигателя выведены на сегменты коллектора для запуска парой короткозамкнутых щеток. На скорости, близкой к рабочей, центробежный переключатель закорачивает все сегменты коммутатора, создавая эффект короткозамкнутого ротора. Щетки также можно поднимать, чтобы продлить срок службы куста. Пусковой момент составляет от 300% до 600% значения полной скорости по сравнению с менее 200% для чисто асинхронного двигателя.
