Tehnik-ast.ru

Электро Техник
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Принцип работы коллекторного двигателя

Принцип работы коллекторного двигателя

Принцип действия коллекторного электродвигателя (рис.) основан на следующем: если проводник с током — рамку прямоугольной формы, имеющую ось вращения, — поместить между полюсами постоянного магнита (или электромагнита), то эта рамка начнет вращаться. Направление вращения будет зависеть от направления тока в рамке. Ток в рамку от источника постоянного тока может подаваться через контакты-полукольца, прикрепленные к концам рамки, и через упругие скользящие контакты — щетки (рис, а). Отметим, что вращающаяся часть электродвигателя называется якорем, а неподвижная — статором.
Контакты-полукольца обеспечивают переключение тока в рамке через каждые пол-оборота, т. е. непрерывное вращение рамки в одном направлении. У реальных коллекторных двигателей таких рамок много, поэтому вся контактная окружность делится уже не на две, а на большее количество контактов.

Принцип работы коллекторного двигателя

image-756

Рис.. Коллекторный электродвигатель: а — принцип действия; б — учебный коллекторный двигатель; в — якори учебных коллекторных двигателей; г — якорь реального электродвигателя
Эти контакты образуют коллектор — отсюда и название этого электродвигателя. Контакты коллектора изготовляют из меди, а щетки — из графита. Простейший ремонт электродвигателя заключается в замене щеток, запасной комплект которых часто прилагается при продаже устройств с такими двигателями.
Коллекторные электродвигатели имеют широкое применение

Коллекторные электродвигатели. Они названы по одному из узлов ротора — коллектору (цилиндр, набранный из изолированных пластинок меди, к которому припаяны концы проводов обмотки). С коллектором соприкасаются щетки статора. Коллектор подводит ток к обмотке ротора, последовательно соединенной с обмоткой статора.

Коллекторные электродвигатели отличаются высокой скоростью вращения ротора, поэтому их используют в таких изделиях и машинах, как пылесосы, кухонные машины, и др. Они имеют малые массу и габаритные размеры. Для бытовых машин в основном применяют универсальный встраиваемый коллекторный электрический двигатель.

Коллекторные двигатели, работающие от источника переменного и постоянного тока, называют универсальными. Существуют двигатели для работы на низком напряжении от источников тока. Коллекторные двигатели развивают большие скорости вращения без нагрузки, поэтому их пуск в бытовых машинах чаще всего осуществляется под нагрузкой, для чего приводимые в движение части машины насаживают непосредственно на вал двигателя, например вентилятор у пылесоса.

В процессе эксплуатации коллекторных двигателей проявляются такие их недостатки, как повышенный уровень шума, создание помех радиоприему, искрение и выход из строя угольных щеток, сложность ухода. Такие двигатели являются менее надежными, слож­ными в производстве и дорогостоящими. Однако они имеют и ряд существенных преимуществ перед асинхронными, благодаря которым и используются в бытовых машинах. Это хорошие пусковые данные, возможность получения больших скоростей вращения (до 25000 об/мин) и плавной регулировки скорости в широких пределах, универсальность.

Эффективность работы двигателя в бытовых приборах зависит от соблюдения требований к режиму работы изделия, который обязательно указывается в эксплуатационном документе. Особенно важно соблюдение этих требований для изделий и машин с кратковременным и повторно-кратковременным режимами работу (фены, миксеры и др.), чтобы исключить перегрев двигателя и выход его из строя.

По способу охлаждения двигатели подразделяются на двигатели с естественным и искусственным охлаждением. Кроме того, необходимо вентилирующее приспособление, особенно независимое, которое следует поддерживать в рабочем состоянии.

Коллекторный электродвигатель

Коллекторный электродвигатель в общем случае представляет синхронную электрическую машину, в которой переключателем тока в обмотках и датчиком положения ротора является щеточно-коллекторный узел. Достоинствами таких агрегатов являются:

  • Небольшие размеры и вес
  • Возможность плавного выставления оборотов и крутящего момента в широчайшем диапазоне: регулировка может осуществляться от 0 до номинального значения посредством изменения напряжения
  • Большой пусковой момент
  • Быстроходность
  • Отсутствие привязки к частоте сети
Читайте так же:
Бензопила штиль 180 заводится и глохнет причина

Недостаток у данных устройств всего один – наличие щеточно-коллекторного узла, который является слабым звеном во всем механизме и в большинстве случаев первым выходит из строя. Также во время коммутации в данном месте возможно довольно сильное искрение.

Отличительной особенностью данной электрической машины является то, что она может работать как на постоянном, так и на переменной токе. Во втором случае такие агрегаты называют однофазными коллекторными электродвигателями, т.к. работают они всего от одной фазы.

Устройство коллекторного электродвигателя

Коллекторный электродвигатель имеет три ключевых узла: ротор, статор и щетки. Рассмотрим подробнее назначение каждого из них.

Ротор – это вращающаяся часть электрической машины. По сути, это стальной вал с установленным на него сердечником из наборных пластин электротехнической стали. В пазах сердечника уложены обмотки, выводы которых выведены к ламелям (контактным пластинам). Для обеспечения скольжения вала в него запрессовывают подшипники, которые опираются на крышку двигателя.

Статор является неподвижной частью электрической машины. Он также изготавливается из пластин электротехнической стали, образующих каркас, который в свою очередь служит для укладки двух секций обмоток. Соответственно, и выводов у статора, как правило, всего два. Исключением являются коллекторные электродвигатели, адаптированные для работы на переменном токе – здесь одна обмотка секционируется и появляется дополнительный вывод.

Щетки представляют собой скользящие контакты, обеспечивающие электрическое соединение ротора и статора. Крепятся они на корпусе двигателя и прилегают под определенным углом к ламелям коллектора. Рабочей частью является графитовый брусок с припаянной к нему контактной клеммой, а прижатие к коллектору осуществляется с помощью обычной пружинки.

Подключение коллекторных электродвигателей

В общем случае подключение коллекторных электродвигателей осуществляется следующим образом:

Рисунок 2. Семмистор Управление электрической машиной может осуществляться самыми различными способами. Простым и наглядным примером является управление с помощью симистора, по сути, представляющего собой ключ с двумя силовыми электродами (А1 и А2) и управляющим затвором (G), на который поступают импульсы, открывающие и закрывающие его в определенный момент времени.

Отдельным вопросом выступает управление частотой вращения выходного вала. Соответствующих технических решений существует, наверное, не один десяток. В простейшем случае для реализации данной задачи можно использовать резистор, соединенный последовательно с двигателем. Но при таком подходе резко снижается общее КПД установки, при падении питающего напряжения возможна остановка ротора, а самое главное – для плавной регулировки требуются соответствующие переменные резисторы, нахождение которых выливается в весьма нетривиальную задачу.

Рисунок 3. Схема регулятора оборотов коллекторного электродвигателя Альтернативным решением является использование специализированного регулятора оборотов для коллекторного электродвигателя. Такие устройства обеспечивают удобную регулировку и при этом достаточно просты для того, чтобы собрать их самостоятельно.

Коллекторные двигатели переменного тока: однофазные и трехфазные коллекторные электродвигатели

Во многих отраслях промышленности для выполнения технологических процессов необходимы коллекторные двигатели переменного тока: однофазные и трехфазные коллекторные электродвигатели. Конструктивно они практически не отличаются от своих «собратьев» постоянного тока. Механизм движка переменного тока состоит из:

  • ротора с петлевой (параллельной) или волновой (симметричной) обмоткой;
  • коллектора, к которому присоединяется обмотка;
  • статора, набранного из стальных электротехнических пластин.
Читайте так же:
Зарядка для автомобильного аккумулятора своими руками схема

Достоинства и недостатки коллекторных двигателей переменного тока

Агрегаты такого типа успешно решают задачи, зависящие от работы электропривода. Главным их достоинством является возможность плавного регулирования скорости в режиме энергосбережения.

Но они подходят для использования не на каждом производстве из-за:

  • сложности их изготовления;
  • дороговизны;
  • необходимости в трудоемком техническом обслуживании щеточного механизма и коллектора;
  • плохих токовых условий в коммутации якорной цепи.

Однофазные коллекторные электродвигатели

В комплектацию однофазного движка входят три обмотки. Первая размещается на электрических полюсах и выполняет функцию возбуждения. Вторая (компенсационная обмотка) расположена в роторных пазах и компенсирует отрицательное явление реакции якоря. Дополнительная обмотка предназначена для добавочных полюсов и шунтируется с помощью активного сопротивления.

Когда основная обмотка возбуждается, возникают компенсационные токи и магнитное поле, создающие вращающий момент. Его направление совпадает с направлением вращения магнитного поля. Переключая выводы возбуждающей обмотки, можно изменить направление вращающего момента.

Компенсационная обмотка уменьшает сопротивление индукции и потокосцепления якорной обмотки, а также увеличивает коэффициент мощности движка. Благодаря добавочным полюсам повышается качество коммутации. ЭДС вращения компенсирует реактивную и трансформаторную ЭДС. Легкость пуска достигается при взаимной компенсации ЭДС. Смена рабочего режима и отклонение токовых параметров от заданных величин приводят к тяжелому пуску агрегата.

Однофазные двигатели считаются универсальными устройствами, так как они могут подключаться к сети как постоянного, так и переменного тока. Они применяются как исполнительные механизмы в системах автоматики, в бытовой технике и электроинструментах. Самыми распространенными являются модели небольшой мощности (до 150Вт).

Трехфазные коллекторные электродвигатели

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

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

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

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

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

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

Читайте так же:
Запуск 3х фазного двигателя через конденсатор

Двигатели постоянного и переменного тока

Электромеханическое устройство, которое за счет преобразования электрической энергии приводит в движение механизмы, подключенные к нему, называется электродвигателем. В зависимости от вида потребляемой энергии они подразделяются на машины постоянного и переменного тока.

Электрические двигатели

Их преимущества все более вытесняют двигатели на других источниках энергии из большинства конструкций производственных и бытовых механизмов. В автомобилях массовая замена ДВС на электропривод начинается на наших глазах.

Постоянный ток

Электрический ток (направленное движение заряженных частиц), не изменяющийся по направлению и амплитуде, называется постоянным. Источники его изначально были химические процессы, а сейчас возобновляемые (солнце, ветер). Преобразование его технически сложно, поэтому на большие расстояния передавать такой ток довольно дорого.

На малых расстояниях у него есть преимущества: отсутствие реактивной мощности и малые потери в проводах за счет прохождения по всему сечению проводника. Двигатели постоянного тока устанавливаются рядом с источниками и преобразователями, чтобы иметь возможность менять величину и направления тока в соответствии с потребностями в моменте и скорости исполнительного механизма.

Принцип действия

Школьный опыт с демонстрацией вращения рамки в магнитном поле отрытый в 1821 Фарадеем поясняет работу двигателя постоянного тока. Металлическая рамка с проходящим через нее током от батареи повернется под действием магнитного поля так, чтобы его воздействие стало нулевым. Для получения непрерывного вращения необходимо в этот момент поменять направление тока, либо объединить несколько рамок в процессе.

Рамка с током в магнитном поле

Виды двигателей постоянного тока

К концу 19 века уже началась эксплуатация электрических машин постоянного тока: генераторов и моторов. Причем оба вида не отличаются конструктивно и могли применяться как для выработки электроэнергии, так и для производства работ.

Коллекторный мотор

Принцип вращения рамки с током в поле постоянного магнита наиболее ярко реализован в коллекторных электродвигателях. Такие электродвигатели работают как от постоянного, так и от переменного тока. Впервые судно с двигателем постоянного тока запустил Б.С. Якоби по реке Неве в 1838г.

Такой двигатель состоит из неподвижной части (статор), на которой устанавливаются магниты для маломощных двигателей или катушки из ферримагнитных сталей, и обмотки с медным проводом для мощных электрических машин.

Якорь МПТ собран из пластин электротехнической стали, изолированных от вала и друг от друга для уменьшения вихревых токов. В пазы цилиндра укладывается витки провода из меди разного сечения в зависимости от токов и выбранной схемы (петлевая, волновая). Концы проводов выводятся и ввариваются (впаиваются) в ламели коллектора.

Двигатель постоянного тока с коллектором

Коллектор состоит из медных изолированных пластин (ламелей) закрепленных по окружности, изолированных друг от друга и корпуса якоря. По ним перемещаются притертые подпружиненные щетки, закрепленные в щеткодержателе, для последовательной подачи тока в обмотки якоря. При подаче напряжения на щетки, якорь начинает вращаться и двигатель постоянного тока выходит в заданный режим.

Универсальный коллекторный мотор

Дальнейшее развитие коллекторных ДПТ позволило использовать их при работе от источников переменного тока. Для этого шихтуется не только якорь, но и цилиндр статора набирается из пластин электротехнической стали, а обмотки возбуждения соединяются последовательно с якорными. Одновременная смена полярности на них при прохождении переменного тока не меняет направление вращения вала двигателей.

Универсальный коллекторный двигатель

Основное отличие — шихтованные статор и якорь делают магнитный поток стабильным и не создают вихревых токов (меньше греются). В остальном универсальный двигатель мало чем отличается от обычного коллекторного.

Читайте так же:
Лимонная кислота для стиральной машины сколько сыпать

Вентильно-индукторные двигатели

Такие электромоторы иногда называются бесщёточными или безколлекторными. Суть такой конструкции в том, что ротор имеет зубчатое строение, собранное из постоянных магнитов, а обмотки возбуждения размещаются на зубчатых полюсах статора.

Бесколлекторный мотор постоянного тока

Переключением полюсов (катушек) занимается встроенный контроллер, за обратную связь, контролирующую положение якоря (ротора), отвечает датчик Холла. При включении пары катушек магнит на роторе движется к ней, затем следующая пара получает питание. Скорость вращения определяется частотой переключения катушек — чем выше частота, тем выше скорость.

Недостатком такой конструкции является пульсирующий крутящий момент. Плюсы: нет коллектора и щеток, простая конструкция, хорошее управление скоростью и малые габариты.

Безколлекторный с независимым возбуждением

Конструкция ротора этого двигателя собрана из двух зубчатых пакетов из магнитной стали на общей оси. Вершины зубцов пакета смещены друг относительно друга на 120°. Пакеты отстоят друг от друга на расстоянии, а зубцы одного совпадают с впадинами другого, таким образом, что суммарный магнитный поток ротора равен нулю.

Размещенная на статоре обмотка возбуждения тоже распределена со смещением в 120°. Собранный из электротехнической стали статор имеет размер такой, чтобы его магнитное поле перекрывало оба пакета магнитов ротора.

Вентильно индукционный электродвигатель

Поочередное включение катушек ротора создает магнитное поле в обоих магнитных блоках и ротор начинает плавно вращаться. Изменяя частоту и направление переключения секций обмотки возбуждения, а также силу тока в них, можно получить бесконтактный реверс, линейный крутящий момент и плавное изменение скорости.

Кроме этих достоинств есть еще отсутствие магнитов и графитовых щеток с коллектором. К недостаткам можно отнести сложность конструкции двигателей и питание обмоток от электронного преобразователя.

Несомненными достоинствами двигателей постоянного тока можно отнести:

  • уровень плавного регулирования скорости достигает 10000 об/мин;
  • легкость управления скоростью за счет напряжения, а крутящего момента — током якоря;
  • за счет обратной связи можно поддерживать хороший момент на малых оборотах.

Их недостатков можно отметить обязательное наличие преобразователя переменного тока в постоянный и сложность конструкции некоторых видов двигателей (коллектор со щетками, сложный якорь).

Переменный ток

Основных недостатков переменного тока два: наличие потерь мощности за счет обменных процессов между индуктивностями и емкостями в сетях (реактивной мощности); вытеснение переменного тока в проводнике от центра к поверхности. Чем выше частота, тем меньше используется сечение провода.

Изменение напряжения решается легко при помощи трансформаторов, потери в котором составляют не более 1% передаваемой мощности. Трансформаторы решают легко две задачи: гальванической развязки цепей высокого и низкого напряжения; за счет высокого напряжения при передаче электроэнергии на большие расстояния снижаются потери в проводах.

Создание трехфазных сетей переменного тока, кроме повышения эффективности электроснабжения, привело к появлению двигателей переменного тока, так как они получили вращающееся магнитное поле напрямую из сети без преобразователей.

Виды двигателей переменного тока

Применение трехфазных электросетей привело к доминированию асинхронных двигателей переменного тока во всех отраслях промышленности.

Принцип действия

В статоре асинхронного двигателя укладывается трехфазная обмотка, которая при прохождении синусоидального тока создает вращающееся магнитное поле. При пересечении замкнутых проводников ротора магнитное поле создает электрический ток (возникает ЭДС).

Схема асинхронных трехфазных двигателей

Переменный ток в проводнике создает свое магнитное поле, которое стремится догнать поле статора. Взаимодействие полей заставляет вращаться ротор, скорость вращения которого отстает от скорости вращения поля статора на величину скольжения. Наличие этой разности главное условия вращения ротора асинхронного мотора.

Читайте так же:
Максимальная длина сливного шланга посудомоечной машины

Асинхронный трехфазный двигатель

Двигатели, использующие трехфазную электрическую сеть для создания статором вращающегося магнитного поля. По конструктивному исполнению ротора они делятся на короткозамкнутые и фазные.

Трехфазный мотор с короткозамкнутым двигателем

Для короткозамкнутого ротора — в пазы собранного из листов электротехнической стали цилиндра заливается алюминий (реже медь) и по торцам соединяются токопроводящими кольцами. В этой «беличьей» клетке образуется ЭДС, затем ток и магнитное поле для вращения вала. Последние конструкции таких двигателей используют цельно металлический полый алюминиевый ротор.

Электродвигатель с фазным ротором

В фазных моторах трехфазная обмотка, соединенная «звездой», укладывается в пазы ротора и свободные концы выводятся на контактные кольца для подключения сети или резисторов для снижения пускового тока

Однофазный асинхронный мотор не может создать вращающееся магнитное поле, способное заставить ротор вращаться. Для того чтобы сдвинуть ротор, на статоре укладывается две обмотки: пусковая и рабочая. Во время пуска напряжение подается на рабочую и, на короткое время через конденсатор, на пусковую катушку. Созданный таким образом перекос фаз заставляет вращаться ротор, пусковая обмотка отключается, а двигатель входит в номинальный режим.

Синхронные двигатели переменного тока

У синхронных машин в номинальном режиме скорость вращения ротора равна скорости вращающегося поля статора. Отличающийся от асинхронного наличием коллектора.

На статоре такого электромотора размещается трехфазная обмотка (на больших машинах чаще всего высоковольтная), создающая вращающееся магнитное поле. На роторе укладывается две обмотки: «беличья клетка» и электромагнитные катушки с питанием от источника постоянного тока.

Синхронный двигатель

Пуск синхронного двигателя происходит, как и у асинхронного короткозамкнутого. По достижении номинальной скорости асинхронного режима подается питание на электромагниты, а скорости вращения магнитного поля статора и ротора уравниваются.

К положительным качествам синхронных машин можно отнести:

  • небольшую реактивную мощность и. как следствие, высокий КПД и соs φ;
  • в большом диапазоне постоянная скорость при переменной нагрузке;
  • устойчивость к перегрузкам.

Из недостатков: наличие источника постоянного тока, сложность пуска, трудности в регулировании момента и скорости вращения.

Выбор электродвигателей

На описании принципов работы, устройства и краткого изложения характеристик однозначный выбор в пользу того или иного решения можно сделать только в самых простейших случаях. Современные электрические машины становятся все более универсальными. Какая разница есть между двигателем и генератором, в чем различие машин постоянного и переменного тока на первый взгляд не всегда возможно понять.

Развитие электронной промышленности размывает границы ниш. Теперь и двигатели постоянного тока, и двигатели переменного тока теряют свои позиции. Появление частотного регулирования скорости и момента асинхронных короткозамкнутых и синхронных двигателей все сильнее смещает принятие решения из инженерной сферы в технико-экономическую.

Электрические машины выбирают на основе следующих критериев:

  • стоимость двигателя, силового преобразователя и программного обеспечения к нему;
  • издержки на обслуживание и эксплуатационные расходы;
  • надежное решение технологических задач в производстве;
  • габаритные размеры и необходимую площадь.

Это только начало. В крупных проектах придется учитывать воздействие на окружающую среду, штрафы на искажение сетевой частоты и так далее. Чтобы принять оптимальное решение в конкретном случае — какой электродвигатель и с каким приводом применять — придется оценить совокупность множества условий.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector