2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое коллектор асинхронного двигателя

Щёточно-коллекторный узел

Щёточно-коллекторный узел — узел электрической машины, обеспечивающий электрическое соединение цепи ротора с цепями, расположенными в неподвижной части машины. Состоит из коллектора (набора контактов, расположенных на роторе) и щёток (скользящих контактов, расположенных вне ротора и прижатых к коллектору).

В коллекторном электродвигателе щёточно-коллекторный узел одновременно выполняет две функции:

  • является датчиком углового положения ротора (датчик угла) со скользящими контактами;
  • является переключателем направления тока со скользящими контактами в обмотках ротора в зависимости от углового положения ротора.

В бесколлекторных электродвигателях постоянного тока (вентильный электродвигатель) электронным аналогом щёточноколлекторного узла является датчик положения ротора и электронный переключатель направления тока в обмотках статора (инвертор).

В генераторах также одновременно выполняет две функции: является датчиком углового положения ротора со скользящими контактами и переключателем направления тока со скользящими контактами на токосъёмах (щётках) в зависимости от углового положения ротора, то есть является механическим выпрямителем.

В бесколлекторных генераторах переменного тока (синхронный генератор) обе функции — и датчика углового положения ротора (по направлению и величине ЭДС), и переключателя направления тока на выходных зажимах (по направлению и величине ЭДС) выполняет неуправляемый выпрямитель на диодах.

Кроме того, до середины XX в. широкое распространение имели механические выпрямители, коллекторы которых вращались синхронными двигателями для выпрямления сетевого напряжения. Применялись для мощных потребителей, устанавливались на заводах по производству алюминия, на тяговых подстанциях железных дорог и, иногда, трамваях.

Содержание

  • 1 Недостатки
  • 2 Примечание
  • 3 См. также
  • 4 Примечания
  • 5 Ссылки

Недостатки [ править | править код ]

Щёточно-коллекторный узел является одной из наименее надёжных частей электрических машин, поскольку скользящие контакты интенсивно изнашиваются от трения. Для профессионального электроинструмента, например, щётки являются расходным материалом. По этой причине с точки зрения надёжности предпочтительны двигатели без щёточно-коллекторного узла — вентильный электродвигатель и асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Щёточный контакт при нормальных условиях работы вызывает наибольшее число отказов в работе электрических машин. Так, в среднем 25 % отказов коллекторных машин постоянного тока происходит из-за выхода из строя щеточно-коллекторного узла, а в транспортных установках доля таких отказов достигает 44…66 %) [1] .

Примечание [ править | править код ]

Часть щёточно-коллекторного узла — «щётка» получила своё название от ранних конструкций, в которых действительно была похожа на щётку из множества гибких проволочек. В настоящее время изготавливается в виде бруска из графита или другого токопроводящего материала с малым удельным сопротивлением и малым коэффициентом трения.

Отличия коллекторных и бесколлекторных двигателей

Каждый, кто впервые видел искрящие щетки внутри дрели или болгарки, наверняка задавался вопросом, чем же отличается такой двигатель от других двигателей, например от тех, что стоят в сверлильных станках. Двигатели, установленные в не очень мощных станках, обычно не искрят, и работают они не так шумно, как та же дрель, обладающая меньшей чем станок мощностью.

В чем же дело? Дело в том, что двигатель с щетками — это коллекторный двигатель, а двигатель без щеток — бесколлекторный. Для решения разных задач подойдет свой тип двигателя — где-то лучше подойдет коллекторный, а где-то можно установить только бесколлекторный.

Коллекторный двигатель

Двигатель коллекторный имеет, как правило, всего два провода питания, он прост в управлении, достаточно регулировать постоянное или переменное напряжение питания и обороты станут соответственно меняться. Управлять коллекторным двигателем можно даже при помощи нехитрого диммера. Главное достоинство коллекторного двигателя — высокие обороты (десятки тысяч в минуту) при высоком крутящем моменте.

Принцип работы коллекторного двигателя очень прост. По сути, ротор его представляет собой набор медных рамок в магнитопроводе, которые поочередно коммутируются к источнику питания на коллекторно-щеточном узле. Статор может быть как из постоянных магнитов, так и с обмоткой, питаемой от того же источника, что и ротор, или от отдельного источника, а иногда статор и ротор включены в единую последовательную цепь (как например двигатели стиральных машинок-автоматов).

На каждую из секций обмотки ротора, через коллекторно-щеточный узел, поочередно, в процессе вращения ротора, подается электрический ток, в результате ротор перемагничивается, приобретая четко выраженные северный и южный магнитные полюсы, благодаря которым и происходит вращение ротора внутри статора (полюсы ротора выталкиваются полюсами статора, затем ротор дальше перемагничивается и вновь выталкивается). Поскольку ротор каждый раз коммутируется к источнику питания очередной секцией, вращение не останавливается, пока на коллектор подается питание.

Основной недостаток коллекторного двигателя

Обороты коллекторного двигателя очень удобно регулировать, но когда они достаточно высоки, щетки дают о себе знать. Поскольку щетки все время плотно прилегают к коллектору, на высоких оборотах они быстро изнашиваются, со временем так или иначе засоряются, и в конце концов начинают искрить.

Износ щеток, и вообще коллекторно-щеточного узла, ведет к снижению эффективности коллекторного двигателя. Таким образом, сам коллекторно-щеточный узел — это и есть главный недостаток коллекторных двигателей. Сегодня от коллекторных двигателей стараются отказываться в пользу бесщеточных шаговых.

Бесколлекторный (бесщеточный) двигатель

У бесколлекторного двигателя нет ни коллектора, ни щеток. Простейший пример бесколлекторного двигателя — асинхронный трехфазный двигатель с ротором типа «беличья клетка». Еще один пример бесколлекторного двигателя — более современный — шаговый двигатель с магнитным ротором. Обмотки статора бесколлекторного двигателя сами перемагничиваются так, чтобы ротор все время разворачивался и непрерывно таким образом вращался.

Чаще всего современные бесколлекторные двигатели оснащаются датчиком положения ротора, по сигналам с которого работает регулятор скорости вращения двигателя. Сигнал с датчика положения ротора передается на процессор более 100 раз в секунду, в результате получается точное позиционирование ротора и высокий крутящий момент. Бывают, конечно, бесколлекторные двигатели и без датчика положения ротора, яркий пример — тот же асинхронный трехфазный мотор. Моторы без датчика положения стоят дешевле чем с датчиком.

Читать еще:  Что такое 24 волговский двигатель

Достоинства бесколлекторных двигателей

Поскольку ресурс подшипников ротора крайне велик, можно сказать, что в бесколлекторном двигателе практически отсутствуют изнашиваемые со временем детали, и он вообще не требует обслуживания в процессе эксплуатации. Здесь сведено к минимуму трение, отсутствует проблема перегрева коллектора, в целом надежность и эффективность бесколлекторных двигателей очень высоки.

Нет искрящих щеток, датчик положения ротора поможет сделать управление точным, — недостатков практически нет, одни достоинства. Разве что цена качественных шаговых двигателей выше чем у коллекторных (плюс драйвер), но это ничто по сравнению с регулярной заменой пружин, щеток и коллекторов у коллекторных двигателей.

мтомд.инфо

Коллекторный двигатель переменного тока

Раздел:Электротехника

К коллекторным машинам переменного тока относятся асинхронные машины особого исполнения на якоре (роторе) находится замкнутая якорная обмотка подключаемая к коллектору и назначение такой обмотки заключается в том чтобы иметь возможность регулировать частоту ЭДС создаваемую во вторичной обмотке асинхронной машины. По принципу действия такая машина является асинхронной, так как ротор вращается с частотой отличной от частоты поля статора. Преобразователем частоты является механический преобразователь в виде коллектора и щеточного механизма и ЭДС преобразователя частоты вводится во вторичную цепь и позволяет регулировать частоту вращения в широких пределах.

Разработка коллекторных машин переменного тока началась в 1880г. Эти машины разрабатывали Томпсон, Рихтер. Они находят достаточно ограниченное применение в системах однофазного и трехфазного тока малой и средней мощности.

Достоинства коллекторных машин переменного тока

  • Источник питания под рукой.
  • Возможность плавного регулирования частоты вращения до 4:1 без применения регулирующих устройств.

Недостатки коллекторных машин переменного тока

  • Мощность и диапазон регулирования ограничены условиями коммутации.
  • Сложность устройства.
  • Стоимость в два раза выше стоимости двигателя постоянного тока и в 3 — 5 раз стоимости асинхронного двигателя.

На сегодняшний день применяются следующие виды коллекторных машин переменного тока: трехфазный двигатель с питанием со стороны статора, трехфазный двигатель последовательного возбуждения, двигатели Шрага — Рихтера, каскадные соединения асинхронных двигателей с коллекторными машинами.

Трехфазный коллекторный двигатель переменного тока с питанием со стороны статора и параллельным возбуждением

Обмотка статора — обычная трехфазная обмотка. Обмотка ротора — обмотка якоря постоянного тока. Введение ЭДС со стороны источника питания на щетки установленные на коллекторе практически приводит к введению ЭДС частоты в обмотку ротора через механический преобразователь частоты – коллектор. При изменении величины вводимой ЭДС или ее фазы достигается регулирование частоты вращения двигателя в пределах 1:2 — 1:4.

Для регулирования изменения ЭДС можно использовать два пути: с помощью согласующего трансформатора или смещением щеток. Машины данного типа выпускаются до 150 кВт, а по индивидуальным заказам до 1,5 МВт.

Трехфазный коллекторный двигатель с последовательным возбуждением

Отличается видом введения ЭДС во вторичную обмотку. Максимальный вращающий момент имеет место при угле сдвига магнитных осей статора и ротора 130-160° при угле сдвига альфа равным 0 или 180°. Электромагнитный момент равен нулю.

Такие двигатели регулировать частоту вращения 1:4 поскольку с изменением угла альфа изменяется вращающий момент, то есть изменяется скольжение то с увеличением скольжения момент возрастает и следовательно с увеличением нагрузки имеет место возрастание момента, поэтому такие двигатели целесообразно применять в системах с резкой зависимостью момента от частоты вращения (вентиляторы, центробежные насосы).

Типы двигателей у стиральных машин

Вращение барабана стиральной машины обеспечивается электродвигателем. Изначально для преобразования электрической энергии в механическую использовали ременные приводы, присоединенные к барабану и вызывающие его движение.Сегодня в большинстве старых моделей стиральных машин все еще применяется именно эта технология, однако новые модели существенно эволюционировали. Если вам потребуется мастер по ремонту стиральной машины, обращайтесь в нашу фирму.
Техническое совершенствование принесло миру три улучшенных типа двигателей:

  • асинхронный;
  • коллекторный;
  • бесколлекторный (прямой привод).

Каждый тип двигателей обладает своими достоинствами и недостатками, сильными и слабыми сторонами. При выборе стиральной машины следует учитывать эти показатели.

Асинхронный двигатель

Существуют двух- и трехфазные асинхронные двигатели для стиральных машин. Начиная с 2000-х годов, устройства с двухфазными двигателями практически не выпускают: их заменили более развитыми и компактными технологиями, к которым относятся и трехфазные с частотным регулированием скорости.

В устройстве таких моторов две основные части – неподвижный статор и вызывающий вращение барабана ротор. Скорость вращения может достигать 2800 оборотов в минуту. Самая частая неисправность – ослабление вращающего момента, из-за чего барабан начинает покачиваться по сторонам и не выполняет полных оборотов.

Асинхронный двигатель обладает следующими преимуществами:

  • простота конструкции;
  • легкость обслуживания (чаще всего необходимо лишь смазывать мотор или менять подшипники);
  • низкий уровень шума;
  • относительно низкая стоимость.

Недостатками же является большой размер мотора, низкий КПД, сложность при управлении электросхемами. В современных мощных стиральных машинах такие двигатели не используют, встретить их можно в простеньких и недорогих моделях.

Коллекторный двигатель

Около 80% всех бытовых приборов оснащены коллекторными моторами, и стиральные машины не исключение. Их используют с 90-х, а в 2000-х коллекторные двигатели практически полностью заменили двухфазные асинхронные. Такие моторы универсальны – они могут работать как от переменного, так и от постоянного тока.

Эти двигатели состоят из статора, коллекторного ротора, тахогенератора (генератора скорости вращения), алюминиевого корпуса и хотя бы двух щеток для контакта ротора с мотором. Щетки стачиваются о коллектор, поэтому периодически их необходимо менять.

Читать еще:  Что такое график всх двигателя

Коллекторный двигатель отличается такими достоинствами:

  • небольшие габариты;
  • большой пусковой момент;
  • нет привязки к частоте электросети;
  • плавное управление оборотами (частота вращение регулируется увеличением или уменьшением напряжения);
  • универсальность;
  • простота управляющей электросхемы;
  • быстроходность.

Значимые недостатки у коллекторных моторов – невысокий срок службы, необходимость замены щеток и шумность. Коллекторно-щеточный узел очень уязвим и выходит из строя чаще всех остальных деталей. При трении в этой области возникает искрение, вызывающее перегрев и отслоение ламелей коллектора от изолятора. Иногда обмотка ротора или статора подвергается межвитковому замыканию, что ведет к тому же искрению или ослаблению магнитного поля. В последнем случае ротор и барабан не крутятся полностью.

Прямой привод

Бесколлекторный двигатель называют также инверторным или мотором с прямым приводом. Это самая новая технология, разработанная корейским концерном LG. Распространение данного типа двигателей началось в середине 2005, с тех пор благодаря своей отличной работе, долговечности и компактности инверторный привод прочно занимает лидирующую позицию.

Сегодня эту технологию используют и другие компании, среди которых Haier, Samsung и Whirpool. Надежность, значимое превосходство прямых приводов над коллекторными и асинхронными двигателями, возможность сильно уменьшить габариты стиральных машин, устойчивость к износу, небольшое количество деталей и другие преимущества заметно расширили область применения бесколлекторных двигателей. Их оценили и начали использовать также в технике от Bosh и AEG.

В устройстве такого двигателя лишь ротор и статор, как и у асинхронного. Однако действие его совершенно иное. Привод присоединяется напрямую к барабану, что исключает применение соединительных элементов – самых уязвимых частей моторов. Управляющая схема в таких двигателях трехфазного инверторного типа.

Главные достоинства моторов этого типа такие:

  • простота конструкции;
  • удобное расположение в стиральной машине;
  • компактность;
  • низкий уровень колебания машинки;
  • КПД выше, чем у остальных видов двигателей;
  • отсутствие ремня и щеток, требующих регулярного обслуживания;
  • относительная бесшумность.

Единственный значимый недостаток прямых двигателей не связан с потребителями, он больше задевает производителей – схема управления довольно сложна и ее разработка требует больших усилий, чем при создании электросхемы коллекторного двигателя. Это дополнительно увеличивает цену на инверторные стиральные машины от Электролюкс, Бош и остальных компаний.

Что такое коллекторный двигатель постоянного тока и как он работает

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

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

Определение и устройство

В справочниках и энциклопедиях приводят, такое определение:

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

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

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

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

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

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

Принцип действия

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

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

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

Читать еще:  Porsche 911 тюнинг двигателя

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

Виды КДПТ и схемы соединения обмоток

По способу возбуждения коллекторные двигатели постоянного тока различают двух типов:

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

Различают такие типы КДПТ по способу соединения обмоток:

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

Условное графическое обозначение на схеме вы видите ниже.

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

Схема подключения и реверс

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

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

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

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

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

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

Сфера применения

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

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

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

Достоинства и недостатки

Разберем плюсы и минусы коллекторного двигателя постоянного тока. Преимущества:

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

Недостатки у КДПТ следующие:

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

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

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector