Коллекторный двигатель принцип работы: Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Содержание

Коллекторный двигатель переменного тока: схема подключения

Коллекторные двигатели переменного тока достаточно широко применяются как силовые агрегаты бытовой техники, ручного электроинструмента, электрооборудования автомобилей, систем автоматики. Схема подключения двигателя, а также его устройство напоминают схему и устройство электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.

Область применения таких моторов обусловлена их компактностью, малым весом, легкостью управления, сравнительно невысокой стоимостью. Наиболее востребованы в этом производственном сегменте электродвигатели малой мощности с высокой частотой вращения.

Особенности конструкции и принцип действия

По сути, коллекторный двигатель представляет собой достаточно специфичное устройство, обладающее всеми достоинствами машины постоянного тока и, в силу этого, обладающее схожими характеристиками. Отличие этих двигателей состоит в том, что корпус статора мотора переменного тока для снижения потерь на вихревые токи выполняется из отдельных листов электротехнической стали.Коллекторный двигатель принцип работы: Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Обмотки возбуждения машины подключаются последовательно для оптимизации работы в бытовой сети 220в.

Могут быть как одно-, так и трехфазными, благодаря способности работать от постоянного и переменного тока называются ещё универсальными. Кроме статора и ротора конструкция включает щеточно-коллекторный механизм и тахогенератор. Вращение ротора в коллекторном электродвигателе возникает в результате взаимодействия тока якоря и магнитного потока обмотки возбуждения. Через щетки ток подается на коллектор, собранный из пластин трапецеидального сечения и является одним из узлов ротора, последовательно соединенного с обмотками статора.

В целом принцип работы коллекторного мотора можно наглядно продемонстрировать с помощью известного со школы опыта с вращением рамки, помещенной между полюсами магнитного поля. Если через рамку протекает ток, она начинает вращаться под действием динамических сил.Коллекторный двигатель принцип работы: Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Направление движения рамки не меняется при изменении направления движения тока в ней.

Последовательное подсоединение обмоток возбуждения дает большой максимальный момент, но появляются большие обороты холостого хода, способные привести к преждевременному выходу механизма из строя.

Упрощенная схема подключения

Типовая схема подключения может предусматривать до десяти выведенных контактов на контактной планке. Ток от фазы L протекает до одной из щеток, затем передается на коллектор и обмотку якоря, после чего проходит вторую щетку и перемычку на обмотки статора и выходит на нейтраль N. Такой способ подключения не предусматривает реверс двигателя вследствие того, что последовательное подсоединение обмоток ведет к одновременной замене полюсов магнитных полей и в результате момент всегда имеет одно направление.

Направление вращения в этом случае можно изменить, только поменяв местами выхода обмоток на контактной планке. Включение двигателя «напрямую» выполняется только с подсоединенными выводами статора и ротора (через щеточно-коллекторный механизм).Коллекторный двигатель принцип работы: Коллекторный электродвигатель постоянного тока Вывод половины обмотки используется для включения второй скорости. Следует помнить, что при таком подключении мотор работает на полную мощность с момента включения, поэтому эксплуатировать его можно не более 15 секунд.

Управление работой двигателя

На практике используются двигатели с различными способами регулирования работы. Управление коллекторным мотором может осуществляться с помощью электронной схемы, в которой роль регулирующего элемента выполняет симистор, «пропускающий» заданное напряжение на мотор. Симистор работает, как быстросрабатывающий ключ, на затвор которого приходят управляющие импульсы и открывают его в заданный момент.

В схемах с использованием симистора реализован принцип действия, основанный на двухполупериодном фазовом регулировании, при котором величина подаваемого на мотор напряжения привязана к импульсам, поступающим на управляющий электрод.Коллекторный двигатель принцип работы: Коллекторный электродвигатель постоянного тока Частота вращения якоря при этом прямо пропорциональна приложенному к обмоткам напряжению. Принцип работы схемы управления коллекторным двигателем упрощенно описывается следующими пунктами:

  • электронная схема подает сигнал на затвор симистора,
  • затвор открывается, по обмоткам статора течет ток, придавая вращение якорю М двигателя,
  • тахогенератор преобразует в электрические сигналы мгновенные величины частоты вращения, в результате формируется обратная связь с импульсами управления,
  • в результате ротор вращается равномерно при любых нагрузках,
  • реверс электродвигателя осуществляется с помощью реле R1 и R

Помимо симисторной существует фазоимпульсная тиристорная схема управления.

Преимущества и недостатки

К неоспоримым достоинствам таких машин следует отнести:

  • компактные габариты,
  • увеличенный пусковой момент, «универсальность» работа на переменном и постоянном напряжении,
  • быстрота и независимость от частоты сети,
  • мягкая регулировка оборотов в большом диапазоне с помощью варьирования напряжения питания.Коллекторный двигатель принцип работы: Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Недостатком этих двигателей принято считать использование щеточно-коллекторного перехода, который обуславливает:

  • снижение долговечности механизма,
  • искрение между и коллектором и щетками,
  • повышенный уровень шумов,
  • большое количество элементов коллектора.

Типичные неисправности

Наибольшего внимания к себе требует щеточно-коллекторный механизм, в котором наблюдается искрение даже при работе нового двигателя. Сработанные щетки следует заменить для предотвращения более серьезных неисправностей: перегрева ламелей коллектора, их деформации и отслаивания. Кроме того, может произойти межвитковое замыкание обмоток якоря или статора, в результате которого происходит значительное падение магнитного поля или сильное искрение коллекторно-щеточного перехода.

Избежать преждевременного выхода из строя универсального коллекторного двигателя может грамотная эксплуатация устройства и профессионализм изготовителя в процессе сборки изделия.Коллекторный двигатель принцип работы: Коллекторный электродвигатель постоянного тока

характеристика, конструкция электродвигателя переменного тока, ремонт

Практически все виды электрооборудования оснащены мощными элементами с механической коммутацией. Их слаженная работа зависит от универсального коллекторного двигателя, который прекрасно справляется с различными нагрузками. Но чтобы такой агрегат исправно служил, нужно тщательно изучить не только его конструктивные особенности, но и принцип действия.

Краткая характеристика устройства

Специалисты привыкли называть коллекторным двигателем те электрические машины, где переключатель тока и датчик ротора — это один и тот же элемент. Именно он обеспечивает надёжное соединение разных цепей в неподвижном отсеке агрегата с ротором.

Его конструкция состоит из мощных щёточек (это специфические контакты скользящего типа, которые расположены возле вращающейся части мотора) и коллектора (эта деталь установлена производителем на движимом узле механизма).Коллекторный двигатель принцип работы: Коллекторный электродвигатель постоянного тока

К основным преимуществам такого элемента можно смело отнести то, что высококачественный двигатель прост в уходе и эксплуатации, поддаётся ремонту и имеет большой рабочий ресурс. Среди недостатков сами производители выделяют то, что агрегат имеет небольшой вес и большой процент КПД. Конечно, чаще всего два этих показателя являются положительными, но не в этой ситуации.

Сочетание быстроходности (может достигать нескольких тысяч оборотов в минуту) и низкой массы чревато тем, что для нормальной эксплуатации потребителю нужно дополнительно приобретать хороший редуктор. Если же машина будет перестроена на меньшую скорость, то уровень КПД может серьёзно упасть, из-за чего возникают проблемы с качественным охлаждением.

Разновидности модельного ряда

Коллекторный мотор — это вращающаяся электрическая машина переменного тока, которая легко преобразует постоянный ток в механическую энергию.Коллекторный двигатель принцип работы: Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Минимум одна обмотка, которая участвует в этом процессе соединена с главным коллектором.

Практически каждая модель состоит из таких элементов:

  1. Качественный статор двухполюсного типа на постоянных магнитах.
  2. Профессиональный трёхполюсной ротор на специфических подшипниках с эффектом скольжения.
  3. Медные пластины, которые используются в качестве щёток для коллекторного мотора.

Стоит отметить, что этот набор является минимальным, из-за чего часто встречается в бюджетных моделях. Это касается и детских игрушек, где не нужна большая рабочая мощность.

В комплектацию более качественных изделий обычно добавляют ещё несколько элементов:

  • Многополюсной ротор на специальных подшипниках качения.
  • Четыре щётки из графита, которые представлены в виде коллекторного агрегата.
  • Статор с четырьмя полюсами, который состоит из постоянных магнитов.

Такие агрегаты принято использовать в современных автомобилях для обустройства высококачественного привода для вентилятора системы охлаждения и вентиляции, дворников и насосов омывателей лобового стекла.Коллекторный двигатель принцип работы: Коллекторный электродвигатель постоянного тока Конечно, в продаже можно встретить и более сложные агрегаты, которые отличаются не только эксплуатационными характеристиками и сферой применения, но и ценой.

Если мощность электродвигателя находится в пределах нескольких сотен ватт, то в его комплектацию обязательно входит четырехполюсной статор, который изготовлен из специальных магнитов. А вот качественное подключение обмотки может быть выполнено по одному из следующих способов:

  • Параллельно. В условиях колеблющейся нагрузки все обороты остаются стабильными, но вот максимальный момент немного снижен.
  • Последовательно с ротором. Этот вариант отличается тем, что максимальный момент приобретает довольно внушительные показатели, но присутствует большой риск поломки мотора, так как агрегат эксплуатируется пользователем на больших оборотах.
  • Независимое возбуждение от отдельного источника питания. Для этой ситуации используются те же самые характеристики, которые свойственны параллельному типу подключения.Коллекторный двигатель принцип работы: Коллекторный электродвигатель постоянного тока Стоит отметить, что этот вариант применяется специалистами крайне редко.
  • Смешанный тип возбуждения, когда определённая часть имеющейся обмотки подключается последовательно, а вторая часть — параллельно. В этой конфигурации удачно совмещены все преимущества предыдущих вариантов. Такой тип подключения идеально подходит для автомобильных стартеров.

Но известные производители предусмотрели наличие универсальных коллекторных двигателей. Ключевая их особенность состоит в том, что они отлично работают как на постоянном, так и на переменном токе. Их активно эксплуатируют в бытовой технике, электроинструментах, а также в составах железнодорожного транспорта.

Такая популярность обусловлена тем, что они имеют достаточно небольшой вес и размер. Помимо этого, их цена более чем доступна и каждый пользователь может самостоятельно установить необходимое для работы количество оборотов. За счёт этого коллектор электродвигателя относится к категории устройств переменного тока, он показывает отличные результаты и с нестабильными источниками энергии.Коллекторный двигатель принцип работы: Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Составляющие элементы конструкции

Чтобы максимально правильно разобраться с особенностями устройства коллекторного электродвигателя, нужно изучить все комплектующие детали этого агрегата. Ведь само устройство представлено в виде прибора постоянного тока, где присутствуют последовательно включённые обмотки возбуждения. Они предназначены для работы на переменном токе бытовой электросети.

В независимости от полярности двигатель всегда вращается только в одну сторону. Такая особенность связана с тем, что последовательное соединение обмоток ротора и статора приводит к одновременной смене магнитных полюсов. В результате этого результирующий момент направляется исключительно в одну и ту же сторону.

Высокая эффективность использования коллекторного электродвигателя обусловлена наличием следующих элементов:

  • Статор — это неподвижная часть установки.
  • Якорь — неотъемлемая деталь коллекторного агрегата, в котором происходит индуктирование электродвижущей силы и протекает ток нагрузки.Коллекторный двигатель принцип работы: Коллекторный электродвигатель постоянного тока Стоит отметить, что в качестве якоря может выступать как статор, так и ротор.
  • Индуктор — специализированная система возбуждения. Эта деталь создаёт магнитный поток для своевременного образования крутящегося момента. Индуктор обязательно оснащается обмоткой возбуждения или же постоянными магнитами. Сама деталь может выступать в качестве неотъемлемой части статора или ротора.
  • Ротор — вращающийся элемент машины.
  • Коллектор — базовая часть мотора, которая контактирует со щётками (две эти детали распределяют электрический ток по катушкам обмотки якоря).
  • Щётки — это составляющая часть цепи, по которой передаётся электроэнергия от источника питания к якорю. Эти элементы выпускаются из прочного графита. Двигатель постоянного тока может содержать от одной пары щёток и более.

Функциональные возможности мотора

Схема устройства коллекторного двигателя прекрасно демонстрирует, как этот агрегат преобразует электричество в механическую энергию и в обратном порядке.Коллекторный двигатель принцип работы: Коллекторный электродвигатель постоянного тока Это говорит о том, что такое устройство может использоваться даже в качестве генератора. Когда ток проходит сквозь проводник, который расположен в магнитном поле, то на него воздействуют определённые силы. При этом активно работает правило правой руки, оказывающее непосредственное влияние на итоговую мощность двигателя. Коллекторный агрегат функционирует именно по такому принципу.

В стандартной схеме чётко показано, что в магнитное поле помещена одна пара проводников, ток которых направлен в разные стороны так же, как и силы. Образуемая ими сумма даёт необходимый для оборудования крутящийся момент. В коллекторном двигателе производители добавили ещё и целый комплекс дополнительных узлов, которые гарантируют идентичное направление тока над полюсами.

За счёт того, что на якоре расположено ещё несколько катушек, полностью устранилась неравномерность хода. Помимо этого, у мастеров больше нет необходимости задействовать постоянный ток, так как обычные магниты были заменены на более мощные катушки.Коллекторный двигатель принцип работы: Коллекторный электродвигатель постоянного тока На финальном этапе производства крутящийся момент принял единое направление.

Плюсы и минусы эксплуатации

Для сравнения квалифицированные специалисты использовали следующие параметры: оба агрегата подключили к домашней электросети с частотой 50 Гц и напряжением 220 В. Мощность мотора устройств полностью идентична. Итоговая разность в механических параметрах может выступать как огромный плюс, так и как минус (всё зависит только от того, какие требования предъявляет пользователь к приводу).

Коллекторный двигатель обладает следующими преимуществами над агрегатом постоянного тока:

  1. Меньший показатель пускового тока, что особенно важно для той техники, которая используется потребителями в быту.
  2. Агрегат можно включать напрямую в сеть, полностью отсутствует необходимость в установке вспомогательных приспособлений. А вот агрегат с постоянным током нуждается в непрерывном выпрямлении.Коллекторный двигатель принцип работы: Коллекторный электродвигатель постоянного тока
  3. Быстроходность и полное отсутствие зависимости от сетевой частоты.
  4. Если есть управляющая схема, то устройство коллектора получается более простым — тиристор и реостат. Когда электронная деталь выходит из строя, то сам агрегат остаётся в рабочем состоянии (но будет эксплуатироваться на полную мощность).

Не стоит забывать о недостатках, которые должны быть тщательно изучены каждым потребителем ещё до покупки агрегата. Только в этом случае можно быть уверенным в соответствии устройства всем предъявленным требованиям.

Коллекторный электродвигатель обладает следующими минусами:

  1. Общий процент КПД существенно снижен, так как присутствует индуктивность и потери на перемагничивание статора.
  2. Существенно уменьшен максимальный крутящийся момент.
  3. Относительно небольшая надёжность и непродолжительный эксплуатационный срок.

Любые изменения в настройках возможны только в том случае, если в агрегате предусмотрено наличие регулятора оборотов.Коллекторный двигатель принцип работы: Коллекторный электродвигатель постоянного тока Разное количество подаваемой электроэнергии может менять этот показатель всего на 10%. В то время как качественный регулятор оборотов позволяет уменьшить их количество в несколько раз. Сделать такое приспособление можно самостоятельно или купить в специализированном магазине. Но нужно проверить, сможет ли оно работать в коллекторе с определённой мощностью и количеством оборотов. Если же регулятор будет слабым, то он просто сломается.

Ремонт двигателя в домашних условиях

Как и любое другое устройство, коллектор может выйти из строя в самый неподходящий момент. Если электродвигатель не набирает заданное количество оборотов или же после старта не начинает крутиться вал, тогда нужно проверить работоспособность предохранителей. Проблема также может быть вызвана обрывом в цепи якоря и перегрузкой устройства. Довольно часто нерациональное использование агрегата приводит к потреблению силы тока повышенного значения. Устранить эту неисправность можно только после осмотра тормоза и механической части.

Если во время работы агрегат не выдаёт номинальное количество оборотов, то это может быть вызвано недостаточным сетевым напряжением, перегрузкой, а также большим возбуждающим током. Если пользователь заметил неработоспособность обратного типа, тогда необходимо проверить электрическую цепь, а также устранить все образовавшиеся дефекты. В некоторых случаях агрегат начинает функционировать только после перемотки двигателя.

Когда устройство не работает из-за ошибочного сопряжения параллелей и последовательной обмотки возбуждения, тогда пользователю необходимо восстановить правильный порядок соединений.

Не стоит забывать о регулярной проверке величины напряжения в электросети, так как обороты двигателя могут существенно возрастать.

Устройство коллекторного электродвигателя: детали и схема автоподстройки

Чаще статор коллекторного двигателя снабжен двумя полюсами. Безотносительно, пылесос, кухонный комбайн, стиральная машина. Коллекторные двигатели поддаются регулировке, обладают приемлемыми стартовыми характеристиками, контрастируя большинству асинхронных. Для простых граждан недостаток один: шумность. Поэтому в холодильниках, вентиляторах ставится асинхронный двигатель. На вытяжках любые встретим. Рассмотрим устройство коллекторного двигателя.

Внешний вид коллекторного двигателя

Крышка отсека щетки

Новичков волнует вопрос – способ идентификации коллекторного двигателя. Проще простого. Посмотрите фото болгарки, сделано специально для портала ВашТехник: боковины корпуса демонстрируют крышечки из изоляционного материала под шлицевую отвертку. Потрудившись открутить, внутри видим контактные площадки, пружина графитовой щетки. Ключевой признак коллекторного двигателя. Электрический инструмент снабжается приспособлениями быстрой замены графита, который считается расходным материалом.

Контактная площадка и пружина графитовой щётки

Щетки коллекторного двигателя

В коробке прилагается запасной комплект. Фото крупным планом показывает запасные щетки. Каждая включает:

  1. Графитовый электрод. Форма широко варьируется в зависимости от типа двигателя. Графит точат надфилями, напильниками, получая заданные размеры. Не критично. Главное, избежать больших зазоров, форма держателя специально создана снизить люфт. Графитовый электрод стачивается, увеличивается искрение вплоть до появления кругового огня. Коллекторный двигатель сильно разогревается, дымится. Процесс может лицезреть настойчивый зритель Ютуба (см. англоязычный домен).
  2. Контактная латунная площадка служит для подсоединения питания. В бытовых инструментах чаще 230 вольт с одной оговоркой: часть периода синусоиды отсечена. Позволяет регулировать скорость (болгарки забудьте). Больше угол отсечки, ниже скорость движения вала. Регуляторная схема сформирована тиристором, подстраивается переменным резистором.
  3. Пружина протянута меж контактной площадкой и графитовым электродом. Служит целям прижатия. В результате графитовый электрод скользит, обегая коллектор, одновременно смазывая поверхность. Сопротивление щеток, показанных рисунком близко 7 Ом, сопоставимо с обмотками. На переменном токе расклад меняется. Наделенное индуктивностью сопротивление обмоток резко растет, щетки остаются прежними. Графит играет роль ограничительных резисторов, благодаря углероду, ток ротора бессилен подняться выше 15 А.
  4. Ключевой частью щеток назовем тросик высокой гибкости, составленный медными нитями. Хорошо гнется, по мере стачивания графитовой щетки процессом эксплуатации легко растягивается, достигая нужных размеров.

Запасные щетки

У коллекторного двигателя всегда имеются щетки. У некоторых асинхронных моторов присутствуют токосъемники, не делящиеся на секции (реже стоит коллекторный стартер, касается синхронных двигателей). Щеточный аппарат отличается конструкцией от демонстрируемого коллекторным двигателем. Асинхронный мотор выдает сравнительно тихая работа.

Щетки легко раскалываются вибрациями. Одна из причин, почему коллекторные двигатели в промышленности стараются не применять (сложно найти трехфазные модели). Вторая – токосъёмники легко забиваются пылью, требуя регулярной чистки. Впрочем, проблема наблюдается у асинхронных машин с фазным ротором. В последнем случае графитом обычно не пахнет. Итак, рассматриваем сегодня коллекторный однофазный электродвигатель.

Варисторы коллекторного двигателя

Коллекторные двигатели наделены одним неприятным свойством: искрят. Вызывает сильные помехи, идущие обратно в сети снабжения, главное не это. Искрение приводит к невыгодным условиям эксплуатации двигателя. Нужно гасить дугу варисторами. Корпус элементов чаще округлый, с двумя ножками. Одна (см. фото) присоединяется к контактной площадке щетки (непосредственно, посредством латунных переходников), вторая припаивается к корпусу.

Варистор системы защиты двигателя

Варисторов два, защищают коллекторный двигатель с обеих сторон. Механика работы следующая:

  • Повышенная нагрузка вала вызывает сильное искрение, потенциал щетки может значительно превышать среднее действующее значение 230 вольт.
  • Варисторы парно пробиваются, замыкают излишек на корпус, ток поглощается толщей металла, рассеиваясь тепловыми потерями.

Схему считаем бесполезной с точки зрения КПД. Мощность теряется даром. Известен фактор, использующий искрение на пользу.

Схема автоподстройки оборотов коллекторного двигателя

Тиристорная схема подстройки оборотов коллекторного двигателя

Уровень искрения определен скоростью вращения. Допустим, нагрузка вала мясорубки увеличилась. Обороты временно понижаются. Уровень искрения меняется, вызывая отклик специальной тиристорной схемы управления оборотами. Ключ изменяет угол отсечки напряжения, компенсируя действие нагрузки. Тиристорная схема, показанная фото, контролировала кухонный комбайн Philips. Видим массу защитных реле, не позволяющих включить прибор при открытых крышках, в разобранном виде.

Главной частью схемы выступает тиристор. На снимке отыщем по небольшому металлическому пластинчатому радиатору. Схема по цепочке обратной связи получает информацию о силе искрения, при помощи нее же происходит задание оборотов. Для реализации указанных функций плата содержит парочку переменных резисторов:

  1. Полукруглое сопротивление с крестообразной головкой послужит целям подстройки рабочего режима тиристора. Значение задается углом поворота лабораторией завода, в процессе эксплуатации изменению оператором не подлежит.
  2. Второй резистор переменный. Шлицевая головка связана с ручкой, красующейся на панели управления корпуса. Задается скорость вращения вала. Делается чаще ступенчато.

Сообразно назначению двигателя, питается сложным образом. Коричневый, белый проводки уходят на щетки ротора, прочими тремя задается режим скорости путем подпитки определенного числа витков катушек статора.

Коллектор двигателя, обмотки, сердечник

Внешний вид коллектора

Название тип двигателей получил, благодаря наличию коллектора. Посмотрите фото: видим на валу массивный медный барабан, разделенный секциями: коллектор. Сформирован 24-х ламелями. К каждой подходит конец предыдущей и начало следующей обмотки. Идут, перекрещиваясь. Каждая обмотка ложится сразу на две соседние в круге ламели. Как понятно из сказанного, суммарное количество катушек равняется числу секций коллектора (24). Расположены в два слоя, первый лежит на поверхности в нишах сердечника, второй прячется внутри.

На одной половине оборота направление поля обмотки, допустим, положительное, на второй – отрицательное. Смена происходит в момент пересечения щеткой двух ламелей, к которым подходят концы катушки. Правильное распределение углов относительного положения щеток, полюсов статора, сдвига намотки якоря обеспечивает рациональную передачу мощности. Наибольшим моментом в данную долю секунды обладает катушка, перпендикуляр плоскости которой максимально приближен полюсу статора.

Сердечник и обмотки

Сердечник сформирован 12-ю секциями. Каждая катушка наматывается через четыре провала. Например, занимает первую, шестую ниши. И так далее, по кругу, образуется четыре катушки. Следовательно, при намотке следует соблюдать аналогичный порядок. Важно правильно задать угол меж (двумя) контактными ламелями, куда подходят окончания провода, и плоскостью перпендикуляра катушки. Примерно 45 градусов, щетки расположены к полюсам статора примерно под этим же углом.

Катушки совершенно одинаковой длины, выполняются проводом единого сечения, протяженности. Коллектор считается симметричной конструкцией. Добавим к этому, мотор может питаться переменным и постоянным током. Устройство коллекторного электродвигателя таково, что в катушках направление поля меняется два раза за оборот. Означает, при питании постоянным током внутри процессы таковыми не являются.

Сердечник сформирован тонкими пластинами электротехнической стали, спрессованными, разделенными изоляционным лаком. Коллекторные электродвигатели переменного тока генерируют магнитное поле на статоре, разогревающее сталь. Причинами выступают вихревые токи, эффект перемагничивания. Температура быстро идет вверх. На основе явления действуют индукционные плиты. Разделение сердечника пластинами позволит снизить значимость перемагничивания вихревыми токами. Коллекторные электродвигатели постоянного тока намного проще, КПД выше.

Имеется второе отличие. При питании постоянным током для создания требуемой напряженности магнитного поля статора хватает меньшего количества витков. Поэтому во многих случаях (как и в нашем) обмотка делится двумя частями. Питание идет переменным током (требуется получить максимум оборотов) – в работу включаются все витки. В противном случае – определенная доля. Становится возможным подключение коллекторных электродвигателей к источнику питания. Важно, потому что многие асинхронные машины подобного обращения не терпят.

Статор коллекторного двигателя

Статор коллекторного двигателя

Порядком затронули тему, рассказали, что обмотка статора делится на две части, сердечник собирается пластинами электротехнической стали, избегая вносить потери перемагничивания, вихревых токов. Осталось добавить: полюсов обычно два – северный, южный. Почему? В противном случае понадобилась бы иная конструкция ротора, коллектора.

Полюсы статора сдвинуты на некоторый угол относительно щеток пространственно. Сложно сказать, зачем в точности делается. Для описанной конструкции коллекторного двигателя изменять нельзя, углом сдвига щеток относительно полюсов статора и способом намотки задается правильное распределение полей. Часто неудовлетворительное, тогда выполняют компенсацию.

Принцип действия коллекторного электродвигателя достигает наилучшей фазы путем использования дополнительных обмоток статора. В их задачи входит исправление формы поля. Дополнительные обмотки меньше основных, число аналогичное, расположены меж главными полюсами. Компенсация реактивной ЭДС не требует большой напряженности поля. Витков дополнительных полюсов меньше, сердечник часто сплошной (снижает стоимость изготовления конструкции). Сечение провода часто демонстрирует вид полосы.

Преобладающая часть бытовой техники использует принцип работы коллекторного электродвигателя. В состав реальных приборов часто входят устройства контроля и защиты. В нашем случае термореле серии 3MP корейской фирмы Klixon. В исходном варианте приматывалось к обмотке посредством изоляционной ленты. Часто встретим аналогичного рода термопредохранители, датчики частоты оборотов. Без этого не работает стиральная машина (режим взвешивания белья).

Термореле

Обзор заканчиваем, надеемся, повествование вышло интересным, про вращающееся магнитное поле речь велась не раз, не видим смысла повторяться.

Коллекторный двигатель постоянного тока: устройство, принцип работы

Содержание:

Виды КД

В зависимости от типа питания классифицируют:

  1. Коллекторные двигатели, работающие от источника постоянного тока,
  2. Универсальные — работают как от постоянного тока, так и от переменного.

Устройство и принцип работы двигателя постоянного тока


Коллекторный двигатель постоянного тока состоит из двух основных частей – ротора и статора. Ротор — вращающаяся часть двигателя – несёт на себе обмотку и коллектор. Статор – неподвижная часть двигателя – включает в себя источник постоянного магнитного поля – постоянный магнит или обмотку возбуждения, щётки и корпус.

Обмотка на роторе является одной из основных частей электрического двигателя постоянного тока. По ней течёт ток нагрузки. Обмотка состоит из нескольких сегментов. Их электрические выводы подключены к пластинам коллектора.

Коллектор – представляет собой набор металлических пластин, уложенных параллельно друг другу по цилиндрической поверхности, но не касающихся друг друга. К каждой пластине подключён вывод обмотки ротора. При вращении двигателя коллекторные пластины помогают переключать ток на всё новые секции обмотки, что приводит к дальнейшему вращению двигателя.

Коллекторный мотор с сердечником

Коллекторный мотор без сердечника

Щётки производят переключение секций обмотки по мере вращения электродвигателя и обеспечивают возможность подключения обмотки двигателя на роторе к выводам на корпусе мотора. В зависимости от материала конструкция щёток отличается: графитовые щётки, выполненные в виде прямоугольных брусков или металлические щётки в виде тонких пластин.

Конструкция неподвижной части двигателя – статора – отличается в зависимости от разновидности электродвигателя постоянного тока. У двигателей постоянного тока с обмоткой возбуждения на статоре располагается обмотка возбуждения, чаще всего выполненная на сердечнике из стальных пластин. У двигателей постоянного тока с постоянными магнитами, на статоре расположен постоянный магнит, создающий магнитное поле двигателя.

Обмотка ротора и коллектор установлены на валу, который опирается на подшипники, установленные в боковых фланцах корпуса.

Корпус выступает несущей конструкцией, куда устанавливаются остальные части двигателя, а также может выступать в роли наружной оболочки, защищающей мотор от пыли, грязи и механических воздействий.

Варианты конструкции двигателя

Типы обмоток

Обмотка без стального сердечника

 

Обмотки ротора отличаются между собой по конструкции. Применяются обмотки классической конструкции, намотанные на стальной сердечник, широко распространены полые обмотки без стального сердечника. Кроме того, ротор может иметь печатную обмотку плоской или цилиндрической конструкции. Ротор двигателя классической конструкции, со стальным сердечником, имеет значительный момент инерции, большую индуктивность обмотки и дополнительные потери в стали сердечника ротора. Двигатели с полым ротором и с печатным ротором отличаются низкой инерцией и малыми потерями.

Обмотки отличаются по своему устройству: толщина провода и схема намотки (например наличие параллельных ветвей в обмотке и их количество). Это даёт возможность изготавливать электродвигатели работающие при разном номинальном напряжении и токе.

Обмотки отличаются друг от друга по температурной стойкости, которая обеспечивается выбором соответствующего типа изоляции. Повышенная температурная стойкость позволяет обмотке нагреваться до более высокой температуры, не теряя работоспособности, что даёт возможность мотору работать при более высокой температуре окружающей среды или выдерживать более высокую токовую нагрузку.

Различные материалы магнитов

За время пока существуют электрические двигатели, было разработано и применено на практике немало различных материалов для постоянных магнитов. Ферриты, AlNiCo, SmCo, NdFeB. Основная разница между ними – в их мощности (т.е. в удельной энергии) и температурной стойкости. В настоящее время в высокопроизводительных малогабаритных двигателях с постоянными магнитами чаще всего применяется NdFeB из-за своей высокой мощности и SmCo из-за высокой рабочей температуры.

Типы щёток

 

Графитовые щётки

Металлические щётки

 

 

В настоящее время распространены два материала щёток – графитовые и металлические. Графитовые щётки изготавливаются из медно-графитового сплава и работают с коллектором из медных пластин. Они хорошо работают на больших токах, хорошо переносят частые пуски, но являются источником сильных электромагнитных шумов. Металлические щётки делают из благородных металлов, и они работают коллектором, в котором также применены благородные металлы. Они хорошо работают на небольших токах при малых изменениях скорости вращения и испускают гораздо меньше помех чем графитовые щётки.

Варианты подшипников

Два основных типа подшипников, применяемых в малогабаритных двигателях постоянного тока – шарикоподшипники и подшипники скольжения. В случае применения шарикоподшипников, для снижения осевого биения вала может применяться их предварительное поджатие

Преимущества и недостатки коллекторных двигателей

Простота управления.  Коллекторный двигатель достаточно прост в управлении, особенно когда речь идёт о двигателях с постоянными магнитами. Для того чтобы заставить его вращаться необходим один источник постоянного напряжения. Математическая модель такого мотора достаточно проста, но с её помощью можно реализовывать достаточно сложные алгоритмы управления современными быстродействующими приводными системами. Сопоставимая по возможностям система управления, например, асинхронным двигателем гораздо сложнее математически и требует заметно больше ресурсов при реализации.

Низкая надёжность. Щёточно-коллекторный узел – это скользящий электрический контакт, который серьёзно ограничивает надёжность коллекторных двигателей постоянного тока по сравнению с бесколлекторными.

Отсутствие электронных компонентов. Коллекторные двигатели не содержат электронных компонентов – как например датчики Холла в бесколлекторных моторах, которые необходимы для их работы. Это может давать коллекторным двигателям преимущество при работе, например, в условиях высокой радиации.

Ограничение скорости вращения. Когда щётки перемещаются по пластинам коллектора очень быстро, то начинается искрение, которое сокращает срок службы коллектора и щёток. Для того чтобы искрения не происходило должны быть ограничена скорость перемещения щёток по коллектору и нагрузка на щётки (ток). Максимально допустимая линейная скорость перемещения щёток по коллектору определяется материалами, применёнными для изготовления щёток и коллектора. И именно она является причиной различия в скорости у двигателей с графитовыми щётками и со щётками из благородных металлов.

Области применения

Несмотря на то, что во многих областях происходит активная замена коллекторных двигателей постоянного тока на бесколлекторные, в ряде применений продолжают использоваться коллекторные двигатели:

  • Во многих применениях с жёсткими требованиями по стоимости решения, которые ограничивают применение сложной и дорогой управляющей электроники
  • В  системах, работающих в жёстких условиях (например, высокая температура или радиация) или в которых имеются жёсткие ограничения по размерам.

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:

       


Двигатели Коллекторные Постоянного Тока: Принцип Действия

Машина постоянного тока коллекторная в разрезе

Сегодня уже невозможно представить, что бы мы делали без электрических двигателей. Они применяются буквально везде – в зубных щетках, принтерах, детских игрушках, в автомобилях в банкоматах и многом, многом другом. Двигатели коллекторные постоянного тока очень надежны.

Их конструкция практически не изменилась за последние сто лет. Сегодня мы расскажем вам все, что знаем об этих устройствах, так облегчающих жизнь современному человеку.

Основные понятия

Давайте вкратце пробежимся по строению двигателя, чтобы дальнейший материал был проще для усвоения.

Как устроен двигатель постоянного тока

Электродвигатель постоянного тока коллекторный – строение

На схеме выше вы можете рассмотреть основные части любого коллекторного двигателя постоянного тока. Его строение более чем классическое, и разница в двигателях достигается за счет их мощности и настроек.

Итак, давайте по порядку:

Коллекторный двигатель постоянного тока — якорь

  • Якорь или ротор – это подвижная часть устройства, которая и осуществляет механическую работу. Представляет собой он крепкий металлический вал, который закреплен в корпусе агрегата через подшипники качения, что, собственно, и позволяет детали вращаться.
  • Смотрим на фото выше и идем справа налево, разбирая элементы, установленные на валу.
  • На подшипнике мы видим пылезащитную шайбу. Она не дает механизму забиваться грязью, а также обеспечивает его надежную и мягкую фиксацию внутри металлического корпуса двигателя.
  • Далее идут по кругу короткие параллельные пластины, которые изолированы друг от друга. Эта часть якоря и есть коллекторы двигателей постоянного тока. Их назначение состоит в том, чтобы постоянно во время вращения ротора менять запитываемые участки обмотки якоря, с целью достижения максимальной эффективности работы.

Ремонт коллектора двигателей постоянного тока – в домашних условиях практически невозможен

  • Если вы не в курсе, что такое закон электромагнитной индукции, то сейчас вам, наверняка, стало непонятно, о чем мы только что сказали. Подождите немного, мы дадим разъяснения в следующей главе.
  • Идем дальше. От коллектора отходит в разные стороны припаянная медная проволока. Это выводы обмотки якоря, которая запитывается через коллектор.
  • Далее идет самая толстая и важная часть якоря, состоящая из магнитопровода (сердечника) – шихтованный бочонок, набранный из стальных пластин, и самой обмотки – медных проводов, уложенных определенным образом в пазах магнитопровода.

Интересно знать! Обмотку якоря от абразивной пыли защищает броня из шнура. Абразивная пыль внутри двигателя постоянно образуется из-за трения друг о друга металлических деталей в подшипнике.

  • Венчает ротор пластиковая крыльчатка, которая отвечает за охлаждение двигателя во время его работы.

Электродвигатель коллекторный постоянного тока – статор

  • Вторая, но не менее важна рабочая часть двигателя – это статор. Данная деталь является неподвижной. По сути, статор – это электромагнит, задача которого генерировать направленное магнитное поле.
  • Состоит он из сердечника, также набранного из пластин, и обмотки.

Интересно знать! Обратите внимание, за исключением того, что ток на обмотку статора подается через неподвижные соединения на клеммы, и сама деталь является неподвижной, его строение точно такое же, как и у ротора, что и определяет свойства электрических двигателей.

  • И статор, и ротор удерживаются в правильном положении за счет корпуса, который изготавливается из стали.
  • К корпусу может присоединяться станина, которая обеспечивает устойчивость двигателя, но это уже больше зависит от типа мотора и режима его использования.

Двигатель постоянного тока коллекторного типа нуждается в щетках

  • Следующая важная часть двигателя постоянного тока – это щеточный аппарат. Эти детали является расходуемыми и заменяемыми в процессе эксплуатации. Они обеспечивают скользящий контакт. Именно так коллекторы для двигателей постоянного тока запитываются электричеством.
  • Сделаны щетки из графита. Также есть модели с центральным медным стержнем, такие щетки называются медно-графитовыми.
  • От щеток отходят провода, которые уже последовательно соединяются с системой управления двигателем и источником питания.

Электромагнитная индукция

Разобрав строение двигателя переменного тока с коллектором, давайте немного поговорим о законах физики, благодаря которым, сей агрегат может работать.

Коллекторные двигатели постоянного тока – разбираем принцип работы

  • Итак, суть любого электромотора заключается в преобразовании электрической энергии в кинетическую. То есть в механическое усилие, которое обычно передается на ведомые механизмы через вращающийся вал, посредством различных передач.
  • Основной физический закон, заставляющий двигатель вращаться – это взаимодействие магнитных полей. Закон электромагнитной индукции также очень важен для понимания функционирования этих машин. Давайте попробуем немного в нем разобраться.
  • На схеме выше показано, как функционирует генератор постоянного тока. Не спешите ругаться, принцип работы с двигателем у этого устройства имеет общие моменты и даже более…
  • Мы видим постоянный магнит, создающий поле линии которого направлены от северного полюса к южному.
  • Согласно закону электромагнитной индукции, если поперек этих волн переместить проводник, то в нем образуется электродвижущая сила (ЭДС). Другими словами, в проводнике индуцируется ток.
  • Этот ток ничем не хуже любого другого, а значит, тоже создает магнитное поле вокруг проводника. Данный принцип заложен в работу двигателей с короткозамкнутым ротором. Но в нашем случае магнитное поле от ЭДС оказывает тормозящий эффект.
  • Смотрим на внутреннюю часть схемы. Там мы видим вращающуюся рамку – простейший аналог обмотки якоря.

Так бы работал двигатель постоянного тока, коллектора в котором нет

  • Представим, что изначально рамка стоит горизонтально. Когда происходит вращение, части рамки аб и вг начинают пересекать магнитное поле. Ток начинает расти, пока рамка не займет строго вертикальное положение.
  • Далее ток начинает падать до нуля, пока рамка снова не примет горизонтальную позицию.

Интересно знать! Падение происходит за счет того, что в таком положении проводники уже не пересекают магнитное поле, а скользят по его линиям.

  • Данное положение является противоположным изначальному – части рамки поменялись местами.

Направление, в котором течет ток в проводнике, зависит от того, в какую сторону проводник двигается

  • Продолжаем вращение. Ток начинает снова расти, но согласно правилу левой руки, он сменит свое направление в цепи на противоположное. Именно так действует генератор переменного тока. Его отличие от героя нашего обзора состоит в том, что у него нет коллектора, а вместо него используется сплошное контактное кольцо. Такой ток в графическом виде представляется как синусоида – смотрите изображение ниже, пункт «b».

Коллекторы для электродвигателей постоянного тока не дают току менять свое направление

  • Смысл назначения коллектора в том, что он не дает току менять направление. Напоминаем, коллектор состоит из изолированных пластин, которые контактирую со щетками так, чтобы при смене полуоборотов рамки, они менялись местами.
  • Графически ток, выдаваемый такой рамкой, показан на схеме выше, пункт «с».

Итак, это была вводная информация, которая позволит вам лучше понять то, о чем мы будем говорить во второй части статьи.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Коллекторные электродвигатели постоянного тока

Уникальным свойством коллекторных машин является обратимость этих устройств. Что под эти понимается?

  • Все просто! Данные агрегаты способны работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора постоянного тока, при соответствующем подключении статора и ротора двигателя.
  • Когда машина постоянного тока подключается к источнику энергии, ток начинает бежать в обмотках ротора и статора агрегата. И там и там моментально образуются электромагнитные поля – якоря и возбуждения. Взаимодействие этих полей создает на роторе некий электромагнитный момент (М).
  • Этот момент является вращающим, не обладающий тормозящим эффектом, как в генераторе тока.
  • Под действием момента М якорь приходит в движение. При этом потребляется электрическая энергия из питающей сети.
  • Когда ротор приходит в движение, в его обмотке начинает индуцироваться ЭДС, подобно тому, как мы описывали в предыдущей главе.

Электродвигатели постоянного тока коллекторные – правило правой руки поможет определить направление магнитного поля обмотки якоря

  • Направление ЭДС легко определяется по правилу левой руки, подробное описание которого представлено на рисунке выше.
  • Интересно то, что данная ЭДС будет направлена в противоположную сторону питающему ротор току, поэтому данная сила называется противо-ЭДС, то есть она тормозит якорь.
  • Если не вдаваться в формулы и расчеты, то можно просто сказать, что при увеличении электромагнитного момента, то есть, когда возрастает нагрузка на вал двигателя, происходит рост мощности в обмотке якоря (на входе двигателя).
  • Мы знаем, что напряжение, подводимое к двигателю, постоянно остается неизменным, а значит, из-за возрастания нагрузки происходит рост питающего ротор тока.
  • Другими словами, частота вращения якоря будет прямо пропорциональной напряжению и обратно пропорциональной возбуждающему потоку. Растущий ток повышает момент вращения при неизменном нагрузочном моменте
  • Говоря еще проще, зажмите чем-нибудь вал двигателя. При этом замедлится его вращение, а сила тока возрастет. Увеличьте силу тока без нагрузки на вал, он раскрутится сильнее, все просто.

Интересно знать! Если нагрузка на вал будет настолько сильной, что во время работы заставит вращаться его в обратном направлении, двигатель перейдет в режим генератора.

Разновидности двигателей постоянного тока

Коллекторный электродвигатель постоянного тока для компактных устройств

Все двигатели постоянного тока можно разделить по их мощности и назначению:

  • Самые маленькие экземпляры имеют мощность в единицы Ватт.
  • Их обычно устанавливают в небольшие устройства и детские игрушки. Их рабочее напряжение варьируется в пределах 3-9 Вольт, что могут обеспечить обычные батарейки.
  • Строение основных рабочих частей таких двигателей следующее: трехполюсной ротор, коллектор с соответствующим количеством пластин, двухполюсной статор, роль которого выполняют постоянные магниты.
  • Электродвигатели коллекторные постоянного тока средней мощности, которые выдают десятки ватт.
  • Их строение немного отличается: многополюсной ротор и коллектор, щеточный аппарат из двух или четырех щеток, четырехполюсной статор на постоянных магнитах.

Двигатели постоянного тока коллекторные

  • Мощные агрегаты, выдающие и потребляющие сотни и тысячи Ватт энергии, имеют практически такое же строение, но вместо маломощных постоянных магнитов в них используются электрические.

Способы возбуждения двигателей постоянного тока

Способы подключения двигателей постоянного тока

Существует четыре способа возбуждения двигателя постоянного тока.

Независимое возбуждение

Не трудно догадаться, что при такой схеме якорь двигателя питается от основного источника постоянного тока – от сети, генератора или выпрямителя, а обмотка возбуждения подключена к дополнительному источнику.

  • Обмотка возбуждения имеет регулировочный реостат, позволяющий контролировать режимы работы двигателя.
  • К цепи обмотки ротора подключается пусковой реостат. Его назначение — ограничение тока при пуске двигателя.
  • Особенностью такой схемы является то, что возбуждающие токи от токов нагрузки не зависят, а значит, магнитный поток двигателя практически не будет зависеть от нагрузки. То есть зависимость частоты вращения и момента будут линейными.
  • Огромный недостаток такого двигателя, это то, что если его включить без нагрузки, частота вращения станет очень большой, что может привести даже к выходу его из строя. Ток в обмотке якоря сильно возрастает, из-за чего может возникнуть круговой огонь.
  • От работы двигателя в таком режиме защищает автоматика, которая отключает подачу питания.

Интересно знать! Чисто теоретически, работа в таком режиме не может заставить постоянно увеличиваться скорость вращения ротора. Она прекратит нарастать, когда противо-ЭДС достигнет значения напряжения питания.

  • Если во время работы такого двигателя произойдет разрыв цепи возбуждения, при условии, что нагрузка на валу близка к номинальной, двигатель остановится, так как электромагнитный момент станет меньше, чем нагрузка на валу. В этом случае ток на обмотке якоря также резко возрастет, что приведет к его перегреву и прочим неприятным последствиям.
Параллельное возбуждение

Схема параллельного возбуждения

В этой схеме обе обмотки питаются от одного источника. В цепи также включены два реостата – регулировочный и пусковой.

  • Несмотря на подключение к одной сети, питание, по сути, остается независимым, а значит, ток обмотки возбуждения, также не будет зависеть от тока обмотки якоря.
  • Двигатель с таким подключением имеет такие же характеристики, как и независимый.
  • Тем не менее, разница есть – такой мотор будет работать только при условии, что напряжение источника питания остается неизменным.
Последовательное возбуждение

Схема с последовательным возбуждением

Обмотка возбуждения имеет последовательное с якорем подключение.

  • Для ограничения пускового тока в цепь может быть включен пусковой реостат, также может быть включен и реостат регулировочный.
  • При таком подключении токи обмоток уже имеют зависимость друг от друга. При включении реостата они будут равными, а значит, магнитный поток будет зависеть от нагрузки.
  • Магнитная система машины не будет насыщенной, пока ток обмотки якоря будет составлять 80-90% от номинального тока. Магнитный поток будет изменяться прямо пропорционально току, из-за чего скоростная характеристика агрегата будет мягкой.
  • При возрастании тока частота вращения такого двигателя падает. Это происходит из-за возрастания падения напряжения в сопротивлении цепи обмотки якоря, а также из-за того что растет магнитный поток.
  • Когда ток становится больше номинального, зависимости частоты вращения и момента становятся линейными, ведь магнитная цепь становится насыщенной, то есть при изменении тока магнитный поток больше изменяться не будет.

Механическая характеристика двигателя

  • Механическая характеристика такого двигателя имеет гиперболическую форму. При малых нагрузках будет сильно уменьшаться магнитный поток, а частота вращения возрастать, что также может привести к тому, что двигатель пойдет вразнос.
  • Это обстоятельство ограничивает применение сих агрегатов в системах, предполагающих работу на холостом ходу или с низкими нагрузками.

Интересно знать! Минимально допустимая нагрузка для двигателей с последовательным возбуждением составляет 20-25% от номинального значения. Чтобы не допустить включение двигателя без нагрузки, его присоединяют с приводом через жесткую глухую муфту или зубчатую передачу. Ременные передачи и фрикционные муфты использовать нельзя, так как может случиться обрыв, а последствия вам уже известны.

Что интересно, несмотря на такой недостаток, эти двигатели очень распространены, особенно там, где имеется изменение нагрузки и тяжелые условия пуска, например, в электровозах, электрокарах, тепловозах и прочем.

И объяснить это очень просто – при мягкой характеристике возрастание нагрузки не приводит к сильному росту тока и потребляемой энергии, а значит, с перегрузками данные агрегаты справляются лучше. Также не забываем про высокий пусковой момент, чего лишены рассматриваемые ранее варианты двигателей.

Смешанное возбуждение

Двигатель со смешанным возбуждением

Магнитный поток внутри такого двигателя создается благодаря совместному взаимодействию двух обмоток возбуждения. Одна из них подключена независимо или параллельно, а вторая последовательно.

  • Механическая характеристика такого агрегата представляет собой нечто среднее между предыдущими вариантами.
  • Большим преимуществом такого двигателя является возможность работать в холостом режиме, обладая при этом мягкой характеристикой.

Интересно знать! В режиме холостого хода частота вращения зависит от магнитного потока обмотки, подключенной параллельно.

  • К достоинствам таких двигателей можно отнести простоту производства, эксплуатации и ремонта. Они имеют солидный рабочий ресурс.
  • Из недостатков выделяются – низкомоментность и быстроходность.

При замедлении скорости вращения они становятся малоэффективными, их сложно охладить.

Немного об универсальности

На фото — электродвигатель постоянного тока универсальный коллекторный

Давайте немного поговорим про универсальные коллекторные двигатели. Суть этих агрегатов заключается в том, что они могут работать как от постоянного, так и от переменного токов.

  • Используются такие машины в основном на электроинструменте, и некоторой бытовой технике, так как имеет малые размеры и легкую регулировку скорости вращения вала.
  • По сути, эти двигатели являются ДПТ с последовательно запитанными обмотками, просто они оптимизированы для работы от общественной сети переменного тока.
  • Данный двигатель будет вращаться в одну сторону вне зависимости от того в какую сторону бежит ток по обмоткам, хотя противофазный эффект имеет место быть, но он незначителен.
  • Подробно об этом мы писали в недавней статье про двигатели переменного тока, если интересно, советуем ознакомиться.

На этом закончим наш обзор. Как видите, коллектор электродвигателя постоянного тока это небольшая, простая, но очень важная деталь, отличающая такие моторы от вариантов, работающих на переменном токе. Видео, которое мы подобрали, поможет еще лучше усвоить материал.

Коллекторный двигатель постоянного тока | АВИ Солюшнс

В отечественной классификации двигатели, о которых пойдёт речь ниже, обычно называют двигателями постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Вообще говоря, двигатели постоянного тока могут иметь различную конструкцию (например, с возбуждением от обмотки возбуждения), но среди двигателей малой мощности, массово применяемых в сервоприводах в основном применяются именно двигатели с постоянными магнитами.


Как работает коллекторный двигатель?

Коллекторный двигатель постоянного тока имеет обмотку на роторе и постоянный магнит на статоре. Обмотка ротора состоит из нескольких сегментов, которые подключены к пластинам коллектора. Щётки, перемещающиеся по коллектору, обеспечивают передачу электрического тока между статором и ротором, а также переключение сегментов обмотки при вращении ротора. При подаче постоянного напряжения к выводам двигателя электрический ток протекает через щётки и коллектор в сегменты обмотки, подключённые к пластинам коллектора на которых в настоящий момент стоят щётки. Ток, протекающий по обмотке ротора, взаимодействует с магнитным полем постоянных магнитов, создавая крутящий момент, который поворачивает ротор. При вращении ротора сегменты коллектора переключаются, позволяя току протекать через  другие участки обмотки. Ток, протекающий через постоянно поворачивающиеся секции обмотки ротора, постоянно создаёт крутящий момент. При приложении к обмотке постоянного напряжения коллекторный двигатель вращается с постоянной скоростью.

Возможные варианты и специальные случаи

Выпускаемые сейчас бесколлекторные двигатели могут иметь самую разную конструкцию. 
Коллекторные двигатели постоянного тока могут выпускаться с различной технологией изготовления обмотки. Есть двигатели с классической обмоткой, намотанной на стальной сердечник, и двигатели с полой цилиндрической обмоткой без стального сердечника. С точки зрения параметров имеется определённая разница между обмотками различных типов. Во-первых, классическая обмотка имеет существенно большую индуктивность, чем полая цилиндрическая обмотка, и соответственно большую постоянную времени. По этой причине, полая цилиндрическая обмотка допускает более динамичное изменение тока (момента), однако при работе от контроллера двигателя с невысокой частотой ШИМ модуляции для сглаживания пульсаций тока требуются фильтрующие дроссели большей индуктивности (а соответственно и большего размера). Во-вторых, классическая обмотка имеет большой момент инерции. При расположении обмотки на роторе, момент инерции ротора увеличивается, что отрицательно сказывается на динамике двигателя, особенно в случае работы на малоинерционную нагрузку. Кроме того, классическая обмотка, как правило, имеет заметно больший момент магнитной фиксации, а также меньший КПД, чем полая цилиндрическая обмотка.

Коллекторные двигатели могут также отличаться материалом, использованным при изготовлении щёток. В настоящее время при изготовлении коллекторных двигателей  малой мощности применяются главным образом две технологии – графитовые и металлические щётки. Графитовые щётки изготавливаются из медно-графитового сплава и представляют собой бруски сложной формы, прижимаемые к коллектору пружинами. Коллектор в этом случае изготавливается из меди. Такие щётки хорошо работают с большими токами и в тяжёлых режимах (старт-стоп, реверс). При этом они создают больше помех и приводят к большим значениям тока холостого хода двигателя и к несколько более высоким потерям. Металлические щётки изготавливаются с использованием благородных металлов. В качестве материала для щёток применяется бронза с напылением в области контакта с коллектором. Щётки имеет форму плоской пластины, которая пружинит при прижатии к коллектору. В качестве материала для коллектора используется сплавы благородных металлов. Эти щётки плохо выдерживают большие токи и резкие броски тока, но хорошо работают на постоянных нагрузках и имеют низкие шумы.

Отличия от других типов двигателей

Одно из основных отличий коллекторного двигателя от бесколлекторных ДПТ и от синхронных двигателей с постоянными магнитами – это наличие щёточно-коллекторного узла. Эта часть двигателя отличается повышенным износом, поскольку представляет собой электрическое соединение подвижных частей. Щёточно-коллекторный узел – это один из факторов ограничивающих срок службы и скорость коллекторного двигателя. С другой стороны, коллекторные двигатели выгодно отличаются простотой управления. 

Когда нужен коллекторный двигатель?

Несмотря на срок службы и удельную мощность меньшие, чем у бесколлекторных двигателей, коллекторные двигатели по-прежнему представлены в каталогах производителей и продолжают применяться в различных проектах.

В тех случаях, когда в системе предполагается использование управления двигателем без использования обратной связи, коллекторный двигатель имеет очевидные преимущества: для его работы в таком случае можно обойтись без специализированного контроллера – достаточно обычного источника питания. Если двигатель подключается к управляющей электронике более или менее длинным кабелем, то будет существенна разница по количеству проводов, требуемых для подключения двигателя: 2 у коллекторного против 8 у бесколлекторного (с учётом датчиков Холла). В проектах, где пользователь управляющую электронику разрабатывает самостоятельно, может быть существенно то, что для коллекторного двигателя структура её программной части и аппаратная часть могут быть несколько проще.  

Двигатели постоянного тока

| Принцип работы | Ресурсы для инженеров

Электродвигатели, работающие на электромагнетизме. Однако существуют и другие типы двигателей, в которых используются электростатические силы или пьезоэлектрический эффект. В случае двигателя PMDC (постоянного магнита постоянного тока) движение создается электромагнитом (якорем), взаимодействующим с магнитом с фиксированным полем (корпус в сборе).

В щеточном двигателе электрический ток протекает через клеммы двигателя в узле торцевой крышки, который входит в контакт с коммутатором в узле якоря через угольные щетки или щеточные листы.Электрический ток питает катушки, создавая магнитное поле, заставляющее якорь вращаться, когда он взаимодействует с магнитами, заключенными в корпус в сборе. Правило левой руки Флемминга помогает определить направление силы, тока и магнитного потока.

В бесщеточном двигателе, когда электричество подается на вывод двигателя, ток течет через фиксированное поле статора и взаимодействует с движущимся постоянным магнитом или движущимся индуцированным магнитным полем внутри ротора / якоря.После того, как движение и силовая нагрузка будут удовлетворены доступным источником тока, он возвращается обратно к источнику, выходящему из двигателя.

Ключевые элементы, взаимодействующие для создания движения

Магнитный поток — Двигатель может иметь катушку с фиксированной обмоткой или статор с постоянным магнитом и якорь с подвижной обмоткой или ротор с постоянными магнитами, которые будут иметь взаимодействующие поля магнитного потока для создания силы и движения.

Сила — Величина тока, протекающего через электромагнитное поле, пропорциональна величине силы взаимодействующего электромагнитного поля, необходимой для достижения противоположной рабочей нагрузки.Помимо силы и движения, необходимых для устройства, необходимо учитывать любую потерю эффективности при преобразовании электроэнергии в механическую работу (ватты).


Обзор шагового двигателя

Что такое шаговый двигатель

Шаговые двигатели работают иначе, чем другие двигатели постоянного тока, которые просто вращаются при подаче напряжения. Вращательный шаговый двигатель — это электромеханическое устройство, которое может разделить один полный оборот (360 °) на большое количество шагов вращения. Шаговые двигатели управляются электроникой и не требуют дорогостоящих устройств обратной связи.Линейный шаговый двигатель подобен вращающемуся двигателю, за исключением того, что вал движется линейно или продольно. Оба типа имеют две схемы обмотки для своих электромагнитных катушек: униполярную и биполярную. Униполярный означает, что каждый конец катушки имеет одну полярность. Рекомендуемый стабилитрон используется для обеспечения быстрого спада тока в отключенной катушке. Это приведет к увеличению крутящего момента двигателя, особенно на более высоких частотах.

Биполярный означает, что каждый конец катушки имеет обе полярности.Катушка будет положительной и отрицательной во время каждого цикла движения. Поскольку каждая катушка используется полностью, двигатель имеет более высокий крутящий момент по сравнению с униполярной катушкой. Биполярный драйвер может включать в себя возможность управления постоянным током, называемую приводом прерывателя. Это обеспечит увеличенный выходной крутящий момент на более высоких частотах и ​​снизит влияние колебаний температуры и напряжения питания.

Основы шагового двигателя

Шаговый двигатель PM или «консервная банка» — недорогое решение для ваших приложений позиционирования с типичным углом шага 7.5 ° — 15 °. Меньшие углы шага можно получить с помощью Microstepping. Вал двигателя перемещается с определенными шагами при подаче электрических управляющих импульсов. Текущая полярность и частота подаваемых импульсов определяют направление и скорость движения вала.

Одним из наиболее значительных преимуществ шагового двигателя является его способность точно регулироваться в системе с разомкнутым контуром. Управление без обратной связи означает, что обратная связь о положении вала не требуется.Этот тип управления устраняет необходимость в дорогостоящих устройствах обратной связи, просто отслеживая входные ступенчатые импульсы. Шаговый двигатель — хороший выбор, когда требуется контролируемое движение. Они рекомендуются в приложениях, где необходимо контролировать угол поворота, скорость, положение и синхронизм. Возможности фиксации, удержания, втягивания и извлечения крутящего момента, скорости (об / мин) и шагов на оборот (угол шага) характеризуют шаговый двигатель.

Момент фиксации — определяет максимальный крутящий момент, который может быть приложен к обесточенному двигателю, не вызывая вращения двигателя.

Удерживающий момент — определяет максимальный крутящий момент, с которым двигатель, находящийся под напряжением, может быть нагружен, не вызывая вращательного движения.

Pull-In — производительность определяет способность двигателя запускаться или останавливаться. Это максимальная частота, при которой двигатель может запускаться или останавливаться мгновенно с приложенной нагрузкой без потери синхронизации.

Pull-Out определяет максимальный крутящий момент при применении рампы ускорения / замедления без потери шагов.Он определяет максимальную частоту, на которой двигатель может работать без потери синхронизма.

Наш шаговый двигатель можно комбинировать с полной линейкой редукторов для увеличения крутящего момента и снижения скорости.

Двигатели переменного тока

| Принцип работы | Ресурсы для инженеров

Универсальные моторы

Универсальный двигатель — это однофазный последовательный двигатель, который может работать как на переменном (ac), так и на постоянном (dc) токе, и характеристики одинаковы как для переменного, так и для постоянного тока.Обмотки возбуждения последовательных двигателей соединены последовательно с обмотками якоря

.
Основные принципы Universal Motors

Областями электрического проектирования универсального двигателя являются магнитная цепь, обмотки возбуждения и якоря, коммутатор и щетки, изоляция и система охлаждения.


Процесс коммутации универсальных двигателей

Тактико-технические характеристики универсальных двигателей

Двигатели с экранированными полюсами

Двигатель с экранированными полюсами — это однофазный асинхронный двигатель переменного тока.Вспомогательная обмотка, состоящая из медного кольца, называется затеняющей катушкой. Ток в этой катушке задерживает фазу магнитного потока в этой части полюса, чтобы обеспечить вращающееся магнитное поле. Направление вращения — от незатененной стороны к закрашенному кольцу.


Основные принципы двигателя с экранированными полюсами
  • Эта система затеняющих катушек (кольцо) смещает ось затененных полюсов от оси основных полюсов
  • Когда питание подается на статор, магнитный поток в основной части полюса индуцирует напряжение в затеняющей катушке, которая действует как вторичная обмотка трансформатора.
  • Так как ток во вторичной обмотке трансформатора не в фазе с током в первичной обмотке.
  • Ток в затеняющей катушке не в фазе с током в основной обмотке возбуждения.
  • Таким образом, поток затеняющего полюса не совпадает по фазе с потоком основного полюса.


Вращающееся поле двигателя с экранированными полюсами

Двигатели синхронные

Синхронные двигатели переменного тока — это электродвигатели с постоянной скоростью, которые работают синхронно с частотой сети.Скорость синхронного двигателя определяется количеством пар полюсов и всегда является отношением частоты сети.

  • Статор снабжен двумя простыми катушками, которые можно напрямую подключить к сети.
  • Ротор состоит из цилиндрического постоянного двухполюсного магнита, диаметрально намагниченного.


Основные принципы синхронных двигателей

Что такое двигатель постоянного тока. Коллекторный двигатель постоянного тока

Доброго времени суток уважаемые читатели! В предыдущих статьях электродвигатели считались переменным током.В этой же статье я расскажу о двигателях, работающих на постоянном токе. Будет рассмотрено их устройство и, немного, история и принцип работы. Давайте начнем.

Принцип действия электродвигателя постоянного тока этих машин основан на отталкивающем эффекте подобного и притягивании противоположных полюсов магнита. Первое подобное устройство придумал русский инженер Якоби. В 38-м году 19 века появилась первая модель промышленного масштаба и с тех пор серьезных изменений в конструкции не происходило.

Коллекторные двигатели постоянного тока

Если брать моторы малой мощности, то в них обязательно присутствует один из магнитов (монтируется непосредственно на кузове автомобиля).

Вторая появляется после подачи питания на обмотку якоря. Для этого используется специальный тип устройства, именуемый узлом коллекторной щетки. Коллектор представляет собой токопроводящее кольцо, которое закреплено на валу двигателя. К нему подключаются выводы обмоток якоря.

Для возникновения крутящего момента необходима постоянная смена полюсов якорного магнита.Это нужно делать в тот момент, когда якорь проходит через «магнитную нейтраль». Конструктивно это осуществляется разделением коллекторного кольца на части (секторы) с помощью непроводящих пластин.

Выводы обмоток якоря цепляются за сектора по очереди. Для соединения коллектора и источника питания используются щетки — стержни из графита с высокой электропроводностью и малым коэффициентом трения о скольжении.

Двигатели большой мощности не поставляются с физическими магнитами из-за того, что это сильно утяжелит их конструкцию.

В этих машинах для создания постоянного магнитного поля используются металлические стержни с обмотками, подключенные к положительной или отрицательной силовой шине. Полюса одного типа подключаются поочередно (последовательно).

Двигатель может иметь одну или четыре пары полюсов. Количество щеток токосъемника должно соответствовать количеству пар полюсов. Для моторов с большой мощностью предусмотрены некоторые конструкторские хитрости. Один из них — переместить щеточный узел на определенный угол по отношению к вращению против пуска двигателя и изменения нагрузки на него.

Это сделано для того, чтобы компенсировать эффект «якорной реакции», который приводит к торможению вала, что приводит к снижению КПД двигателя.

Бесщеточные двигатели постоянного тока

Мы рассмотрели двигатели коллекторного типа. Однако, кроме них, есть еще устройства, не имеющие коллекторов. Двигатели этого типа имеют ротор, на котором установлены постоянные магниты, и статор с обмотками. Есть два типа таких двигателей: Inrunner (с магнитами внутри ротора) и Outrunner (у них есть магниты снаружи, вращающиеся вокруг статора с обмотками).

Автомобили первого типа, как правило, используются в двигателях с большим числом оборотов и малым числом полюсов. Второй тип используется, если вы хотите заполучить двигатель с большим крутящим моментом и низкой скоростью. По конструкции двигатели Inrunner являются наиболее простыми, поскольку их статор может одновременно служить кожухом, и, следовательно, на нем можно устанавливать крепежные устройства.

В двигателях Outrunner вращающаяся часть является внешней частью. Двигатель установлен на неподвижном валу или других частях статора.Если такой двигатель используется как мотор-колесо, то он фиксируется с помощью неподвижной оси и введения проводов статора через его полую ось.

Число полюсов ротора всегда четное. Магниты, используемые в этих двигателях, обычно имеют прямоугольную форму. Иногда, конечно, используются цилиндрические магниты, но это гораздо реже. Магниты устанавливают так, чтобы их полюса чередовались.

Не всегда бывает, что количество магнитов и количество полюсов совпадают (может случиться так, что несколько магнитов образуют один полюс).

Размеры магнитов, установленных в двигателях, разные и зависят от самого двигателя и его характеристик. Мощность используемых магнитов зависит от момента силы, развиваемой на валу.

Магниты крепятся к ротору с помощью специального клея (есть, конечно, варианты с магнитными держателями, но гораздо реже). Сам ротор может быть выполнен как из магнитопроводящего материала (сталь), так и из немагнитного (алюминиевые сплавы, пластмасса и т. Д.).) и комбинированный.

Обмотки трехфазных двигателей без коллектора намотаны медным проводом. Проволока бывает одножильной и многожильной. Статоры этих двигателей изготовлены из гнутых листов стали, которая является токопроводящей.

У статора должно быть столько зубцов, чтобы их количество делилось на количество рабочих фаз. Статор может иметь такое количество зубцов, что оно больше и меньше полюсов ротора.

Самый простой двигатель с тремя полюсами статора.Однако такая конструкция используется очень редко (поскольку в любой момент времени работает всего пара фаз, в результате чего возникает вибрация и искажения). Чтобы избавиться от этих неприятных явлений, делается много полюсов, а обмотки между ними равномерно распределяются. В этом случае дисбаланса магнитных сил нет.

Кроме того, такие двигатели могут быть оснащены или не оснащены датчиками положения ротора. Датчики в большинстве своем работают по принципу эффекта Холла.Они реагируют на магнитные поля и расположены на статоре так, что магниты ротора действуют на них (то есть под углом 120 градусов между собой). Естественно, это 120 электрических градусов.

Датчики могут располагаться как внутри, так и снаружи двигателя. Второй способ можно укомплектовать двигателями, изначально не имеющими датчиков.

Иногда датчики надеваются на специальное устройство, допускающее небольшое перемещение датчиков. При этом, если требуется реверс такого двигателя, то устанавливается второй комплект датчиков Холла, настроенных на противоположное направление вращения.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то упустил. Загляните, буду рад, если найдете на моем еще что-нибудь полезное. Всего наилучшего.

Характерной особенностью коллекторных машин является наличие в них коллектора — механического преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость такого преобразователя объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, поскольку только в этом случае в машине происходит непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии.

К коллекторным машинам постоянного тока относятся двигатель постоянного тока dpt и генератор постоянного тока , которые имеют одинаковый дизайн и могут заменять друг друга, то есть DPT может работать как GPT и наоборот. Разберем устройство коллекторной машины на примере двигателя постоянного тока.

Коллекторная машина постоянного тока состоит из:

Конструктивно статор может быть двух типов:

  • сборные — состоит из одинарной вытянутой трубы и прикрепленной к ней внутри опор.Сердечник опоры изготавливается в виде стального прутка или из многослойных пластин 0,5-1 мм. Обмотка полюса наматывается на сердечник. Обмотки полюсов соединены последовательно и образуют обмотку возбуждения, которая при подключении к источнику постоянного тока создает магнитное поле в магнитной системе двигателя.
  • твердые смешанные — применяется в машинах мощностью от 600 Вт и более. Он состоит из пакета пластин электротехнической стали сложной конфигурации толщиной 0.35 — 0,5 мм.

Устройство щеточно-коллекторное разветвленное.

Самым сложным и ненадежным местом коллекторной машины является щетка коллекторного узла , который состоит из щеток (которые прикреплены к держателям щеток) и коллектора, который состоит из набора трапециевидных пластин коллектора, разделенных миканитовыми прокладками. Пластины из меди и миканита удерживаются в сжатом состоянии внизу, имеющем форму «ласточкин хвост», с помощью стальных конических колец 1 (рис.13.2). Выступающая часть пластин коллектора 6, называемая «петушком», служит для крепления секций обмотки якоря к пластинам коллектора. Пластины коллектора изолированы от конических колец миканитовыми манжетами 3, а от втулки 5 — изолирующим цилиндром из миканита 4.

Поверхность медных пластин коллектора в процессе работы станка постепенно истирается щетками. Чтобы миканитовые прокладки не выступали над рабочей поверхностью медных пластин, что могло привести к нарушению электрического контакта коллектора со щетками, необходимо периодически проводить «продороживание» коллектора.Эта операция заключается в фрезеровании канавок (дорожек) между рабочими поверхностями пластин коллектора на глубину 1,5 мм (рис. 13.4).

Достоинства и недостатки коллекторных машин постоянного тока.

Электрические машины постоянного тока используются как в качестве генераторов, так и двигателей. Наибольшее распространение получили электродвигатели постоянного тока, диапазон мощности которых достаточно широк: от долей ватта (для привода устройств автоматики) до нескольких тысяч киловатт (для привода прокатных станов, шахтных подъемников и других крупных механизмов).

Двигатели постоянного тока

широко используются для привода подъемных устройств, таких как двигатели и приводы кранов. автомобиль, а также тяговые двигатели.

Основные преимущества двигателей dC по сравнению с бесщеточными двигателями переменного тока — хорошие пусковые и регулировочные свойства, возможность получения частоты вращения более 3000 об / мин, ограничения — относительно высокая стоимость, некоторая сложность изготовления, пониженная надежность. Эти недостатки машин постоянного тока связаны с щетками щетками отрывной узел , который также является источником радиопомех и пожароопасности.Но, несмотря на отмеченные недостатки, двигатели постоянного тока в некоторых случаях пока незаменимы, поскольку обладают большой перегрузочной способностью, хорошими пусковыми и регулировочными свойствами.

Исторически первый электродвигатель работал на постоянном токе, поскольку на момент его изобретения в 1834 году Борисом Якоби единственным источником тока были гальванические батареи.

Принцип работы двигателя постоянного тока прост: в простейшем случае он имеет одну пару полюсов на статоре и роторе, а направление тока в обмотке ротора дважды за оборот меняют с помощью специального устройства — коллектор, представляющий собой набор пластин, соответствующий количеству обмоток ротора.

При вращении ротора различные секции обмотки соединяются последовательно через щетки с внешним источником постоянного тока. Поскольку электродвигатель с биполярным ротором имеет две мертвые точки, в которых запуск без внешнего импульса невозможен (полюса ротора находятся точно напротив полюсов статора, и результирующая сила отталкивания равна нулю), на практике используются только многополюсные роторы. . Кроме того, увеличение числа полюсов увеличивает равномерность вращения ротора.

Подключение обмотки якоря может быть различным:

Независимое.

Обмотка ротора не имеет прямого соединения со статором, это соединение используется в схемах с регулированием скорости.

Серийный.

Обмотка якоря последовательно соединена со статором. При увеличении нагрузки на серийно-электродвигатель обороты его резко падают (но возрастает крутящий момент), при уменьшении нагрузки возможен междурядье. По этой причине последовательное возбуждение не используется там, где возможен холостой ход двигателя.Классический пример серийного двигателя — автомобильный электростартер.

Шунт

Якорь подключается параллельно статору. В случае перегрузки крутящий момент на роторе не меняется, при отсутствии нагрузки разъединение не происходит.

Смешанный.

Якорь имеет две обмотки, соединенные последовательно со статором и параллельно ему. По электромеханическим характеристикам составные электродвигатели находятся между последовательными и параллельными — они способны повышать крутящий момент при увеличении нагрузки и в то же время не склонны к холостому ходу.

Составное возбуждение часто используется в электроинструментах, где необходимо ограничить максимальную скорость и сопротивление росту нагрузки.

В зависимости от взаимного направления магнитных потоков обеих обмоток различают прямое и обратное смешение: при обратном включении и правильной конструкции ротора можно поддерживать стабильные обороты при изменении нагрузки, но эта схема склонна к периодическим колебания скорости вращения.

Магнитное поле статора постоянно, поэтому статор может быть выполнен из мощных магнитов без обмотки.Это снижает стоимость меди для производства электродвигателя и снижает его стоимость.

Сфера применения двигателей постоянного тока — это в первую очередь устройства и системы с батарейным питанием: от микромоторов карманных игроков до мощных автомобильных электростартеров, тяговых двигателей легких электромобилей и электромобилей, а также электроинструментов с батарейным питанием.

При всех своих достоинствах (простота устройства, высокий КПД, простота реверса) двигатели постоянного тока имеют ряд серьезных недостатков:

  1. При вращении ротора в цепи питания возникает импульсный шум в момент приращения ламели коллектора. проходит мимо щеток, к которым добавляются радиопомехи из-за искрения на коллекторе.
  2. Сам коллектор и токопроводящие щетки неизбежно изнашиваются. Неравномерный износ ламелей коллектора и изолятора между ними может привести к нарушению контакта между щетками и коллектором, снижению мощности и прогоранию ламелей.
  3. В некоторых случаях искрение щеток увеличивается настолько, что возникает так называемое «кольцевое пламя» — непрерывная область ионизированного воздуха, окружающая коллектор, с разрушительными последствиями. Чтобы противодействовать этому, чаще всего применяется принудительная вентиляция зоны коллектора, выводящая ионизированный воздух наружу.

УПРАВЛЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Наиболее очевидный способ управления скоростью двигателя постоянного тока — это изменение тока в его обмотках и, следовательно, магнитного потока. Изначально в силовую цепь ротора был включен мощный реостат, но этот способ управления имел очевидные недостатки:

Сложность автоматического поддержания оборотов.

Двигатель с реостатом приводился либо вручную, либо с центробежным регулятором.В любом случае резкое увеличение нагрузки не удалось быстро компенсировать.

Большие потери мощности.

На мощных электродвигателях реостат значительно нагревался, снижая эффективность двигательной установки и требуя введения дополнительного охлаждения.

Применение линейного стабилизатора для управления двигателем — это, по сути, замена механического реостата на электронный: изменяя мощность, рассеиваемую линейным стабилизатором, изменяется ток в обмотках двигателя.

Основным преимуществом данной схемы является возможность создания устройств для поддержания скорости с высокой скоростью реакции. Как известно, при вращении коллектора возникают скачки тока в момент подключения следующей секции обмотки ротора.

Частота этих импульсов строго пропорциональна частоте вращения двигателя, что широко используется в устройствах управления коллекторными двигателями. Например, автомобильный стеклоподъемник автоматически отключает питание мотора, перестая фиксировать пульсации тока в цепи питания стеклоподъемника (обнаружение момента остановки мотора).

Совершенствование силовой электроники и, в частности, создание ключей с низким собственным падением напряжения в открытом состоянии (IGBT, MOSFET) позволило создать электронные системы управления широтно-импульсной модуляцией. Суть широтно-импульсной модуляции (сокращенно ШИМ) заключается в изменении длительности импульсов тока при сохранении их постоянной частоты.

Этот метод регулировки имеет гораздо большую эффективность, поскольку нет элемента, на котором рассеивается чрезмерная мощность, как в случае с реостатом или линейным регулятором напряжения.

Основной проблемой широтно-импульсных цепей является индуктивность обмоток двигателя. Это делает невозможным мгновенное увеличение и уменьшение тока, искажая форму прямоугольного сигнала, подаваемого на электродвигатель. В свою очередь, если каскад питания ШИМ-контроллера неправильно спроектирован, это может привести к перегреву переключателей питания и резкому падению КПД.

ЗАПУСК ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В момент включения двигателя постоянного тока в сеть питания происходит значительный скачок тока, так как пусковой ток электродвигателя в несколько раз (при мощностях, измеряемых в киловаттах — до 20) превышает номинальный.По этой причине прямой пуск электродвигателей используется только на малой мощности.

Распространенный способ снизить нагрузку на сеть при запуске электродвигателей большой мощности — это запуск с реостатом. В этом случае в момент включения двигателя цепь ротора запитывается через мощный резистор или набор резисторов, так как набор оборотов закорачивается специальными контакторами. В этом случае осциллограмма тока якоря становится близкой к пилообразной, а амплитуда пульсаций зависит от количества ступеней пускового реостата.

В случаях, когда нагрузка на двигатель находится в определенном заранее определенном диапазоне, запуск реостата выполняется в автоматическом режиме с использованием реле времени. Эта схема используется на ряде электропоездов, но также распространены ручные контроллеры, обслуживаемые машинистами.

Отсутствие реостатного пуска — это большие тепловые потери для реостатов, из-за чего они должны иметь большую мощность и в некоторых случаях искусственное охлаждение.

Это лишено запуска за счет изменения напряжения питания, которое используется в тех случаях, когда источником тока можно управлять, например, в электрических передачах постоянного тока: в момент запуска двигатель, приводящий в действие генератор, работает на минимальная скорость, постепенно набирая их по мере разгона.

Управляемые выпрямители также могут использоваться, но этот метод больше применим к двигателям малой мощности.

© 2012-2017. Все права защищены.

Все материалы, представленные на сайте, носят исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих или нормативных документов.

Бесщеточные двигатели постоянного тока в зарубежной литературе также называются клапанными двигателями BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) или PMSM (Синхронный двигатель с постоянными магнитами).
Конструктивно бесщеточный двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками.Обращаю ваше внимание на то, что в коллекторном двигателе, наоборот, обмотки находятся на роторе.

коллекторный и бесщеточный


Давайте сначала узнаем, как работает коллекторный двигатель.

Чтобы понять, почему бесщеточные двигатели настолько эффективны и обладают большой мощностью, вам необходимо знать, как работает стандартный коллекторный двигатель.

Обычные коллекторные двигатели имеют только два провода (положительный и отрицательный), которые соединяют двигатель с регулятором скорости.Внутри корпуса двигателя можно увидеть два изогнутых постоянных магнита, а в центре — вал с якорем, на который намотаны обмотки из медной проволоки. С одной стороны вала якоря установлена ​​шестерня двигателя, с другой стороны вала — так называемый коллектор из медных пластин, через который с помощью угольных щеток подается ток на обмотки якоря.


Коллекторный двигатель


Две угольные щетки постоянно скользят по вращающемуся медному коллектору.Как вы можете видеть на рисунке выше, напряжение по проводам через щетки и коллектор поступает на обмотки якоря, возникает электромагнитное поле, которое взаимодействует с постоянными магнитами статора и заставляет якорь вращаться.

Как стандартный коллекторный двигатель начинает вращаться.
Когда обмотки якоря попеременно получают постоянное электричество, в них возникает электромагнитное поле, которое с одной стороны имеет «северный» полюс, а с другой — «южный» полюс.Поскольку «северный» полюс любого магнита автоматически отталкивается от «северного» полюса другого магнита, электромагнитное поле одной из обмоток якоря, взаимодействуя с полюсами постоянных магнитов статора, заставляет якорь вращаться. Ток протекает через коллектор и направляется к следующей обмотке якоря, в результате чего якорь вместе с валом двигателя продолжает вращаться, и так далее, пока на двигатель не будет подано напряжение. Как правило, якорь коллекторного двигателя имеет три обмотки (три полюса) — это не позволяет двигателю застрять в одном положении.
Недостатки коллекторных двигателей выявляются, когда от них нужно получить огромное количество оборотов. Поскольку щетки всегда должны контактировать с коллектором, в точке контакта возникает трение, которое значительно увеличивается, особенно на высоких скоростях. Любой дефект коллектора приводит к значительному износу щеток и выходу из строя контактов, что, в свою очередь, снижает КПД двигателя. Вот почему серьезные гонщики шлифуют и полируют коллектор двигателя и меняют щетки почти после каждой гонки.Коллектор в сборе стандартного двигателя также является источником радиопомех и требует особого внимания и обслуживания.

Теперь посмотрим, как работает бесщеточный двигатель.
Главная особенность конструкции девоколлекторного двигателя в том, что он принципиально аналогичен коллекторному, но все устроено как бы «наизнанку», и в нем нет коллектора и щеток. Постоянные магниты, которые установлены на коллекторном двигателе на неподвижном статоре, расположены вокруг вала бесщеточного двигателя, и этот блок называется ротором.Проволочные обмотки бесщеточного двигателя расположены вокруг ротора и имеют несколько различных магнитных полюсов. Бессенсорные бесщеточные двигатели имеют датчик на роторе, который посылает сигналы о положении ротора процессору электронного регулятора скорости.


бесщеточный двигатель

Из-за отсутствия коллектора и щеток в бесщеточном двигателе отсутствуют изнашиваемые детали, кроме шарикоподшипников ротора, что автоматически делает его более эффективным и надежным.Наличие датчика контроля вращения ротора также значительно повышает эффективность. В коллекторных двигателях отсутствует искрение щеток, что резко снижает возникновение помех, а отсутствие узлов с повышенным трением благоприятно сказывается на температуре работающего двигателя, что также увеличивает его КПД.
Единственный возможный недостаток бесщеточной системы — это немного более высокая стоимость, но любой, кто испытал высокую мощность бесщеточной системы, почувствовал красоту отсутствия необходимости периодически заменять щетки, пружины, коллекторы и анкеры, он быстро оценит общую экономия и никогда не возвращаются к коллекторным моторам… никогда!

Помимо основных размеров и различных параметров, бесщеточные двигатели можно разделить по типам: с датчиком и без датчика. Двигатель с датчиком использует очень маленький датчик на роторе и, помимо трех толстых кабелей, по которым двигатель получает питание, имеет дополнительную петлю из тонких проводов, соединяющих двигатель с регулятором скорости. Дополнительные провода передают информацию от датчика о положении ротора сотни раз в секунду.Эта информация обрабатывается электронным регулятором скорости, что позволяет двигателю работать максимально плавно и эффективно. Такие моторы используют профессиональные гонщики, однако такие моторы намного дороже и сложнее в использовании.

Бессенсорная бесщеточная система, как нетрудно догадаться, не имеет датчиков и дополнительных проводов, а ротор таких двигателей вращается без точной регистрации своего положения и оборотов регулятором скорости. Это упрощает изготовление, установку и, как правило, удешевление двигателя и регулятора скорости.Бессенсорные системы способны обеспечивать такую ​​же мощность, что и сенсорные системы, только с немного меньшей точностью, и это идеальное решение для любителей и новичков.

Принцип работы коллекторного электродвигателя (рис.) Основан на следующем: если между полюсами постоянного магнита (или электромагнита) поместить проводник с током — прямоугольную рамку с осью вращения, то эта рамка начнет вращаться. Направление вращения будет зависеть от направления тока в кадре.Подача тока в рамку от источника постоянного тока может осуществляться через полукольцевые контакты, закрепленные на концах рамки, и через упругие скользящие контакты — щетки (рис. 1а). Обратите внимание, что вращающаяся часть двигателя называется якорем, а неподвижная часть — статором.
Полукольцевые контакты обеспечивают переключение тока в рамке через каждые пол-оборота, т.е. непрерывное вращение рамки в одном направлении. В реальных коллекторных двигателях таких рамок много, поэтому весь контактный круг делится уже не на два, а на большее количество контактов.

Рис. Коллекторный двигатель: а — принцип работы; б — учебный коллекторный двигатель; в — якоря тренировочных коллекторных двигателей; g — якорь настоящего электродвигателя
Эти контакты образуют коллектор — отсюда и название этого электродвигателя. Контакты коллектора изготовлены из меди, а щетки — из графита. Самый простой ремонт электродвигателя — замена щеток, запасной набор которых часто прилагается при продаже устройств с такими двигателями.
Коллекторные двигатели получили широкое распространение.

Коллекторные двигатели. Они названы в честь одного из узлов ротора — коллектора (цилиндра из изолированных медных пластин, к которым припаяны концы проводов обмотки). Щетки статора соприкасаются с коллектором. Коллектор подает ток на обмотку ротора, включенную последовательно с обмоткой статора.

Электродвигатели коллекторные

имеют высокую скорость вращения ротора, поэтому используются в таких изделиях и машинах, как пылесосы, кухонные машины и др. Имеют небольшую массу и габаритные размеры.Для бытовых машин в основном применяется универсальный встраиваемый коллекторный электродвигатель.

Коллекторные двигатели, работающие от источника переменного и постоянного тока, называют универсальными. Есть двигатели для работы на низком напряжении от источников тока. Коллекторные двигатели развивают высокие скорости вращения без нагрузки, поэтому их запуск в бытовых машинах чаще всего осуществляется под нагрузкой, для чего непосредственно на валу двигателя монтируются ведомые части машины, например вентилятор в пылесосе. .

При эксплуатации коллекторных двигателей их недостатки проявляются в повышенном уровне шума, помехах радиоприему, искрению и выходу из строя угольных щеток, сложности технического обслуживания. Такие двигатели менее надежны, сложны в производстве и дороги. Однако они обладают рядом существенных преимуществ перед асинхронными, благодаря чему используются в бытовых машинах. Это хорошие стартовые данные, возможность получения высоких скоростей вращения (до 25000 об / мин) и плавная регулировка скорости в широком диапазоне, универсальность.

КПД двигателя в бытовой технике зависит от соблюдения требований к режиму работы изделия, что обязательно указывается в эксплуатационном документе. Особенно важно соблюдение этих требований для изделий и машин с кратковременным и многократно кратковременным режимами работы (фены, миксеры и др.), Чтобы не допустить перегрева двигателя и его выхода из строя.

По способу охлаждения двигатели делятся на двигатели с естественным и искусственным охлаждением.Кроме того, необходимо обслуживать и обслуживать вентиляционное устройство, особенно независимое.

Что такое контактные кольца и почему они используются в некоторых двигателях?

Контактные кольца, также называемые вращающимися электрическими соединениями, электрическими вертлюгами и коллекторными кольцами, представляют собой устройства, которые могут передавать мощность, электрические сигналы или данные между неподвижным и вращающимся компонентами. Конструкция контактного кольца будет зависеть от его применения — например, для передачи данных требуется контактное кольцо с более высокой пропускной способностью и лучшим подавлением EMI (электромагнитных помех), чем то, которое передает мощность, — но основными компонентами являются вращающееся кольцо и неподвижные щетки. .

Полный узел контактного кольца включает торцевые крышки, подшипники и другие конструктивные элементы. Но основными компонентами контактного кольца являются кольцо и щетки.
Изображение предоставлено: Moog Inc.

Если вращение одного компонента включает фиксированное количество оборотов, можно использовать катушки с достаточной длиной кабеля и скоростью вращения, чтобы обеспечить требуемые обороты, хотя в этом случае кабельное управление настройка может быть довольно сложной. Но если один компонент вращается непрерывно, использование кабелей для передачи сигналов между вращающимися и неподвижными компонентами во многих случаях нецелесообразно и не надежно.

Контактные кольца в электродвигателях переменного тока
Изображение предоставлено: brighthubengineering.com

В версии асинхронного двигателя переменного тока, называемой двигателем с фазным ротором, контактные кольца используются не для передачи мощности, а для создания сопротивления в обмотках ротора. В двигателе с фазным ротором используются три контактных кольца, обычно изготовленных из меди или медного сплава, которые установлены на валу двигателя (но изолированы от него). Каждое контактное кольцо подключено к одной из трех фаз обмоток ротора.Щетки с контактным кольцом, изготовленные из графита, подключены к резистивному устройству, например, реостату. Поскольку контактные кольца вращаются вместе с ротором, щетки поддерживают постоянный контакт с кольцами и передают сопротивление обмоткам ротора.

Контактные кольца на двигателе переменного тока с фазным ротором. Когда двигатель достигает рабочей скорости, щетки поднимаются с помощью пружин, а контактные кольца замыкаются накоротко через скользящую контактную планку.
Изображение предоставлено: Wikipedia

Добавление сопротивления к обмоткам ротора делает ток ротора более синфазным с током статора.(Напомним, что двигатели с фазным ротором представляют собой тип асинхронных двигателей, в которых электрические поля ротора и статора вращаются с разными скоростями) В результате создается более высокий крутящий момент при относительно низком токе. Контактные кольца используются только при запуске из-за их более низкой эффективности и падения крутящего момента при полной скорости вращения. Когда двигатель достигает своей рабочей скорости, контактные кольца замыкаются, и щетки теряют контакт, поэтому двигатель работает как стандартный асинхронный двигатель переменного тока (он же «беличья клетка»).

Контактные кольца в двигателе с фазным ротором образуют вторичный внешний контур. Добавление сопротивления в эту цепь позволяет двигателю создавать очень высокий крутящий момент при запуске, который необходим для перемещения нагрузок с высокой инерцией.
Контактное кольцо или коммутатор?

Возможно, вы заметили, что конструкция и функция контактного кольца очень похожи на таковые у коммутатора. Хотя между ними есть сходство, между контактными кольцами и коммутаторами есть существенные различия.Физически контактное кольцо представляет собой непрерывное кольцо, а коммутатор — сегментированный. Функционально контактные кольца обеспечивают непрерывную передачу энергии, сигналов или данных. В частности, в двигателях переменного тока они передают сопротивление обмоткам ротора.

Коммутаторы

, с другой стороны, используются в двигателях постоянного тока для изменения полярности тока в обмотках якоря. Концы каждой катушки якоря подсоединены к стержням коммутатора, разнесенным на 180 градусов. Во время вращения якоря щетки подают ток на противоположные сегменты коммутатора и, следовательно, на противоположные катушки якоря.


Контактные кольца используются практически в любом приложении, которое включает в себя вращающееся основание или платформу, от промышленного оборудования, такого как индексные столы, намоточные устройства и автоматические сварочные аппараты, до ветряных турбин, медицинских машин для визуализации (КТ, МРТ) и даже аттракционов. которые работают в стиле поворотного стола. Хотя традиционным применением контактных колец была передача энергии, они также могут передавать аналоговые и цифровые сигналы от таких устройств, как датчики температуры или тензодатчики, и даже данные через Ethernet или другие шинные сети.

Изображение предоставлено Rotary Systems Inc.

Объяснение двигателя постоянного тока

— Инженерное мышление

Узнайте, как работает двигатель постоянного тока, чтобы понять основной принцип работы двигателя постоянного тока. Мы рассматриваем обычный ток, поток электронов, обмотку, якорь, ротор, вал, статор, щетки, щетки, клеммы, ЭДС, электромагниты, магнитное притяжение, а также детальные анимации того, как работает двигатель постоянного тока.

Прокрутите вниз, чтобы просмотреть руководство YouTube.

🎁 Получите БЕСПЛАТНО руководство по эксплуатации Fleming в формате PDF ➡️ Здесь

Детали двигателя постоянного тока

DC Motor

Двигатели постоянного тока выглядят примерно так, как показано выше, хотя есть довольно много вариантов. Они используются для преобразования электрической энергии в механическую, и мы можем использовать их, например, в наших электроинструментах, игрушечных машинках и охлаждающих вентиляторах.

Используется для преобразования электрической энергии

Когда мы смотрим на двигатель постоянного тока, мы сначала видим металлический защитный кожух, который образует статор.
На одном конце у нас есть конец вала, выступающий через кожух, на который мы можем прикрепить шестерни, лопасти вентилятора или шкивы.

Статор

На другом конце пластиковая заглушка с двумя выводами. Мы можем подключить к этим клеммам источник питания, чтобы вращать вал.

Если мы снимем кожух и заглянем внутрь двигателя, то обнаружим два магнита, которые образуют статор. Это постоянные магниты, которые образуют северный и южный магнитные полюса.

Магниты внутри двигателя

Проходя через центр двигателя, мы видим стержень, который называется валом.Это используется для передачи механической энергии. К валу прикреплен ротор. Ротор состоит из нескольких дисков, которые соединены вместе, каждый диск имеет эти Т-образные рычаги, врезанные в них.

Вокруг Т-образных плеч ротора находятся обмотки катушки, по которым проходит электрический ток от батареи. Когда ток проходит через катушки, он создает электромагнитное поле, мы контролируем синхронизацию и полярность этого магнитного поля, чтобы создать вращение.

Внутри двигателя

Концы катушек подключены к коммутатору.Коммутатор представляет собой кольцо, разделенное на несколько пластин, расположенных концентрично вокруг вала. Пластины разделены и электрически изолированы друг от друга, а также от вала. Концы каждой катушки подключаются к разным пластинам коммутатора, они делают это для создания цепи, и мы вскоре увидим это подробно.

Основы двигателя постоянного тока

Внутри пластиковой задней крышки находятся щетки, рычаги и клеммы. Пластины коммутатора находятся между двумя щетками.

Щетки, рычаги и клеммы

Щетки трутся о сегменты коммутатора, замыкая цепь.Затем электричество может течь через клемму, через плечо, в щетку, через сегмент коммутатора, в катушку, затем в другой сегмент коммутатора, в противоположную щетку и обратно в другую клемму.

Компоненты двигателя постоянного тока

Эти компоненты представляют собой наш основной двигатель постоянного тока. Чтобы понять, как работает двигатель постоянного тока, нам нужно понять некоторые основы электричества, а также то, как работают компоненты внутри.

Основы электроэнергетики

Электричество — это поток электронов по проводу.Когда много электронов движется в одном направлении, мы называем это током. Электричество постоянного тока означает, что электроны текут только в одном направлении, от одного вывода батареи непосредственно к другому. Если перевернуть батарею, ток будет течь в обратном направлении.

Основы электричества

Внутри медного провода мы находим атомы меди. Обращаясь к каждому атому, мы находим свободные электроны, их называют свободными электронами, потому что они могут свободно перемещаться к другим атомам. Они естественным образом перемещаются к другим атомам сами по себе, но это происходит во всех направлениях случайным образом, что бесполезно для нас.Нам нужно, чтобы много электронов текло в одном направлении, и мы можем сделать это, приложив разность напряжений к проводу. Напряжение подобно давлению заставляет электроны двигаться. Электроны текут только по замкнутому контуру. Они всегда пытаются вернуться к своему источнику, поэтому, когда мы даем им путь, такой как провод, они будут проходить через него. Даже если мы временно создадим путь, они воспользуются им, как только он станет доступен. Мы можем разместить компоненты на этом пути, чтобы они проходили через него и выполняли работу за нас, например, освещали лампу.

Атомы меди

В этих анимациях мы будем использовать два термина. Это поток электронов и обычный ток. Электронный поток — это то, что на самом деле происходит с электронами, протекающими от отрицательной клеммы к положительной. Обычный ток движется в противоположном направлении от положительного к отрицательному. Традиционный ток был исходной теорией, и она все еще широко преподается и используется сегодня, потому что ее легче понять. Просто помните о двух терминах и о том, какой из них мы используем.

Электронный поток и условный ток

Постоянные магниты

Магнит

Как вы, наверное, уже знаете, магниты поляризованы с северного и южного концов. Эти типы известны как постоянные магниты, потому что их магнитное поле всегда активно. Находясь рядом с другим магнитом, одинаковые концы отталкиваются, а противоположные концы притягиваются. Итак, мы получаем эти толкающие и тянущие силы, вызванные магнитным полем магнитов.

Линии магнитного поля

Магниты имеют эти изогнутые линии магнитного поля, которые проходят от северного полюса к южному полюсу и простираются, изгибаясь вокруг внешней стороны.Магнитное поле наиболее мощно на концах, мы видим это, потому что силовых линий магнитного поля больше, плотно прилегающих друг к другу.

Мы действительно можем увидеть магнитное поле магнита, посыпав магнит железными опилками.

Магнитное поле магнита с использованием железных наполнителей

Когда два магнита находятся в непосредственной близости друг от друга, их магнитные поля взаимодействуют. Два одинаковых конца будут отталкивать друг друга, и их силовые линии магнитного поля не будут соединяться. Однако две противоположные полярности будут притягиваться друг к другу, и силовые линии магнитного поля сойдутся в область высокой концентрации.

Магнитное поле противоположных концов объединится.

Поэтому мы помещаем два магнита противоположной полярности в статор двигателя, чтобы сформировать сильное магнитное поле через ротор.

Электромагниты

Когда мы подключаем провод к положительной и отрицательной клемме батареи, ток электронов будет течь через провод от отрицательной клеммы к положительной.

Когда электроны проходят через медную проволоку, они создают вокруг нее электромагнитное поле.Мы действительно можем это увидеть, поместив несколько магнитов вокруг провода. Когда мы пропускаем электричество по проводу, магниты вращаются. Когда мы меняем направление тока на противоположное, магниты также меняют направление и выравнивают в противоположном направлении.

Итак, мы можем создать магнитное поле, которое действует так же, как постоянный магнит, за исключением того, что с помощью этого типа мы можем выключить магнитное поле.

Проблема с электромагнитным полем в проводе в том, что оно довольно слабое. Но мы можем сделать его намного сильнее, просто свернув провода в катушку.Каждый провод по-прежнему создает электромагнитное поле, но они объединяются в гораздо большее и более сильное магнитное поле, которое мы используем для создания катушек в роторе.

Сделайте электромагнитное поле сильнее, свернув провода в катушку.

Обмотки

Катушки с проволокой называются обмотками. Самый простой двигатель постоянного тока имеет всего одну катушку. Это более простой дизайн; Однако проблема в том, что они могут выровняться из-за магнитного поля, которое заклинивает двигатель и останавливает его вращение. Чем больше у нас наборов катушек, тем плавнее будет вращение, это особенно полезно для низкоскоростных приложений.Поэтому мы обычно находим в двигателе как минимум три катушки, чтобы обеспечить плавное вращение.

Чем больше наборов катушек, тем плавнее вращение

Каждая катушка расположена под углом 120 градусов друг от друга. Между каждой катушкой находим пластину коммутатора. Каждая катушка соединена с двумя пластинами коммутатора. Пластины электрически изолированы друг от друга, за исключением того, что они соединены через катушки. Итак, если мы подключим положительную и отрицательную клеммы к двум пластинам коммутатора, мы сможем замкнуть цепь, ток будет течь, и в катушках будет генерироваться магнитное поле.

Основы катушки

Ротор

Ротор или якорь состоит из нескольких металлических дисков, соединенных вместе.

Ротор

Каждый диск электрически изолирован друг от друга лаковым покрытием. Если бы якорь был сплошным куском металла, внутри закручивались бы большие вихревые токи. Они вызваны наведенной электродвижущей силой или ЭДС. Эти вихревые токи влияют на КПД двигателя. Чтобы уменьшить их, инженеры сегментируют ротор на изолированные диски, вихревые токи по-прежнему будут течь, но они будут намного меньше.Чем тоньше диск, тем меньше будет вихревой ток.

Более тонкий диск; Меньший вихретоковый будет

Коммутатор

Коммутатор состоит из небольших медных пластин, которые крепятся к валу. Каждая пластина электрически изолирована друг от друга, а также от вала. Конец каждой катушки соединен с другой пластиной коммутатора. В этой конструкции каждая пластина коммутатора соединена с 2 катушками.

Пластины подают электричество к катушкам.Чтобы передать электричество от батареи к пластинам, у нас есть несколько щеток, которые трутся о пластины. Держатели щеток удерживают их на месте. Когда мы замыкаем цепь, электричество будет течь в сегменты коммутатора через щетки, а затем течь в 1 или 2 катушки, когда становится доступным путь.

Ток между щетками

В определенных точках вращения щетки соприкасаются с двумя пластинами. Это создаст дугу, и при этом мы получим небольшие вспышки синего света.Дуги из-за трения со временем разрушат кисть.

Правило для левой руки Flemings

Что-то, что мы должны понять, это правило левой руки Флемингса, и для этого нам нужно использовать левую руку в этой забавной форме. Вы должны помнить, что правило Флемингса использует ОБЫЧНЫЙ ТОК, а не поток электронов. Обычный ток — от положительного до отрицательного.

Мы используем правило левой руки Флемингса, чтобы определить, в каком направлении катушка будет толкать и тянуть, поскольку электромагнитное поле взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита.

Если мы посмотрим на провод и представим, какой конец подключен к положительному или отрицательному, мы можем определить направление силы.

Для этого вытяните левую руку и представьте, что это большой палец, а затем пальцы 1, 2, 3 и 4. Сведите пальцы 4 и 3. Укажите палец 2 вправо, палец 1 направьте прямо вперед и направьте большой палец вверх.

Ваши 2 пальца и указывают в направлении обычного тока от положительного к отрицательному. Палец 1 st указывает на магнитное поле постоянного магнита с севера на юг.Ваш большой палец укажет в направлении движения.

Правило левой руки Флеминга

Мы сделали руководство в формате PDF, которое включает несколько примеров, которые помогут вам это запомнить.

🎁 Получите БЕСПЛАТНО руководство по эксплуатации Fleming в формате PDF ➡️ Здесь

Итак, если мы посмотрим на этот пример, обычный ток идет к нам, а магнитное поле идет слева направо. Итак, мы направляем наши 2 пальца nd на нас и 1 палец ‑ го в направлении магнитного поля. Таким образом, наш большой палец направлен вверх, что означает, что сила, действующая на провод, будет перемещать его вверх.

Восходящая сила

В этом примере мы видим, что обычный ток в проводе меняет направление, так что он движется от нас. Поэтому мы переворачиваем руку так, чтобы наши 2 пальца и были направлены от нас. Наш первый палец по-прежнему указывает в направлении магнитного поля, а большой — вниз. Это означает, что сила, приложенная к проволоке, сдвинет ее вниз.

Сила, направленная вниз

Если мы свернем провод в катушку, как теперь будут действовать силы? Что ж, нам нужно рассматривать катушку как две половинки.В левой половине обычный ток течет от нас, поэтому наша рука переворачивается, и мы видим, что мы получаем направленную вниз силу. Справа обычный ток течет к нам, поэтому сила направлена ​​вверх. Следовательно, у нас есть объединенная сила, направленная вверх и вниз, поэтому катушка будет вращаться. Итак, теперь мы видим, как вращается мотор, давайте рассмотрим подробнее.

Левая сторона Правая сторона

Работа

Хорошо, давайте рассмотрим работу двигателя постоянного тока в замедленном режиме. Мы просто укажем на основные части, это северный и южный магниты, которые концентрируют магнитное поле через центр.В центре мы находим вал, прикрепленный к валу, у нас есть ротор, обернутый вокруг ротора, у нас есть катушки, соединяющие катушки, у нас есть коммутатор и обеспечивающий питание коммутатора, у нас есть щетки и щетки. Затем у нас есть блок питания.

Ротор, катушки и коммутатор будут вращаться, все остальное останется неподвижным.

Деталь двигателя постоянного тока

Мы собираемся рассмотреть протекание обычного тока и силы, возникающие на длинных сторонах каждой катушки.Мы также обозначим эти катушки 1,2 и 3. И пластины коммутатора a, b и c.

Позиция 1
  1. В этом первом положении обычный ток будет течь от плюса батареи к пластине A, затем через обе катушки 1 и 3, через пластины B и C в правую щетку и обратно к батарее. Правая сторона катушки 1 имеет направленную вниз силу, а левая сторона — восходящую силу. Катушка 3 имеет восходящую силу с этой стороны и нисходящую силу с этой стороны. И так оно вращается.
Позиция 2

2.Теперь ток течет через пластину A только в катушку 1, а затем выходит через пластину B. Это создает восходящую силу слева и нисходящую силу справа.

Позиция 3

3. Теперь ток течет через пластины A и C через катушки 1 и 2 в пластину B. Катушка 1 имеет направленную вверх силу слева и направленную вниз справа. Катушка 2 имеет направленную вверх силу слева и направленную вниз справа.

Позиция 4

4. Теперь ток течет через пластину c в катушку 2 и на пластину b. левая сторона катушки 2 имеет направленную вверх силу, а правая — направленную вниз.

Позиция 5

5. Теперь ток течет через пластину c в катушки 3 и 2 и выходит через пластины a и b. это дает нам наши восходящие и нисходящие силы на катушки.

Позиция 6

6. Теперь ток течет через пластину c в катушку 3, а затем выходит через пластину a, создавая наши восходящие и нисходящие силы.

Позиция 7

7. Теперь ток течет через пластины c и B, через катушки 3 и 1 и выходит через пластину a, давая нам силы с каждой стороны.

Позиция 8

8. Теперь ток течет через пластину b в катушку 1 и выходит через пластину a, которая создает наши силы.

Позиция 9

9. Теперь ток течет через пластину b в катушки 2 и 1, затем выходит через пластины c и a.

Позиция 10

10. Теперь ток течет через пластину b в катушку 2, а затем выходит через пластину c.

Позиция 11

11. Теперь ток течет через пластины B и A в катушки 2 и 3, а затем выходит через пластину c.

Затем это повторяется снова и снова, что дает нам вращающую силу, которую мы используем для вращения вентиляторов, шестерен, колес и шкивов.

Потоки тока, создающие силы

Если мы перевернем источник питания, мы изменим направление тока, и это изменит направление сил и, следовательно, направление вращения, так что мы используем магнитные силы и электричество для создания простого двигателя.


% PDF-1.4 % 956 0 объект > эндобдж xref 956 126 0000000016 00000 н. 0000002891 00000 н. 0000003123 00000 п. 0000003275 00000 н. 0000003314 00000 н. 0000003372 00000 н. 0000003437 00000 н. 0000004263 00000 н. 0000004600 00000 н. 0000004667 00000 н. 0000004767 00000 н. 0000004873 00000 н. 0000005037 00000 н. 0000005097 00000 н. 0000005290 00000 н. 0000005383 00000 п. 0000005475 00000 н. 0000005594 00000 н. 0000005712 00000 н. 0000005819 00000 н. 0000005930 00000 н. 0000006036 00000 н. 0000006148 00000 п. 0000006255 00000 н. 0000006366 00000 н. 0000006472 00000 н. 0000006577 00000 н. 0000006696 00000 н. 0000006813 00000 н. 0000006922 00000 н. 0000007055 00000 н. 0000007230 00000 н. 0000007428 00000 н. 0000007547 00000 н. 0000007657 00000 н. 0000007790 00000 н. 0000007953 00000 н. 0000008112 00000 н. 0000008254 00000 н. 0000008427 00000 н. 0000008533 00000 н. 0000008616 00000 н. 0000008713 00000 н. 0000008810 00000 н. 0000008977 00000 н. 0000009076 00000 н. 0000009241 00000 н. 0000009360 00000 п. 0000009553 00000 п. 0000009689 00000 н. 0000009853 00000 п. 0000010046 00000 п. 0000010252 00000 п. 0000010388 00000 п. 0000010564 00000 п. 0000010741 00000 п. 0000010883 00000 п. 0000011025 00000 п. 0000011208 00000 п. 0000011320 00000 п. 0000011460 00000 п. 0000011568 00000 п. 0000011729 00000 п. 0000011884 00000 п. 0000011999 00000 п. 0000012111 00000 п. 0000012231 00000 п. 0000012352 00000 п. 0000012486 00000 п. 0000012607 00000 п. 0000012727 00000 п. 0000012848 00000 п. 0000012969 00000 п. 0000013091 00000 п. 0000013212 00000 п. 0000013333 00000 п. 0000013431 00000 п. 0000013528 00000 п. 0000013624 00000 п. 0000013720 00000 п. 0000013816 00000 п. 0000013913 00000 п. 0000014010 00000 п. 0000014107 00000 п. 0000014204 00000 п. 0000014301 00000 п. 0000014398 00000 п. 0000014495 00000 п. 0000014592 00000 п. 0000014689 00000 п. 0000014787 00000 п. 0000014885 00000 п. 0000014983 00000 п. 0000015080 00000 п. 0000015242 00000 п. 0000015399 00000 п. 0000015704 00000 п. 0000015916 00000 п. 0000016683 00000 п. 0000016707 00000 п. 0000017874 00000 п. 0000017897 00000 п. 0000018916 00000 п. 0000019572 00000 п. 0000019795 00000 п. 0000019819 00000 п. 0000021094 00000 п. 0000021118 00000 п. 0000022390 00000 п. 0000022414 00000 п. 0000023701 00000 п. 0000023725 00000 п. 0000024968 00000 п. 0000025495 00000 п. 0000025717 00000 п. 0000026484 00000 п. 0000026703 00000 п. 0000026727 00000 н. 0000028023 00000 п. 0000028047 00000 п. 0000029236 00000 п. 0000029377 00000 п. 0000029584 00000 п. 0000029803 00000 п. 0000003478 00000 н. 0000004240 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 957 0 объект > эндобдж 958 0 объект a_

Основы электродвигателя постоянного тока с щеточным покрытием | Portescap

БАЗОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ЩЕТКОЙ

Технология Brush DC

Portescap основана на конструкции, основанной на безжелезном роторе (самоподдерживающейся катушке) в сочетании с системой коммутации из благородного металла или углерода, меди и редкоземельного магнита или магнита Alnico.Он предлагает явные преимущества для высокопроизводительных приводных и сервосистем: низкое трение, низкое пусковое напряжение, отсутствие потерь в стали, высокий КПД, хорошее тепловыделение, линейная функция крутящего момента-скорости. Все эти факторы облегчают использование и упрощают сервоконтур. Для систем с инкрементальным перемещением, где низкая инерция ротора обеспечивает исключительное ускорение, и для всего оборудования с батарейным питанием, где эффективность является главной проблемой, щеточные двигатели постоянного тока предлагают оптимальные решения.

Схема двигателя постоянного тока

КОНСТРУКЦИЯ ДВИГАТЕЛЯ С ЩЕТКОЙ — ТРИ ОСНОВНЫХ УЗЛА

Все двигатели постоянного тока состоят из трех основных узлов:

  1. статор
  2. торцевая крышка щеткодержателя
  3. ротор

1.Статор

Статор состоит из центрального и цилиндрического двухполюсного постоянного магнита, сердечника, поддерживающего подшипники, и стальной трубки, замыкающей магнитную цепь. Высококачественные редкоземельные магниты гарантируют выдающуюся производительность в небольших габаритах. Спеченные подшипники и шариковые подшипники доступны в зависимости от нагрузок и требований вашего приложения.

2. Заглушка держателя щеток

Колпачок щеткодержателя изготовлен из пластика.В зависимости от предполагаемого использования двигателя щетка может быть двух разных типов; углеродистая или многопроволочная. Типы углерода используют медный графит или серебряный графит и идеально подходят для приложений с инкрементным перемещением, где требуется высокий постоянный и пиковый крутящий момент. Многопроволочный тип использует драгоценный металл и гарантирует низкое пусковое напряжение и повышенную эффективность, что идеально подходит для портативных устройств с батарейным питанием. Инженер Portescap может спроектировать заглушки, которые снижают электромагнитный шум в соответствии с требованиями ЭМС.

3. Ротор

Ротор — это сердце двигателя постоянного тока Portescap. Катушка непосредственно и непрерывно наматывается на цилиндрическую опору, которая позже удаляется, что устраняет чрезмерные воздушные зазоры и неактивные головки катушек, которые не вносят вклада в создание крутящего момента. Самонесущая катушка не требует металлической конструкции и, следовательно, обеспечивает низкий момент инерции и отсутствие зазубрин (ротор останавливается в любом положении). В отличие от других традиционных технологий катушек постоянного тока, из-за отсутствия железа нет гистерезиса, потерь на вихревые токи или магнитного насыщения.Двигатель имеет абсолютно линейное поведение скорости и момента, а скорость работы зависит только от напряжения питания и момента нагрузки. Portescap, используя свое собственное ноу-хау, разработала несколько автоматических намоточных машин для различных размеров корпуса и продолжает совершенствовать методы намотки для увеличения выходной мощности.

Комбинация щеток / коллекторов оптимизирована, чтобы выдерживать длительный срок службы при частоте вращения до 12 000 об / мин и обеспечивать высокую надежность. Продукция Portescap DC может обеспечивать крутящий момент в диапазоне от 0.От 6 мНм до 150 мНм в непрерывном режиме и от 2,5 до 600 мНм в прерывистом режиме.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДВИГАТЕЛЯ С ПОМОЩЬЮ КРЫШКИ: РОТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ постоянного тока без железа

Ротор обычного двигателя постоянного тока с железным сердечником изготовлен из медной проволоки, намотанной на полюса его железного сердечника. Такая конструкция ротора дает следующие результаты:

  • Большая инерция из-за массы железа, препятствующая быстрому запуску и остановке
  • Зубчатый эффект и предпочтительное положение ротора, вызванные притяжением полюсов железа к постоянному магниту.
  • Значительная индуктивность катушки, вызывающая искрение во время коммутации. Эта дуга является причиной электрического шума, а с другой — сильной электроэрозии щеток. Именно по последней причине в обычных двигателях используются щетки угольного типа.
  • Катушка ротора без железа
  • обеспечивает высокое ускорение

Самонесущий электродвигатель постоянного тока без железа от Portescap имеет много преимуществ по сравнению с обычными электродвигателями с железным сердечником:

  • высокое отношение крутящего момента к моменту инерции
  • Отсутствие предпочтительных положений ротора
  • очень низкий крутящий момент и изменение обратной ЭДС в зависимости от положения якоря
  • практически нулевой гистерезис и потери на вихревые токи
  • незначительная электрическая постоянная времени
  • почти нет риска размагничивания, поэтому ускорение происходит быстро
  • Незначительное падение напряжения на щетках (с многопроволочными щетками)
  • более низкое вязкостное демпфирование
  • линейные характеристики

Доказано, что система Portescap REE увеличивает срок службы двигателя до 1000 процентов.

Два основных фактора, влияющих на срок службы коммутатора щеточного двигателя постоянного тока, — это механический износ щеток из-за скользящих контактов и эрозия электродов из-за образования электрической дуги.Превосходная обработка поверхности, точность коллектора наряду с улучшенными материалами, такими как переключатели из драгоценных металлов с соответствующими сплавами, помогли снизить механический износ щеток. Чтобы эффективно снизить электроэрозию при одновременном продлении срока службы коммутатора, Portescap усовершенствовал свою запатентованную систему катушек REE (уменьшение электроэрозии). Система REE снижает эффективную индуктивность коммутации щеток за счет оптимизации взаимной индукции сегментов катушки. Чтобы сравнить и сопоставить преимущества системы REE, Portescap провел испытания двигателей с оптимизацией катушки REE и без нее.Износ поверхности коллектора улучшился от 100 до 300 процентов, как показано на Рисунке 5. Змеевики 4, 5 и 6 армированы РЗЭ, а 1, 2 и 3 — без РЗЭ.

ТЕОРИЯ ЩЕТОЧНОГО ДВИГАТЕЛЯ — БЕЗЖЕЛЕЗНЫЕ РОТОРЫ

Электромеханические свойства двигателей с ротором без железа можно описать следующими уравнениями:

1. Напряжение источника питания U0 равно сумме падения напряжения, создаваемого током I в омическом сопротивлении RM обмотки ротора, и напряжения Ui, индуцированного в роторе:
U0 = I x RM + Ui (1)

2.Напряжение Ui, индуцируемое в роторе, пропорционально угловой скорости ротора ω: Ui = kE x ω (2)

Следует отметить, что существует следующая зависимость между угловой скоростью ωexpress в радианах в секунду и скоростью вращения n, выраженной в оборотах в минуту: ω = (2π n) / 60

3. Крутящий момент ротора M пропорционален току ротора I:
M = kT x I (3)

Здесь можно упомянуть, что крутящий момент M ротора равен сумме крутящего момента нагрузки ML, создаваемого двигателем, и момента трения Mf двигателя:
M = ML + Mf

Подставляя фундаментальные уравнения (2) и (3) в (1), мы получаем характеристики крутящего момента / угловой скорости для двигателя постоянного тока с ротором без железа:
U0 = M x RM + kE x ω (4)

Вычислив постоянные kE и kT из размеров двигателя, количества витков на обмотку, количества витков, диаметра ротора и магнитного поля в воздушном зазоре, мы находим для микродвигателя постоянного тока с ротор без железа:
M / I = Ui / ω = k (5)

Это означает, что k = kE = kT

Тождество kE = kT также очевидно из следующих энергетических соображений:

Электрическая мощность Pe = U0 x I, которая подводится к двигателю, должна быть равна сумме механической мощности Pm = M x ω, производимой ротором, и рассеиваемой мощности (согласно закону Джоуля) Pv = I2 x RM:
Pe = U0 x I = M x ω + I2 x RM = Pm + Pv

Кроме того, умножая уравнение (1) на I, мы также получаем формулу для электрической мощности Pe:

Pe = U0 x I = I2 x RM + Ui x I
Эквивалентность двух уравнений дает M x ω = Ui x I или Ui / ω = M / I и kE = kT = k

Quod erat демонстрационный.Используя приведенные выше соотношения, мы можем записать основные уравнения (1) и (2) следующим образом:
U0 = I x RM + k x ω (6)
а также:
U0 = M x RM / + k x ω (7)

Графическая экспресс-характеристика «скорость-момент»:

Чтобы преодолеть момент трения Mf из-за трения щеток и подшипников, двигатель потребляет ток холостого хода I0. Это дает
Mf = k x I0
а также:
U0 = I0 x RM + k x ω0, где
ω0 = 2π / 60 x n0, следовательно:
k = U0 — I0 / ω0 x RM (8)

Таким образом, возможно ли вычислить постоянную двигателя k со скоростью холостого хода n0, током холостого хода I0 и сопротивлением ротора RM.

Пусковой ток Id рассчитывается следующим образом:
Id = U0 / RM

Следует помнить, что СО в значительной степени зависит от температуры; другими словами, сопротивление ротора увеличивается с нагревом двигателя из-за рассеиваемой мощности (закон Джоуля):
RM = RM0 (1 + γ x ∆T)

Где γ — температурный коэффициент меди (γ = 0,004 / ° C).
Поскольку медная масса катушек сравнительно мала, она очень быстро нагревается под действием тока ротора, особенно в случае медленного или многократного пуска.Крутящий момент Md, создаваемый пусковым током Id, получается следующим образом: Md = Id x k — Mf = (Id — I0) k (9)

Применяя уравнение (1), мы можем вычислить угловую скорость ω, возникающую при напряжении U0 с моментом нагрузки Mi. Сначала определим ток, необходимый для получения крутящего момента M = ML + Mf:
I = (ML + Mf) / k Поскольку Mf / k = I0, мы также можем написать
I = (ML / k) + I0 (10)

Для угловой скорости ω получаем соотношение

ω = (U0 — I x RM) / k (11)
= U0 / k — RM / k2 (ML + Mf)

, в котором снова должна быть учтена температурная зависимость сопротивления ротора RM; Другими словами, необходимо рассчитать значение RM при рабочей температуре ротора.С другой стороны, с помощью уравнения (6) мы можем вычислить ток I и момент нагрузки ML для заданной угловой скорости ω и заданного напряжения U0:
I = (U0 — k x ω) RM = Id — k / RM ω (12)

А с уравнением (10)
ML = (I — I0) k
Получаем значение ML:
ML = (I — I0) k — k2 / RM ω

Чаще всего возникает проблема определения напряжения источника питания U0, необходимого для получения скорости вращения n для заданного момента нагрузки ML (угловая скорость ω = n x 2π / 60).Вводя уравнение (10) в (6), получаем:
U0 = (ML + I0) / k RM + k x ω (13)

Практические примеры расчетов
Обратите внимание, что повсюду используется Международная система единиц (S.I.).

1. Предположим, что для двигателя Portescap® 23D21-216E мы хотим вычислить постоянную двигателя k, пусковой ток Id и пусковой крутящий момент Md при температуре ротора 40 ° C. При напряжении питания 12 В, скорость холостого хода n0 составляет 4900 об / мин (ω0 = 513 рад / с), ток холостого хода I0 = 12 мА и сопротивление RM0 = 9.5 Ом при 22 ° C.

Вводя значения ω0, I0, RM0 и U0 в уравнение (8), мы получаем постоянную двигателя k для двигателя 23D21-216E: k = 12 — 0,012 x 9,5 = 0,0232 Vs 15

Перед расчетом пускового тока необходимо рассчитать сопротивление ротора при 40 ° C. При ∆T = 18 ° C и RM0 = 9,5 Ом получаем RM = (1 + 0,004 x 18) = 9,5 x 1,07 = 10,2 Ом.

Пусковой ток Id при температуре ротора 40 ° C становится
Id = (U0 / RM) = (12/10.2) = 1,18 А

, а пусковой момент Md согласно уравнению (9) равен Md = k (Id — I0) = 0,0232 (1,18 — 0,012) = 0,027 Нм.

2. Зададимся вопросом: какую скорость вращения n достигает двигатель при нагрузочном моменте 0,008 Нм и напряжении питания 9 В при температуре ротора 40 ° C?

Используя уравнение (10), мы сначала вычисляем ток, который подается на двигатель при следующих условиях:

I = (ML / k) + I0 = (0.008 / 0,0232) + 0,012 = 0,357 А

Уравнение (11) дает угловую скорость ω:
ω = (U0 — I x RM) / k = (9 — 0,357 x 10,2) / 0,0232 = 231 рад / с
и скорость вращения n: n = 60 / 2π ω = 2200 об / мин

Таким образом, двигатель достигает скорости 2200 об / мин и потребляет ток 357 мА.

3. Теперь вычислим крутящий момент M при заданной скорости вращения n 3000 об / мин (ω = 314 рад / с) и напряжении источника питания U0 15 В; уравнение (12) дает значение тока:
I = (U0 — k x ω) / RM = Id — k / RM x ω
= 1.18 — (0,0232 / 10,2) x 314 = 0,466 А
и крутящий момент нагрузки ML:
ML = k (I — I0)
= 0,0232 (0,466 — 0,012)
= 0,0105 Нм
(ML = 10,5 мНм)

4. Наконец, определим напряжение источника питания U0, необходимое для получения скорости вращения n 4000 об / мин (ω = 419 рад / с) с моментом нагрузки ML 0,008 Нм, температура ротора снова составляет 40 ° C ( RM = 10,2 Ом).
Как мы уже подсчитали, ток I необходим для крутящего момента 0.008 Нм равно 0,357 А
U0 = I x RM + k x ω
= 0,357 х 10,2 + 0,0232 х 419
= 13,4 вольт

ПРИМЕНЕНИЕ ДВИГАТЕЛЯ С ЩЕТКОЙ

МЕДИЦИНСКИЙ

  • Электрохирургические инструменты
  • Стоматологические ручные инструменты
  • Инфузионные, волюметрические и инсулиновые насосы
  • Диагностическое и сканирующее оборудование

Преимущества: анализаторы с уменьшенной занимаемой площадью, высокой эффективностью и точностью позиционирования образца

БЕЗОПАСНОСТЬ И ДОСТУП

  • Камеры видеонаблюдения
  • Замки
  • Считыватели штрих-кода
  • Системы оповещения

Преимущества: низкий уровень шума и вибрации, высокая мощность и превосходная эффективность

АЭРОКОСМИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ И ОБОРОНА

  • Датчик в кабине
  • Индикаторы
  • Спутников
  • Оптические сканеры

Преимущества: низкая инерция, компактность и вес, высокая эффективность

РОБОТОТЕХНИКА И ЗАВОДСКАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ

  • Конвейеры
  • Автомобили с дистанционным управлением
  • Промышленные роботы

Преимущества: высокая мощность и малый вес

РУЧНОЙ ИНСТРУМЕНТ

Ножницы Ручные инструменты для обрезки Пистолеты для гвоздей

Преимущества: высокая эффективность, компактность и вес, низкий уровень шума.

ДРУГОЕ

Оргтехника Полупроводники Модельные железные дороги Обработка документов Оптика Автомобильная промышленность Транспорт Аудио видео

Преимущества

: низкий уровень шума, высокая мощность, лучшее регулирование двигателя

Обзор приложений

МЕДИЦИНСКИЕ АНАЛИЗАТОРЫ Portescap решает множество задач, связанных с анализаторами, от отбора проб до быстрого сканирования и обнаружения молекулярных механизмов в жидкостях и газах с помощью щеточных двигателей постоянного тока без сердечника.Для приложений с высокой пропускной способностью — тех, где за час анализируется более 1000 анализов — подходящим выбором являются высокоэффективные и высокоскоростные двигатели, такие как щеточные двигатели постоянного тока без сердечника. Их низкая инерция ротора и короткая механическая постоянная времени делают их идеально подходящими для таких применений. Например, 22-миллиметровый бесщеточный двигатель постоянного тока Portescap обеспечивает скорость холостого хода 8000 об / мин и механическую постоянную времени 6,8 миллисекунды. Другая функция анализатора, которая играет жизненно важную роль в их выводе, — это сбор образцов из пробирок или анализов и их передача до систем измерения, основанных на фотометрии, хроматографии или других подходящих схемах.И здесь бесщеточный электродвигатель постоянного тока очень применим благодаря удельной мощности, которую он умещает в небольшом размере корпуса. Вы можете максимизировать производительность своего приложения с помощью рабочей лошадки диаметром 16 или 22 мм от Portescap.

Обзор приложений

ИНФУЗИОННЫЕ НАСОСЫ Щеточные электродвигатели постоянного тока без сердечника обладают значительными преимуществами по сравнению со своими щеточными аналогами с железным сердечником для некоторых применений насосов для интенсивной терапии, где преимущества варьируются от повышения эффективности до более высокой удельной мощности при меньшем размере корпуса.Одним из факторов, ухудшающих характеристики двигателя при длительном использовании, является нагрев двигателя с соответствующими потерями в Джоулях. В терминологии двигателя это определяется коэффициентом регулирования двигателя, определяемым сопротивлением катушки R и постоянной крутящего момента k. Чем ниже коэффициент регулирования двигателя (R / k2), тем лучше двигатель будет работать в течение всего срока службы, сохраняя при этом более высокий КПД. С одними из самых низких факторов регулирования двигателя последняя инновация Portescap в двигателях Athlonix уже приносит пользу приложениям в области инфузионных насосов, предлагая на выбор более мощный двигатель с меньшими тепловыми потерями, более высокую эффективность и удельную мощность в компактных корпусах.

Обзор приложений

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СБОРКИ ЭЛЕКТРОНИКИ НА ПОВЕРХНОСТНОЙ МОНТАЖЕ Как универсальные 35-миллиметровые двигатели без сердечника Portescap с коммутацией угольных щеток превосходны в сборке электроники, робототехнике и автоматизированном машинном оборудовании и стали рабочей лошадкой в ​​некоторых механизмах захвата и установки, используемых в технологии поверхностного монтажа.

Ответить

Ваш адрес email не будет опубликован.