Коллекторный электродвигатель представляет собой синхронную электрическую машину, в которой переключатель тока в обмотке и датчик положения ротора выполнены в виде одного и того же устройства - щеточно-коллекторного узла. Это устройство бывает разных видов.
Трехполюсной ротор на подшипниках скольжения;
Двухполюсной статор на постоянных магнитах;
В качестве щеток коллекторного узла.
Этот набор характерен для самых маломощных решений, используемых обычно в детских игрушках, где не требуется большая мощность. В состав более мощных двигателей включается еще несколько конструктивных элементов:
Четыре графитовые щетки в виде коллекторного узла;
Ротор с несколькими полюсами на подшипниках качения;
Статор из постоянных магнитов с четырьмя полюсами.
Чаще всего устройство электродвигателя такого типа используется в современных автомобилях для реализации привода вентилятора системы охлаждения и вентиляции, насосов омывателей, дворников и прочих элементов. Существую и более сложные агрегаты.
Мощность электродвигателя в несколько сотен ватт предполагает использование в составе четырехполюсного статора, выполненного из электромагнитов. Для подключения его обмоток может использоваться один из нескольких способов:
Последовательно с ротором. В данном случае получается большой максимальный момент, однако из-за больших оборотов холостого хода велик риск повреждения двигателя.
Параллельно с ротором. В данном случае обороты остаются стабильными в условиях изменяющейся нагрузки, однако максимальный момент заметно меньше.
Смешанное возбуждение, когда часть обмотки подключается последовательно, а часть параллельно. В данном случае совмещены достоинства предыдущих вариантов. Используется этот тип для стартеров автомобилей.
Независимое возбуждение, при котором используется отдельный источник питания. В данном случае получаются характеристики, соответствующие параллельному подключению. Используется этот вариант довольно редко.
Коллекторный электродвигатель обладает определенными достоинствами: их просто изготавливать, ремонтировать, эксплуатировать, а их ресурс работы достаточно велик. В качестве недостатков обычно выделяется следующий: эффективные конструкции подобных устройств обычно являются быстроходными и низкомоментными, поэтому большинство приводов требует установки редукторов. Это утверждение вполне обосновано, так как электрическая машина, ориентированная на низкую скорость, характеризуется заниженным КПД, а также связанными с этим проблемами охлаждения. Последние таковы, что для них сложно найти изящное решение.
Этот вариант представляет собой разновидность коллекторной машины постоянно тока, способную работать на постоянном и переменном токе. Устройство получило широкое распространение в некоторых видах бытовой техники и ручном инструменте из-за малых размеров, незначительного веса, низкой стоимости и простоты регуляции оборотов. Довольно часто встречается в качестве тяговой машины на железных дорогах США и Европы. Можно рассмотреть устройство электродвигателя.
Для лучшего понимания данного вопроса следует подробнее рассмотреть, что легло в основу представленного устройства. Тип электродвигателя коллекторный универсальный представляет собой прибор постоянного тока, имеющий последовательно включенные обмотки возбуждения, оптимизированные для работы на переменном токе бытовой сети электрического питания. Вращение двигателя происходит в одну сторону вне зависимости от полярности. Это связано с тем, что обмоток статора и ротора приводит к одновременной смене их магнитных полюсов, а благодаря этому результирующий момент направляется в одну сторону.
Коллекторный предполагает использование в конструкции статора из магнитно-мягкого материала, который характеризуется малым гистерезисом. Чтобы уменьшить потери на этот элемент делается из наборных пластин с изоляцией. В качестве подмножества коллекторных машин переменного тока принято выделять агрегаты пульсирующего тока, которые получены посредством выпрямления тока однофазной цепи без применения сглаживания пульсации.
Чаще всего характеризуется такой особенностью: в режиме малых оборотов обмоток статора не позволяет потреблять ток больше определенных пределов, при этом ограничивается и максимальный момент двигателя до 3-5 от номинального. Сближение механических характеристик достигается за счет использования секционирования обмоток статора - для подключения переменного тока используются отдельные выводы.
Довольно сложная задача сопряжена с коммутацией мощной коллекторной машины переменного тока. В тот момент, когда секция проходит нейтраль, магнитное поле, находящееся в сцеплении с ротором, меняет свое направление на противоположное, а это становится причиной генерации в секции реактивной ЭДС. Это случается при работе от переменного тока. В коллекторных машинах переменного тока тоже имеет место реактивная ЭДС. Тут же отмечается и трансформаторная ЭДС, так как ротор находится в магнитном поле статора, пульсирующем во времени. Плавный пуск коллекторного электродвигателя невозможен, так как в этот момент амплитуда машины будет максимальной, а по мере приближения к скорости синхронизма будет пропорционально снижаться. По мере дальнейшего разгона будет отмечаться новое возрастание. Для решения проблемы коммутации в этом случае предлагается несколько последовательных шагов:
При проектировании следует отдавать предпочтение одновитковой секции, что позволит уменьшить поток сцепления.
Активное сопротивление секции требуется увеличивать, для чего наиболее перспективными элементами являются резисторы в коллекторных пластинах, где наблюдается хорошее охлаждение.
Коллектор должен активно подшлифовываться щетками максимальной твердости с наибольшим сопротивлением.
Реактивная ЭДС может быть компенсирована посредством использования добавочных полюсов с последовательными обмотками, а параллельные обмотки применимы для компенсации трансформаторной ЭДС. Так как величина последнего параметра представляет собой функцию угловой скорости ротора и тока намагничивания, подобные обмотки требуют использования систем подчиненного регулирования, которых пока еще не существуют.
Частота питающих цепей должна быть как можно ниже. Наиболее популярными вариантами являются 16 и 25 Гц.
Реверсирование УКД производится при помощи переключение полярности включения обмоток статора или ротора.
Для сравнения используются следующие условия: приборы подключены к бытовой электрической сети с напряжением 220 вольт и частотой 50 Гц, мощность двигателей при этом одинакова. Разность в механических характеристиках устройств может быть недостатком или достоинством в зависимости от того, какие предъявляются требования к приводу.
Итак, коллекторный электродвигатель переменного тока: достоинства в сравнении с агрегатом постоянного тока:
Включение в сеть производится напрямую, при этом нет необходимости в использовании дополнительных компонентов. В случае с агрегатом постоянного тока требуется выпрямление.
Пусковой ток гораздо меньше, что весьма важно для устройств, используемых в быту.
При наличии управляющей схемы ее устройство гораздо проще - реостат и тиристор. Если электронный компонент выйдет их строя, то коллекторный электродвигатель, цена которого зависит от мощности и составляет от 1400 рублей и более, останется работоспособным, но будет сразу же включаться на полную мощность.
Имеются и определенные недостатки:
За счет потерь на перемагничивание статора и индуктивность общий КПД заметно снижается.
Максимальный момент тоже уменьшен.
Электродвигатели однофазные коллекторные обладают определенными достоинствами в сравнении с асинхронными:
Компактность;
Отсутствие привязки к сетевой частоте и быстроходность;
Значительный пусковой момент;
Пропорциональное снижение и увеличение оборотов в автоматическом режиме, а также увеличение момента при возрастании нагрузки, при этом напряжение питания остается неизменным;
Регулирование оборотов может быть плавным в довольно широком диапазоне посредством изменения питающего напряжения.
При изменении нагрузки обороты будут нестабильными;
Щеточно-коллекторный узел делает устройство не слишком надежным (необходимость применения максимально жестких щеток значительно снижает ресурс);
Коммутация переменного тока вызывает сильное искрение на коллекторе, при этом образуются радиопомехи;
Высокий уровень шума при работе;
Коллектор характеризуется большим числом деталей, что делает двигатель довольно массивным.
Современный коллекторный электродвигатель характеризуется ресурсом, сопоставимым с возможностями механических передач и рабочих органов.
При сопоставлении коллекторных и асинхронных двигателей одинаковой мощности, вне зависимости от номинальной частоты последних, получается разная характеристика. Далее это будет описано подробнее. Универсальный коллекторный электродвигатель реализует «мягкую» характеристику. В данном случае момент прямо пропорционален нагрузке на валу, при этом обороты обратно пропорциональны ей. Номинальный момент обычно меньше максимального в 3-5 раз. Ограничение оборотов холостого хода характеризуется исключительно потерями в двигателе, при этом при включении мощного агрегата без нагрузки он может разрушиться.
Характеристикой асинхронного двигателя является «вентиляторная», то есть агрегат поддерживает частоту вращения, приближенную к номинальной, увеличивая момент максимально резко при незначительном снижении оборотов. Если речь идет о значительном изменении этого показателя, то момент двигателя не только не растет, но и падает до нулевой отметки, что приводит к полной остановке. Обороты холостого хода немного превышают номинальные, при этом остаются постоянными. Характеристикой однофазного асинхронного двигателя является дополнительный набор проблем, сопряженных с запуском, так как он не развивает пускового момента в нормальных условиях. Магнитное поле однофазного статора, пульсирующее во времени, распадается на два поля с противоположными фазами, из-за чего пуск без всевозможных ухищрений становится невозможным:
Емкость, создающая искусственную фазу;
Расщепленный паз;
Активное сопротивление, формирующее искусственную фазу.
Теоретически поле, вращающееся в противофазе, снижает максимальный КПД однофазного асинхронного агрегата до 50-60% из-за потерь в перенасыщенной магнитной системе и обмотках, нагружаемых токами противополя. Получается, что на одном валу находятся две электрические машины, при этом одна работает в двигательном режиме, а вторая - режиме противовключения. Получается, что электродвигатели однофазные коллекторные не знают конкурентов в соответствующих сетях. Чем и заслужили столь высокую популярность.
Механические характеристики электродвигателя обеспечивает ему определенную сферу использования. Малые обороты, ограниченные частотой сети переменного тока, делают асинхронные агрегаты аналогичной мощности большими по весу и размеру в сравнении с универсальными коллекторными. Однако при включении в цепь питания инвертора с высокой частотой можно добиться соизмеримых размеров и веса. Остается жесткость механической характеристики электродвигателя, к которой добавляются потери на токопреобразование, а также увеличение частоты, повышаются магнитные и индуктивные потери.
Коллекторный электродвигатель переменного тока имеет аналог, который ближе всего к нему по механической характеристике, - вентильный, где щеточно-коллекторный узел заменили на инвертор, оснащенный датчиком положения ротора. В качестве электронного аналога данного агрегата используется следующая система: выпрямитель, синхронный мотор с датчиком углового положения ротора, комбинированный с инвертором. Однако присутствие в роторе постоянных магнитов приводит к уменьшению максимального момента при сохранении габаритов.
Устройство электродвигателя коллекторного демонстрирует, как прибор преобразует электрическую энергию в механическую и в обратном направлении. Это говорит о его возможности использования в качестве генератора. Стоит более подробно рассмотреть коллекторный электродвигатель, схема которого продемонстрирует его возможности.
Законы физики ясно говорят о том, что при пропускании электрического тока сквозь проводник, находящийся в магнитном поле, появляется воздействие на него определенной силы. При этом работает правило правой руки, оказывающее непосредственное влияние на мощность электродвигателя. Коллекторный электродвигатель работает именно по такому основному принципу.
Физика учит нас тому, что основой создания нужных вещей служат маленькие правила. Это и послужило базой для создания рамки, вращающейся в магнитном поле, что и позволило создать коллекторный электродвигатель. Схема показывает, что в магнитное поле помещена пара проводников, ток которых направлен в противоположные стороны, а значит, и силы тоже. Их сумма и дает необходимый крутящий момент. Устройство электродвигателя намного сложнее, так как в него добавлен целый комплекс необходимых элементов, в частности, коллектор, обеспечивающий одинаковое направление тока над полюсами. Неравномерность хода была устранена за счет размещения еще нескольких катушек на якоре, при этом постоянные магниты были заменены на катушки, что позволило уйти от необходимости использования постоянного тока. Это позволило придать крутящему моменту единое направление.
Как и любое иное устройство, этот агрегат может выйти из строя по любой причине. Если электродвигатель, фото которого вы можете увидеть в нашем обзоре, не может набрать нужное число оборотов, либо при его пуске не крутится вал, требуется проверить, не сгорели ли его предохранители, нет ли обрывов в электрической цепи якоря, не перегружено ли само устройство. Очень часто перегрузка приводит к потреблению силы тока ненормального значения. Для устранения этой неисправности требуется тщательно осмотреть механическую передачу и тормоз, а потом устранить причины перегрузок.
Устройство электродвигателя таково, что при запуске он потребляет определенную силу тока. Если она больше номинального значения, требуется проверить согласованность подключения параллельной и последовательной обмоток относительно друг друга, а также по отношению к реостату. Когда проводится ремонт электродвигателей своими руками, чаще всего допускаются вполне конкретные ошибки. В частности, шунтовая обмотка может быть последовательно подключена с электрическим сопротивлением реостата, либо соединена с одним полюсом электрической сети.
Проверка согласованности подключения рабочей обмотки возбуждения производится посредством подключения одного из концов шунтовой обмотки с якорным концом, а второго - с электрическим проводником, идущим от дуги реостата. Обычно поперечное сечение этого электрического проводника немного меньше остальных, поэтому его можно обнаружить без мегаомметра. После включения силового рубильника и сдвига ползунка реостата в среднее положение на свободные концы подается питание. Посредством контрольной лампы производится последовательная проверка всех проводящих концов. При касании с одним из них лампа должна загораться, а с другим - нет. Так тестируется весь электродвигатель. Цена проводимой работы будет зависеть от вида поломки агрегата.
Если при работе устройства наблюдается количество оборотов, которое меньше номинального, то в качестве основных причин этого обычно служат такие: малое сетевое напряжение, перегрузка устройства, большой возбуждающий ток. Если отмечается неработоспособность обратного характера, требуется проверить электроцепь возбуждения, устранить все выявленные дефекты, после чего можно установить нормальную величину тока возбуждения. В некоторых случаях может потребоваться перемотка электродвигателей.
Когда причина неработоспособности агрегата заключается в ошибочном сопряжении параллельной и последовательной обмотки возбуждения, требуется восстановить правильный порядок соединения. При невозможности устранения подобной неполадки простым путем может потребоваться перемотка электродвигателей. Требуется проверить и величину напряжения в электрической сети, так как при повышении ее номинального показателя обороты прибора могут увеличиваться.
Создающая магнитный поток для образования момента. Идуктор обязательно включает либо постоянные магниты либо обмотку возбуждения . Индуктор может быть частью как ротора так и статора. В двигателе, изображенном на рис. 1, система возбуждения состоит из двух постоянных магнитов и входит в состав статора.
По конструкции статора коллекторный двигатель может быть и .
Схема коллекторного двигателя с постоянными магнитами
Коллекторный двигатель постоянного тока (КДПТ) с постоянными магнитами является наиболее распространенным среди КДПТ. этого двигателя включает постоянные магниты, которые создают магнитное поле статора. Коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами (КДПТ ПМ) обычно используются в задачах не требующих больших мощностей. КДПТ ПМ дешевле в производстве, чем коллекторные двигатели с обмотками возбуждения. При этом момент КДПТ ПМ ограничен полем постоянных магнитов статора. КДПТ с постоянными магнитами очень быстро реагирует на изменение напряжения. Благодаря постоянному полю статора легко управлять скоростью двигателя. Недостатком электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами является то, что со временем магниты теряют свои магнитные свойства, в результате чего уменьшается поле статора и снижаются характеристики двигателя.
Схема независимого возбуждения
Схема параллельного возбуждения
Схема последовательного возбуждения
Схема смешанного возбуждения
В электродвигателях независимого возбуждения обмотка возбуждения электрически не связана с обмоткой (рисунок выше). Обычно напряжение возбуждения U ОВ отличается от напряжения в цепи якоря U. Если же напряжения равны, то обмотку возбуждения подключают параллельно обмотке якоря. Применение в электроприводе двигателя независимого или параллельного возбуждения определяется схемой электропривода. Свойства (характеристики) этих двигателей одинаковы .
В двигателях параллельного возбуждения токи обмотки возбуждения (индуктора) и якоря не зависят друг от друга, а полный ток двигателя равен сумме тока обмотки возбуждения и тока якоря. Во время нормальной работы, при увеличении напряжения питания увеличивается полный ток двигателя, что приводит к увеличению полей статора и ротора. С увеличением полного тока двигателя скорость так же увеличивается, а момент уменьшается. При нагружении двигателя ток якоря увеличивается, в результате чего увеличивается поле якоря. При увеличении тока якоря, ток индуктора (обмотки возбуждения) уменьшается, в результате чего уменьшается поле индуктора, что приводит к уменьшению скорости двигателя, и увеличению момента.
Коллекторный электродвигатель параллельного возбуждения имеет с уменьшающимся моментом на высоких оборотах и высоким, но более постоянным моментом на низких оборотах. Ток в обмотке индуктора и якоря не зависит друг от друга, таким образом, общий ток электродвигателя равен сумме токов индуктора и якоря. Как результат данный тип двигателей имеет отличную характеристику управления скоростью. Коллекторный двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой возбуждения обычно используется в приложениях, которые требуют мощность больше 3 кВт, в частности в автомобильных приложениях и промышленности. В сравнении с , двигатель параллельного возбуждения не теряет магнитные свойства со временем и является более надежным. Недостатками двигателя параллельного возбуждения являются более высокая себестоимость и возможность выхода двигателя из под контроля, в случае если ток индуктора снизится до нуля, что в свою очередь может привести к поломке двигателя .
В электродвигателях последовательного возбуждения обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, при этом ток возбуждения равен току якоря (I в = I а), что придает двигателям особые свойства. При небольших нагрузках, когда ток якоря меньше номинального тока (I а < I ном) и магнитная система двигателя не насыщена (Ф ~ I а), электромагнитный момент пропорционален квадрату тока в обмотке якоря:
С ростом нагрузки магнитная система двигателя насыщается и пропорциональность между током I а и магнитным потоком Ф нарушается. При значительном насыщении магнитный поток Ф с ростом I а практически не увеличивается. График зависимости M=f(I a) в начальной части (когда магнитная система не насыщена) имеет форму параболы, затем при насыщении отклоняется от параболы и в области больших нагрузок переходит в прямую линию .
Важно: Недопустимо включать двигатели последовательного возбуждения в сеть в режиме холостого хода (без нагрузки на валу) или с нагрузкой менее 25% от номинальной, так как при малых нагрузках частота вращения якоря резко возрастает, достигая значений, при которых возможно механическое разрушение двигателя, поэтому в приводах с двигателями последовательного возбуждения недопустимо применять ременную передачу, при обрыве которой двигатель переходит в режим холостого хода. Исключение составляют двигатели последовательного возбуждения мощностью до 100-200 Вт, которые могут работать в режиме холостого хода, так как их мощность механических и магнитных потерь при больших частотах вращения соизмерима с номинальной мощностью двигателя.
Способность двигателей последовательного возбуждения развивать большой электромагнитный момент обеспечивает им хорошие пусковые свойства.
Коллекторный двигатель последовательного возбуждения имеет высокий момент на низких оборотах и развивает высокую скорость при отсутствии нагрузки. Данный электромотор идеально подходит для устройств, которым требуется развивать высокий момент (краны и лебедки), так как ток и статора и ротора увеличивается под нагрузкой. В отличии от и двигателей параллельного возбуждения двигатель последовательного возбуждения не имеет точной характеристики контроля скорости, а в случае короткого замыкания обмотки возбуждения он может стать не управляемым.
Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения, одна из них включена параллельно обмотке якоря, а вторая последовательно. Соотношение между намагничивающими силами обмоток может быть различным, но обычно одна из обмоток создает большую намагничивающую силу и эта обмотка называется основной, вторая обмотка называется вспомогательной. Обмотки возбуждения могут быть включены согласовано и встречно, и соответственно магнитный поток создается суммой или разностью намагничивающих сил обмоток. Если обмотки включены согласно, то характеристики скорости такого двигателя располагаются между характеристиками скорости двигателей параллельного и последовательного возбуждения. Встречное включение обмоток применяется, когда необходимо получить неизменную скорость вращения или увеличение скорости вращения с увеличением нагрузки. Таким образом, рабочие характеристики двигателя смешанного возбуждения приближаются к характеристикам двигателя параллельного или последовательного возбуждения, смотря по тому, какая из обмоток возбуждения играет главную роль
Исторически первый электродвигатель работал именно на постоянном токе, так как во времена его изобретения в 1834 году Борисом Якоби единственным источником тока были гальванические батареи.
Принцип работы электродвигателя постоянного тока прост: в простейшем случае он имеет по одной паре полюсов на статоре и роторе, при этом направление тока в обмотке ротора дважды за оборот изменяется при помощи специального устройства – коллектора, представляющего собой набор пластин, соответствующий числу роторных обмоток.
При вращении ротора различные участки обмотки последовательно соединяются через щетки с внешним источником постоянного тока. Так как электродвигатель с двухполюсным ротором имеет две мертвые точки, где запуск без внешнего импульса невозможен (полюса ротора находятся точно напротив полюсов статора, и равнодействующая сил 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, такое подключение используется в схемах с регулировкой оборотов.
Сериесное.
Обмотка якоря включена последовательно со статором. При увеличении нагрузки на сериесный электродвигатель его обороты резко падают (но возрастает крутящий момент), при уменьшении нагрузки возможен разнос. По этой причине сериесное возбуждение не используется там, где возможен холостой ход электродвигателя. Классический пример сериесного мотора – автомобильный электростартер.
Шунтовое.
Якорь подключается параллельно статору. При перегрузке крутящий момент на роторе не изменяется, при отсутствии нагрузки не возникает разнос.
Смешанное.
Якорь имеет две обмотки, подключенных последовательно статору и параллельно с ним. По своим электромеханическим характеристикам компаундные электромоторы находятся между сериесными и шунтовыми – они способны поднимать крутящий момент при увеличении нагрузки и вместе с тем не склонны к разносу на холостом ходу.
Компаундное возбуждение часто используется в электроинструменте, где необходимо и ограничение максимальных оборотов, и устойчивость к росту нагрузок.
В зависимости от взаимного направления магнитных потоков обеих обмоток различают прямое и обратное компаундное включение: при обратном включении и правильном конструировании ротора возможно поддержание стабильных оборотов при изменении нагрузки, но такая схема склонна к периодическим колебаниям частоты вращения.
Магнитное поле статора является постоянным, поэтому статор может выполняться из мощных магнитов, не имея обмотки. Благодаря этому снижаются затраты меди на производство электродвигателя и уменьшается его стоимость.
Сфера применения электродвигателей постоянного тока – это в первую очередь устройства и системы с батарейным питанием: от микромоторов карманных плейеров до мощных автомобильных электростартеров, тяговые двигатели легких электромобилей и электрокаров, аккумуляторный электроинструмент.
При всех своих достоинствах (простота устройства, высокий КПД, легкость реверса) электродвигатели постоянного тока имеют ряд серьезных недостатков:
Наиболее очевидный способ управления оборотами электродвигателя постоянного тока – это изменение тока в его обмотках и, следовательно, магнитного потока. Изначально в цепь питания ротора включался мощный реостат, однако этот способ управления имел явные недостатки:
Сложность автоматического поддержания оборотов.
Движок реостата приводился либо вручную, либо присоединялся к центробежному регулятору. В любом случае резкое увеличение нагрузки не могло быть быстро скомпенсировано.
Высокие потери мощности.
На мощных электродвигателях реостат значительно нагревался, снижая КПД двигательной установки и требуя введения дополнительного охлаждения.
Применение линейного стабилизатора для управления электродвигателем – это, по сути, замена механического реостата электронным: изменяя мощность, рассеиваемую линейным стабилизатором, изменяют ток в обмотках электродвигателя.
Главное преимущество такой схемы – возможность создания устройств для поддержания оборотов с высокой скоростью реакции. Как известно, при вращении коллектора возникают броски тока в момент подключения очередной секции обмотки ротора.
Частота этих импульсов строго пропорциональна оборотам двигателя, что широко используется в устройствах правления коллекторными двигателями. Например, автомобильный доводчик стеклоподъемников автоматически отключает питание мотора, перестав фиксировать пульсацию тока в цепи питания стеклоподъемника (обнаружение момента остановки электродвигателя).
Совершенствование силовой электроники и в частности создание ключей с низким собственным падением напряжения в открытом состоянии (IGBT, MOSFET) позволило создать системы электронного управления широтно-импульсной модуляцией. Суть широтно-импульсной модуляции (сокращенно ШИМ) состоит в изменении длительности импульсов тока при сохранении их постоянной частоты.
Такой метод регулировки имеет значительно больший КПД, так как отсутствует элемент, на котором рассеивается излишняя мощность, как это было бы в случае использования реостата или линейного стабилизатора напряжения.
Основной проблемой схем с широтно-импульсной является индуктивность обмоток электродвигателя. Она делает невозможным моментальное нарастание и падение тока, искажая форму прямоугольного сигнала, подаваемого на электродвигатель. В свою очередь, при неправильном проектировании силового каскада ШИМ-контроллера это способно привести к перегреву силовых ключей и резкому падению КПД.
В момент включения электродвигателя постоянного тока в питающую сеть возникает значительный бросок тока, так как пусковой ток электродвигателя в несколько раз (при мощностях, измеряемых киловаттами – до 20) превосходит номинальный. По этой причине прямой пуск электродвигателей используется только при небольших мощностях.
Распространенный способ снижения нагрузки на сеть при пуске электродвигателей высокой мощности – это реостатный запуск. В данном случае в момент включения мотора цепь ротора питается через мощный резистор или набор резисторов, по мере набора оборотов закорачиваемых специальными контакторами. Осциллограмма тока якоря при этом становится близкой к пилообразной, а амплитуда пульсаций зависит от числа ступеней пускового реостата.
В тех случаях, когда нагрузка на электродвигатель находится в определенном заданном диапазоне, реостатный пуск производится в автоматическом режиме с помощью реле времени. Эта схема используется на ряде электропоездов, однако распространены и ручные контроллеры, управляемые машинистами.
Недостаток реостатного пуска – большие потери на нагрев реостатов, из-за чего они должны иметь высокую мощность и в ряде случаев искусственное охлаждение.
Этого лишен пуск изменением питающего напряжения, применяемый в тех случаях, когда возможно управление источником тока, например, в электро трансмиссиях постоянного тока: в момент пуска приводящий генератор двигатель работает на минимальных оборотах, плавно набирая их по мере разгона.
Также могут применяться управляемые выпрямители, но этот способ более применим для электродвигателей низкой мощности.
© 2012-2017 г. Все права защищены.
Все представленные на этом сайте материалы имеют исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов
Бесколлекторные двигатели постоянного тока называют так же вентильными, в зарубежной литературе BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) или PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor).
Конструктивно бесколлекторный 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 бесколлекторный
Чтобы узнать, почему бесколлекторные двигатели настолько эффективны и имеют высокую мощность, необходимо знать, как работает стандартный коллекторный мотор.
Обычные коллекторные электродвигатели, имеют всего два провода (положительный и отрицательный), которыми двигатель подключается к регулятору скорости. Внутри корпуса двигателя можно увидеть два изогнутых постоянных магнита, а по центру установлен вал с якорем, на котором намотаны обмотки из медной проволоки. С одной стороны вала якоря устанавливается моторная шестерня, с другой стороны вала расположен так называемый коллектор из медных пластин, через который с помощью угольных щеток ток подается к обмоткам якоря.
коллекторный мотор
Как начинает вращаться стандартный коллекторный двигатель.
Когда на обмотки якоря поочередно поступает постоянный электрический ток, в них возникает электромагнитное поле, которое с одной стороны имеет «северный» а с другой «южный» полюс. Поскольку «северный» полюс любого магнита автоматически отталкиваются от «северного» полюса другого магнита, электромагнитное поле одной из обмоток якоря, взаимодействуя с полюсами постоянных магнитов статора, заставляет якорь вращаться. Через коллектор и щетки ток поступает на следующую обмотку якоря, что заставляет якорь вместе с валом мотора продолжать вращение, и так до тех пор, пока к мотору подается напряжение. Как правило, якорь коллекторного мотора имеет три обмотки (три полюса) - это не позволяет двигателю застревать в одном положении.
Недостатки коллекторных двигателей выявляются, когда нужно получить огромное количество оборотов от них. Поскольку щетки должны постоянно находиться в контакте с коллектором, в месте их соприкосновения возникает трение, которое значительно увеличивается, особенно на высоких оборотах. Любой дефект коллектора приводит к значительному износу щеток и нарушению контакта, что в свою очередь снижает эффективность мотора. Именно поэтому серьезные гонщики протачивают и полируют коллектор двигателя и меняют щетки почти после каждого заезда. Коллекторный узел стандартного мотора так же является источником радиопомех и требует особого внимания и обслуживания.
Теперь посмотрим, как работает бесколлекторный двигатель.
Основной особенностью конструкции бесколлекторного двигателя является то, что он по принципу работы похож на коллекторный мотор, но все устроено как бы "наизнанку", и в нем отсутствуют коллектор и щетки. Постоянные магниты, которые в коллекторном моторе установлены на неподвижном статоре, у бесколлекторного мотора расположены вокруг вала, и этот узел называется ротор. Проволочные обмотки бесколлекторного мотора размещены вокруг ротора и имеют несколько различных магнитных полюсов. Датчиковые бесколлекторные моторы имеют на роторе сенсор, который посылает сигналы о положении ротора в процессор электронного регулятора скорости.
бесколлекторный мотор
Из-за отсутствия коллектора и щеток в бесколлекторном моторе нет изнашивающихся деталей, кроме шарикоподшипников ротора, а это автоматически делает его более эффективным и надежным. Наличие сенсора контроля вращения ротора также значительно повышает эффективность. У коллекторных двигателей не возникает искрения щеток, что резко снижает возникновение помех, а отсутствие узлов с повышенным трением благоприятно сказывается на температуре работающего мотора, что так же повышает его эффективность.
Единственный возможный недостаток бесколлекторной системы – это несколько более высокая стоимость, однако каждый, кто испытал высокую мощность бесколлекторной системы, почувствовал прелесть отсутствия необходимости периодической замены щеток, пружин, коллекторов и якорей, тот быстро оценит общую экономию и не вернется к коллекторным моторам … никогда!
Помимо базовых размеров и различных параметров, бесколлекторные двигатели могут подразделяться по типу: с датчиком и без датчика. Двигатель с датчиком используют очень маленький сенсор на роторе и кроме трех толстых кабелей, по которому мотор получает питание, имеют дополнительный шлейф из тонких проводов, которые соединяют двигатель с регулятором скорости. Дополнительные провода передают информацию с датчика о положении ротора сотни раз в секунду. Эта информация обрабатывается электронным регулятором скорости, что позволяет мотору работать плавно и эффективно, насколько это возможно. Такие моторы используют профессиональные гонщики, однако такие двигатели намного дороже и сложнее в использовании.
Бездатчиковая бесколлекторная система, как можно догадаться, не имеет датчиков и дополнительных проводов, а ротор таких двигателей вращается без точной регистрации его положения и оборотов регулятором скорости. Это позволяет сделать двигатель и регулятор скорости проще в изготовлении, проще в установке и в целом дешевле. Бездатчиковые системы способны обеспечить такую же мощность, как датчиковые, просто с чуть-чуть меньшей точностью, а это идеальное решение для любителей и начинающих спортсменов.
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.
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.
