Коллекторный двигатель что это такое: Чем отличается коллекторный двигатель от бесколлекторного?

Универсальный Коллекторный Двигатель: Устройство и Принцип действия

26.05.2020

Универсальный коллекторный двигатель (УКД) – это электродвигатель, который способен работать как с постоянным, так и переменным током, за что и получил свое название.

СОДЕРЖАНИЕ:

1. Устройство универсального коллекторного двигателя
2. Принцип работы с постоянным током
3. Принцип работы с переменным током
4. Особенности использования
5. Достоинства и недостатки
6. Основное применение

Устройство универсального коллекторного двигателя

Конструкция такого мотора, практически идентична обычному коллекторному (щеточному) электромотору постоянного тока. Однако здесь, вместо постоянных магнитов используются электромагниты и присутствуют дополнительные решения для работы с переменным током. Основными частями конструкции все также остаются ротор и статор.

Статор — это часть, которая не двигается (статична).

Статор содержит в себе:

• Корпус
• Обмотки
• Проводку
• Щетки

Ротор — это вращающаяся с валом часть.

Ротор состоит из следующих основных деталей:

• Вал
• Коллекторный узел
• Обмотки ротора
• Сердечник из тонких пластин

Теперь давайте рассмотрим то, что делает этот мотор таким особенным – принцип действия.

Принцип работы с постоянным током

При подключении к источнику постоянного тока, двигатель работает как обычный коллекторный двигатель постоянного тока. Катушки статора подключаются к источнику питания и последовательно соединены через щетки к коллекторному узлу ротора, через которые ток поступает на его обмотки.

Щетки подключены к разным полукольцам коллектора, благодаря чему с каждой стороны проходит однонаправленный ток. Вследствие этого возникают магнитные поля и под их воздействием ротор начинает вращение. Вращающий момент всегда направлен в одну сторону и ротор продолжает вращаться.

В этом режиме электромотор имеет самый высокий КПД, Ближайшей альтернативой в работе с источником постоянного тока является бесколлекторный двигатель, однако из-за применения в нем постоянных магнитов его максимальный момент будет гораздо меньшим.

Принцип работы с переменным током

Для работы с переменным током используют принцип последовательного возбуждения обмоток. Такая схема позволяет подсоединять обмотки статора последовательно с обмотками ротора (как описывалось выше). И по ним всегда будет двигаться ток одной и той же фазы. Возникающие магнитные силы также будут вращать ротор в одном направлении.

Благодаря этому виду подключения смена полюсов магнитных полей на обмотках выполняется практически одновременно, а значит итоговый момент будет также иметь одно направление.

Главное преимущество такой схемы — это большой максимальный момент. С другой стороны, возникают большие обороты на холостом ходу, способные повредить мотор при включении без нагрузки.

Однако если подключить к переменному источнику питания стандартный коллекторный мотор, то он не будет работать, так как будут возникать переменные магнитные поля и вызывать сильные потери в магнитопроводе из-за вихревых токов Фуко.

Чтобы избежать этих потерь, статор изготавливают из набора специальных изолированных тонких пластин, а обмотку разделяют на секции. Таким способом удается эффективно бороться с перемагничиванием. Для уменьшения искрения и воздействия электродвижущей силы двигатель оснащается щётками, которые обладают высоким сопротивлением.

Чтобы поменять направление вращение надо перемкнуть (переплюсовать) обмотки либо ротора, либо статора. При работе с переменным источником, общий КПД будет гораздо ниже.

Особенности использования

Как мы выяснили выше, основными особенностями, которые делают этот мотор уникальным, в сравнении с асинхронными и синхронными видами: это его способность работать с постоянным и переменным током, а также возможность работать на чрезвычайно большой скорости оборотов (от 8000 и даже до 20000 об/мин. ).

Обратной стороной медали будет его маломощность высокий уровень шума, радиопомех и искрения, что ограничивает его использование в некоторых сферах. Давайте рассмотрим все плюсы и минусы подробнее.

Достоинства и недостатки

Универсальный мотор, благодаря особенностям принципа действия имеет свои особенности и недостатки

Достоинства:

1. Высокий пусковой момент. Устройство может быстро набрать большое количество оборотов как в холодном, так и горячем состоянии.
2. Высокая удельная мощность. Универсальный мотор может работать с большей выходной мощностью чем аналоги, того же размера.
3. Небольшая цена. Стоимость мотора чуть выше чем обычного коллекторного и меньше чем бесколлекторного.
4. Простота конструкции. Несложное устройство обеспечивает простоту обслуживания и ремонта.
5. Большой общий рабочий ресурс. Основные детали довольно долговечны (за исключением щеток).
6. Портативность. Небольшие размеры электромотора позволяют использовать его в самых малых приборах (дрель).
7. Простота управления. Мотор может регулироваться простым изменением напряжения.

Недостатки:

1. Шум и вибрация. В основном возникает из-за работы щеток на высоких оборотах.
2. Низкая эффективность. КПД устройств лежит в диапазоне 55-80%, при работе с переменным током он меньше чем с постоянным.
3. Неэффективен при работе с малым напряжением. Устройство практически бесполезно при работе с напряжением до 100В.
4. Щетки быстро изнашиваются. Из-за постоянного контакта щеток с коллектором требуется их периодическая замена или ремонт.
5. Доп. оборудование для некоторых задач. Эффективные конструкции имеют низкий момент и быстроходность, поэтому иногда необходим дополнительный редуктор.

Основное применение

Универсальный тип электродвигателя как мы выяснили это простой, недорогой и высокоскоростной мотор. Возможность работы на высоких оборотах подключаясь к однофазной сети переменного тока, сделало их очень популярными в бытовой технике. В промышленности этот тип также часто используется, однако его эффективность подходит далеко не всем.

Основные устройства применения универсального электромотора:

• Дрели и шуруповерты
• Миксеры и блендеры
• Вентиляторы
• Пылесосы
• Насосы
• Швейные машины
• Стеклоочистители

Такой мотор используется в первую очередь в оборудовании, где уровень шума некритичен и важны большие обороты вращения. На сайте eltaltd.com.ua вы сможете найти большой каталог в категории Электродвигатели. Там вы сможете найти товары таких известных брендов как Siemens, ABB, Lenze и много других

Подписывайтесь на наши обновления:

  

---

Что такое коллекторный двигатель постоянного тока и как он работает

Коллекторные электродвигатели довольно распространены в быту и на производстве. Они используются для привода различных механизмов, электроинструмента, в автомобилях. Отчасти популярность обусловлена простой регулировкой оборотов ротора, но есть и некоторые ограничения их применения и конечно же недостатки. Давайте разберемся что такое коллекторный двигатель постоянного тока (КДПТ), какие бывают разновидности данного вида электродвигателей и где они используются.

• Определение и устройство
• Принцип действия
• Виды КДПТ и схемы соединения обмоток
• Схема подключения и реверс
• Сфера применения
• Достоинства и недостатки

Определение и устройство

В справочниках и энциклопедиях приводят, такое определение:

«Коллекторным называется электродвигатель, у которого датчиком положения вала и переключателем обмоток является одно и то же устройство – коллектор. Такие двигатели могут работать либо только на постоянном токе, либо и на постоянном, и на переменном.»

Коллекторный электродвигатель, как и любой другой, состоит из ротора и статора. В этом случае ротор – является якорем. Напомним, что якорем называется та часть электрической машины, которая потребляет основной ток, и в которой индуцируется электродвижущая сила.

Для чего нужен и как устроен коллектор? Коллектор расположен на валу (роторе), и представляет собой набор продольно расположенных пластин, изолированных от вала и друг от друга. Их называют ламелями. К ламелям подключаются отводы секций обмоток якоря (устройство якорной обмотки КДПТ вы видите на группе рисунков ниже), а точнее к каждой из них подключен конец предыдущей и начало следующей секции обмотки.

Ток к обмоткам подаётся через щетки. Щётки образуют скользящий контакт и во время вращения вала соприкасаются то с одной, то с другой ламелью. Таким образом происходит переключение обмоток якоря, для этого и нужен коллектор.

Щеточный узел состоит из кронштейна с щеткодержателями, непосредственно в них и устанавливаются графитовые или металлографитовые щетки. Для обеспечения хорошего контакта щетки прижимаются к коллектору пружинами.

На статоре устанавливаются постоянные магниты или электромагниты (обмотка возбуждения), которые создают магнитное поле статора. В литературе по электрическим машинам вместо слова «статор» чаще используют термины «магнитная система» или «индуктор». На рисунке ниже изображена конструкция ДПТ в разных проекциях. Теперь же давайте разберемся как работает коллекторный двигатель постоянного тока!

Принцип действия

Когда ток протекает через обмотку якоря, возникает магнитное поле, направление которого можно определить с помощью правила буравчика. Постоянное магнитное поле статора взаимодействует с полем якоря, и он начинает вращаться благодаря тому, что одноименные полюса отталкиваются, притягиваясь к разноимённым. Что отлично иллюстрирует рисунок ниже.

При переходе щеток на другие ламели ток начинает протекать в обратную сторону (если рассматривать приведенный выше пример), магнитные полюса меняются местами и процесс повторяется.

В современных коллекторных машинах не используется двухполюсная конструкция из-за неравномерности вращения, в момент переключения направления тока силы, действующие на якорь, будут минимальны. А если включить двигатель, вал которого остановился в этом «переходном» положении — он может и не начать вращаться совсем. Поэтому на коллекторе современного двигателя постоянного тока расположено значительно больше полюсов и секций обмоток, уложенных в пазах шихтованного сердечника, таким образом достигаются оптимальные плавность движения и момент на валу.

Принцип работы коллекторного двигателя простым языком для чайников раскрыт в следующем видеоролике, убедительно рекомендуем ознакомиться.

Виды КДПТ и схемы соединения обмоток

По способу возбуждения коллекторные двигатели постоянного тока различают двух типов:

1. С постоянными магнитами (маломощные двигатели мощностью десятки и сотни Ватт).
2. С электромагнитами (мощные машины, например, на грузоподъёмных механизмах и станках).

Различают такие типы КДПТ по способу соединения обмоток:

• Последовательного возбуждения (в старой отечественной литературе и от старых электриков можно услышать название «Сериесные», от англ. Serial). Здесь обмотка возбуждения подключена последовательно с обмоткой якоря. Высокий пусковой момент – преимущество такой схемы, а её недостаток – падение частоты вращения с увеличением нагрузки на валу (мягкая механическая характеристика), и то что двигатель идёт вразнос (неконтролируемый рост оборотов с последующим повреждением опорных подшипников и якоря) если работают на холостом ходу или с нагрузкой на валу в меньше 20-30% от номинальной.
• Параллельного (также называют «шунтовые»). Соответственно обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря. На низких оборотах на валу высокий момент и стабилен в относительно широком диапазоне оборотов, а с увеличением оборотов он уменьшается. Преимущество — стабильные обороты в широком диапазоне нагрузки на валу (ограничивается его мощностью), а недостаток – при обрыве в цепи возбуждения может пойти вразнос.
• Назависимого. Обмотки возбуждения и якоря питаются от разных источников. Такое решение позволяет точнее регулировать обороты вала. Особенности работы похожи на ДПТ с параллельным возбуждением.
• Смешанного. Часть обмотки возбуждения подключена параллельно, а часть последовательно с якорем. Совмещают достоинства последовательного и параллельного типов.

Условное графическое обозначение на схеме вы видите ниже.

В иностранной и современной отечественной литературе, а также на схемах можно встретить и другое представление УГО для КДПТ, как было приведено на предыдущем рисунке в виде круга с двумя квадратами, где круг обозначает якорь, а два квадрата – щетки.

Схема подключения и реверс

Схема соединения обмоток статора и ротора определяется при изготовлении, и, в зависимости от того, где применяется конкретный двигатель, нужно выбирать соответствующее решение. В определенных режимах работы (тормозной режим, например) схемы включения обмоток могут изменяться или вводиться дополнительные элементы.

Включают маломощные коллекторные двигатели постоянного тока с помощью: полупроводниковых ключей (транзисторов), тумблеров или кнопок, специализированных микросхем-драйверов или с помощью маломощных реле. Крупные мощные машины подключаются к сети постоянного тока через двухполюсные контакторы.

Ниже вы видите реверсивную схему подключения двигателя постоянного тока к сети 220В. На практике, на производстве схема будет аналогичной, но диодного моста в ней не будет, поскольку все линии для подключения таких двигателей прокладываются от тяговых подстанций, где переменный ток выпрямляется.

Реверс осуществляется путем смены полярности на обмотке возбуждения или на якоре. Изменить полярность и там, и там нельзя, поскольку направление вращения вала не изменится, как это происходит с универсальными коллекторными двигателями при работе на переменном токе.

Для плавного пуска двигателя в цепь питания обмотки якоря или обмотки якоря и обмотки возбуждения (в зависимости от схемы их соединения) вводят регулировочное устройство, например, реостат, таким же образом регулируют и частоту вращения вала, но вместо реостата чаще используют набор постоянных резисторов, подключаемых с помощью набора контакторов.

В современных приложениях частота оборотов изменяется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и полупроводникового ключа, именно так это и сделано в аккумуляторном электроинструменте (шуруповёрт, например). КПД такого способа значительно выше.

Сфера применения

Коллекторные двигатели постоянного тока применяются повсеместно как в быту, так и в промышленных устройствах и механизмах, давайте кратко рассмотрим их область применения:

• В автомобилях используют 12В и 24В коллекторные ДПТ для привода щеток стеклоочистителей (дворников), в стеклоподъёмниках, для запуска двигателя (стартер — это коллекторный двигатель постоянного тока последовательного или смешанного возбуждения) и приводах другого назначения.
• В грузоподъёмных механизмах (краны, лифты и пр.) используются КДПТ, которые работают от сети постоянного тока с напряжением 220В или любым другим доступным напряжением.
• В детских игрушках и радиоуправляемых моделях малой мощности используются КДПТ с трёхполюсным ротором и постоянными магнитами на статоре.
• В ручном аккумуляторном электроинструменте — разнообразные дрели, болгарки, электроотвертки и т.д.

Отметим, что в современный дорогой электроинструмент устанавливают не коллекторные, а бесколлекторные электродвигатели.

Достоинства и недостатки

Разберем плюсы и минусы коллекторного двигателя постоянного тока. Преимущества:

1. Соотношение размеров к мощности (массогабаритные показатели).
2. Простота регулировки оборотов и реализации плавного пуска.
3. Пусковой момент.

Недостатки у КДПТ следующие:

1. Износ щеток. Высоконагруженные двигатели, которые регулярно эксплуатируются, требуют регулярного осмотра, замены щеток и обслуживания коллекторного узла.
2. Коллектор изнашивается из-за трения щеток.
3. Возможно искрение щеток, что ограничивает применение в опасных местах (тогда используют КДПТ взрывозащищенного исполнения).
4. Из-за постоянного переключения обмоток этот тип двигателей постоянного тока вносит помехи и искажения в питающие цепи или электросеть, что приводит к сбоям и проблемам в работе других элементов схемы (особенно актуально для электронных схем).
5. У ДПТ на постоянных магнитах магнитные силы со временем ослабевают (размагничиваются) и эффективность двигателя снижается.

Вот мы и рассмотрели, что такое коллекторный двигатель постоянного тока, как он устроен и какой у него принцип действия. Если остались вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

Материалы по теме:

• Что такое анод и катод
• Как работает магнитный пускатель
• Как понизить напряжение в сети
• Что такое асинхронный двигатель

Опубликовано 05.06.2019 Обновлено 05.06.2019 Пользователем Александр (администратор)

Какова функция коммутатора в электродвигателе?

Коллектор — это компонент, используемый в электродвигателях и генераторах тока. Переключатели имеют функцию механического выпрямителя и поворотного переключателя в одном. Изменение направления потока в обмотке называется коммутацией.

Как работает распределительный вал

Включите JavaScript

Как работает распределительный вал

Коллектор электродвигателя состоит из полос твердой электролитической меди с изоляционным материалом между ними. Узел изолирован на валу ротора, а медные лопасти соединены с якорными обмотками.

Стационарно установленные угольные щетки контактируют с коллектором и подают питание на якорные обмотки.

Что такое коммутатор электродвигателя?

Коллектор — поворотный электрический переключатель в некоторых типах электродвигателей и электрогенераторов, который периодически изменяет направление тока между ротором и внешней цепью.

В двигателе он подает мощность в наилучшее место на роторе, а в генераторе получает мощность аналогичным образом. В качестве переключателя он имеет исключительно долгий срок службы, принимая во внимание количество размыканий и замыканий, происходящих при нормальной работе.

Для чего нужен коммутатор в двигателе?

Коллектор является важной деталью в работе электродвигателей и генераторов постоянного тока. Выключатель выполняет следующие функции:

• Обеспечивает электрическую связь между неподвижными угольными щетками и вращающимся валом с обмотками ротора.

• Действует как датчик углового положения ротора.

• Выполняют функцию переключателя направления тока в зависимости от углового положения ротора.

В генераторе переменного тока переменный ток, генерируемый вращением катушек ротора мимо магнитов постоянного поля, преобразуется в напряжение постоянного тока. С другой стороны, в случае электродвигателя он меняет направление тока в обмотках ротора, так что якорь продолжает вращаться.

Как работает коммутатор двигателя?

Коллектор состоит из набора контактных стержней, закрепленных на вращающемся валу машины и соединенных с обмотками якоря. При вращении вала коммутатор меняет направление тока в одной обмотке.

Для одиночной обмотки якоря, когда вал совершил пол-оборота, обмотка теперь подключена так, что по ней протекает ток в направлении, противоположном первоначальному.

В двигателе постоянного тока ток якоря заставляет постоянное магнитное поле воздействовать вращающей силой или крутящим моментом на обмотку, заставляя ее вращаться. В генераторе механический крутящий момент, приложенный к валу, поддерживает движение обмотки якоря через стационарное магнитное поле, индуцируя ток в обмотке.

Как в двигателе, так и в генераторе переключатель периодически меняет направление тока, протекающего через обмотку, так что ток в цепи, внешней по отношению к машине, продолжается только в одном направлении.

Что такое коммутация? | Текнотион

Для создания движения в трехфазном линейном двигателе необходимо переключение между фазами для подачи питания на соответствующие обмотки. Процесс переключения между фазами называется коммутацией.

Чтобы создать желаемое движение, контроллер должен определить, какая фаза должна быть включена. Самый популярный метод определения того, где находится силовая установка в пределах магнитного поля, — это датчик на эффекте Холла.

Процесс коммутации

Для понимания процесса коммутации может помочь пояснение по круговой диаграмме. Ток, протекающий через катушку, имеет форму синуса. Компонент Y стрелки на круговой диаграмме ниже определяет величину этого тока. Когда стрелка делает полный оборот, величина соответствует синусоидальному закону. Токи сдвинуты по фазе на 120 градусов, что показано тремя стрелками, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга на 360 градусов.

Методы коммутации

Существует несколько способов определения положения (электромагнитных) катушек над магнитной дорожкой (или ротором). Если детализация и точность энкодера (линейки) не нужны, для измерения положения катушки можно использовать аналоговый датчик Холла. Для коммутации тока используются цифровые датчики Холла.

 

Преимущества и риски

Простой способ «выровнять» ток через катушки с постоянными магнитами — использовать датчик Холла. Датчики Холла могут быть аналоговыми или цифровыми. Аналоговые датчики Холла точно измеряют магнитное поле. Сигнал будет сильнее, если центр находится над полюсом магнита. Магнитное поле равно нулю при измерении между двумя противоположными полюсами. Цифровые датчики Холла измеряют только положительный (северный) или отрицательный (южный) полюс магнита. Они показывают цифровое значение, означающее «1» или «0». Когда цифровой датчик Холла находится над полюсом своего типа (северным или южным), он подает сигнал.

 

Процесс коммутации в синхронном двигателе представляет собой переключение между фазами. Можно переключаться между фазами таким образом, чтобы обмотка поочередно притягивала и отталкивала постоянные магниты для создания желаемого движения по закону Лоренца. Все двигатели Tecnotion Iron Core, Ironless и Torque представляют собой трехфазные синхронизированные двигатели.

При переменном токе направление магнитного поля в катушках меняется на противоположное. Взаимодействие этого магнитного поля с дорожкой постоянного магнита (или ротором) создает движение.

Аналоговый модуль Холла

Линейные двигатели можно очень точно позиционировать с помощью оптических энкодеров и линеек.

Если в этом нет необходимости, эту дорогостоящую установку можно заменить аналоговым модулем Холла. Этот модуль использует магнитную дорожку, в отличие от линейки, в качестве линейной шкалы. Его можно легко установить на наши двигатели с железным сердечником, и он взаимодействует практически со всеми стандартными сервоконтроллерами. Аналоговому модулю Холла требуется стандартный источник питания 5 В постоянного тока.

Модуль цифрового зала

Для коммутации Tecnotion предлагает дополнительный цифровой модуль Холла, который можно использовать со всем нашим ассортиментом линейных двигателей. Его датчики имеют 3 цифровых выхода, каждый из которых сдвинут по фазе на 120 градусов, для определения электрического угла между катушками и магнитами. Если вы не используете контроллер, который позволяет коммутировать внутри сервопривода, этот модуль может быть экономичной альтернативой. Для цифрового модуля Холла требуется источник питания от 4,5 до 28 В постоянного тока.

Коммутация фазы тока

Подводя итог тому, что необходимо для эффективного перемещения линейного или моментного двигателя: коммутация фаз тока и опционально датчик Холла.