Что такое коллектор двигателя постоянного тока

Уход в эксплуатации за электродвигателями постоянного тока

Коллектор. Поверхность коллектора должна быть гладкой, отполированной и иметь красный цвет с фиолетовым оттенком. При загрязнении коллектора его протирают чистой, мягкой, неволокнистой сухой тряпкой, слегка смоченной в бензине или спирте. Если на поверхности коллектора есть значительные следы обгорания, чистить его нужно стеклянной бумагой № 180-220, навернутой на деревянную колодку, хорошо пригнанную по окружности коллектора.

Ширина бумаги должна быть равна длине коллектора. Шлифование коллектора без колодки недопустимо. Шлифование можно проводить при номинальной частоте вращения якоря машины без нагрузки.

Если в результате износа коллектора поверхность меди сравнялась с поверхностью межламельной миканитовой изоляции, то коллектор следует продорожить на глубину 1 — 1,5 мм, после чего дорожку прочистить щеткой и коллектор прошлифовать. Когда таким образом коллектор невозможно привести в нормальное состояние, его необходимо проточить и затем шлифовать.

Проточку коллектора выполняют только в холодном состоянии острым резцом. Коллектор при проточке не должен иметь осевых перемещений. При шлифовке его для предотвращения попадания внутрь машины медной пыли петушки и обмотку якоря следует оклеить бумагой, а по окончании шлифовки продуть машину сжатым воздухом.

На торце коллектора есть риска предельного износа, до которой его можно протачивать. Выступающая часть мнканитовой манжеты коллектора (конус) не должна иметь следов перебросов, пыли и грязи. Конус также необходимо протирать сухой и чистой тряпкой.

Щеткодержатели и щетки. Рабочая высота щетки должна быть для двигателей ДМК-1 не менее 15 мм и для двигателей П-11М не менее 10 мм. Износившиеся щетки необходимо заменить новыми. Вновь установленные щетки должны быть притерты к коллектору до полного их прилегания. Щетки притирают стеклянной шкуркой зернистостью от № 46 до 220, которую закладывают между коллектором и щеткой (шероховатой стороной к щетке). При этом стеклянную бумагу необходимо прижать к коллектору и протаскивать вперед и назад до тех пор, пока поверхность щетки не совпадет с окружностью коллектора.

После замены трех щеток и более не следует включать машину сразу на полную нагрузку. Рекомендуется в течение 8-10 ч давать 7з нормальной нагрузки, чтобы щетки приработались. Щетки должны свободно передвигаться вдоль обоймы (без заеданий) и в то же время зазор не должен быть более допустимого. При сработавшейся щетке можно допустить зазор по ширине не более 0,15 мм (по оси коллектора). Для машин П-11М и ДМК-1 применяют электрографитные щетки с размерами соответственно 8Х10X Х25 мм и 10X12,5X32 мм. Марки щеток ЭГ-4 и ЭГ-74.

Периодически следует проверять нажатие щеток на коллектор. Нормальное нажатие пальцев на щетки ЭГ-4 двигателей П-11М должно быть 120-160 гс, а для двигателей ДМК-1 — 190-250 гс. Для щеток марки ЭГ-74 двигателей П-11М нажатие должно составлять 200-320 гс, а для двигателей ДМК-1 — 310-500 гс. Слишком сильное нажатие ведет к чрезмерному нагреванию коллектора и быстрому износу как коллектора, так и щеток, а слабое вызывает опасное искрение. Зазор между нижней кромкой обоймы щеткодержателя и поверхностью коллектора у машин типа П составляет 1,5-2,5 мм.

При замене щеток необходимо проверить, не препятствует ли жгутик свободному перемещению щеток в обойме; крепление кабелей к щеткодержателям; межкатушечные соединения со стороны коллектора; состояние щитка зажимов и контактов; положение траверсы: нормальное положение траверсы обозначено яркой красной полоской, нанесенной на щите и на траверсе.

Уход за шариковыми подшипниками. Осматривать подшипники и менять в них смазку следует после 3000 ч работы и при текущем ремонте ТР-3 электровоза. Во время работы машины подшипники не должны нагреваться выше нормы, т. е. температура каждого подшипника при установившемся тепловом режиме машины не должна превышать-!-100°С, а их шум во время работы должен быть равномерным.

При появлении недопустимого превышения температуры, неравномерного или повышенного шума подшипники следует осмотреть,

для чего надо разобрать машину. После вскрытия подшипника необходимо промыть его вначале керосином, затем бензином, слегка наклонив машину обмоткой кверху.

В случае обнаружения трещин или других внешних повреждений подшипник заменить. Если при чистке и замене смазки повреждения не будут обнаружены, а шум не исчезнет и подшипник опять нагревается до температуры выше допустимой, то его следует заменить. Неисправный подшипник нужно снимать с вала специальным приспособлением — струбциной, съемником.

Для насадки на вал новый подшипник очистить от консервирующей смазки, промыв бензином, и подогреть его в масле при температуре 80-90° С. Подогреваемый подшипник ни в коем случае нельзя класть на дно сосуда, наполненного маслом и находящегося на источнике тепла. Нужно подвесить подшипник так, чтобы он не касался стенок и дна сосуда.

Подогретый подшипник легко насадить на вал, нанося легкие удары молотком по медной прокладке, упирающейся во внутреннее кольцо подшипника (но не в наружное). Удары непосредственно по подшипнику недопустимы.

После замены подшипника следует собрать машину. Прежде чем собрать подшипниковые узлы, надо заложить в них смазку, следя за тем, чтобы в подшипники не попали опилки, влага, пыль и т. п. Чрезмерное количество смазки может вызвать превышение допустимой температуры нагрева подшипников, поэтому полость каждого подшипника должна быть заполнена смазкой не более чем на 2/з ее объема. Пространство между шариками и сепараторами нужно заполнить смазкой по всей окружности, а углубления в наружной и во внутренней крышках — от ‘/з до 2/з объема углублений. Для наполнения каждого подшипника требуется 15-20 г смазки для двигателя П-11М марки ЖРО ТУ32ЦТ-015-71, а для двигателя ДМК-1 -марки ЦИАТИМ-221.

Можно применять смазку ЦИАТИМ-203. Смешивание смазок не допускается. После сборки подшипниковых узлов рекомендуется в течение 2-3 мин вращать якорь вручную (для первоначального распределения смазки), потом в течение 5 мин вращать якорь на холостом ходу при пониженном напряжении.

Для проверки качества сборки подшипниковых узлов нужно включить машину на холостой ход на 5-10 мин при номинальной частоте вращения. Превышение допустимой температуры подшипников, повышенный или неравномерный шум говорят о неудовлетворительной сборке или дефектах подшипников.

В двигателях П-11М и ДМК-1 заменить смазку можно, не разбирая их. Для этого необходимо:

открыть винтовые пробки, находящиеся в наружных крышках подшипниковых узлов или на фланцевых щитах;

через пресс-масленки, также находящиеся на наружной крышке подшипникового узла или на фланцевом щите, шприцем под давлением ввести новую смазку до полного вытеснения старой (отработанной) через спускное отверстие, закрываемое пробкой;

включить электродвигатель и дать ему поработать в течение 30 мин с открытыми спускными отверстиями для полного выхода из подшипниковых узлов излишка смазки;

выключить электродвигатель; после остановки открыть крышку переднего подшипникового щита и осмотреть внутреннюю подшипниковую крышку; при наличии смазки на поверхности крышки (в месте выхода вала) удалить ее ветошью;

закрыть спускные отверстия винтовыми пробками и включить электродвигатель для нормальной работы.

Особенности по уходу в зимнее время. Зимой вводить в теплое помещение электровоз можно толоко с теплыми электродвигателями При текущих ремонтах ТР-1 и ТР-2 необходимо проверить сопротивление изоляции электродвигателей мегомметром напряжением 500 В. Электродвигатель с сопротивлением менее 0,5 МОм подвергнуть сушке электрическим током, включив его на пониженное напряжение. Якорь при этом нужно медленно поворачивать.

Сушку можно вести методом наружною обогрева (посредством ламп, сушильных печей и др.). Во время сушки температура обмотки не должна превышать +100° С. Сушку считать законченной, если сопротивление изоляции достигло 0,5 МОм и при дальнейшей сушке в течение 2-3 ч увеличивается незначительно.

Щетки перед установкой необходимо сушить в печи в течение 10 ч при температуре +70° С. После сушки щетки хранить в сухом месте.

Разборка. При разборке электродвигателя следует:

отсоединить от двигателя все провода, подходящие к нему, и спаренный с ним механизм;

отвернуть болты, крепящие электродвигатель к каркасу, и, закрепив строп за грузовой винт, поднять двигатель;

стяжным приспособлением снять муфту или шкив;

снять крышки с коллекторных люков переднего щита; ослабить болты, крепящие траверсу;

поднять щетки и отсоединить кабели от траверсы;

отвернуть болты, крепящие крышку подшипника переднего щита;

отвернуть болты, крепящие передний и задний подшипниковые щиты к станине;

избегая перекосов, снять передний подшипниковый щит;

отжать задний подшипниковый щит от расточки станины, также избегая перекосов;

осторожно, стараясь не повредить обмотку, вынуть (в сторону вентилятора) из двигателя якорь вместе с задним подшипниковым щитом, предварительно обернув бумагой коллектор;

если необходимо снять задний щит с подшипника, то отвернуть болты, крепящие крышку подшипника, и снять щит. Якорь положить на верстак так, чтобы вентилятор свешивался;

если нужно снять траверсу, то отвернуть гайки болтов, крепящих ее к торцовой стенке переднего подшипникового щита, и вынуть траверсу из расточки щита;

прочистить машину, шариковые подшипники сначала промыть в керосине, а затем в бензине и обернуть промасленной бума!ой-, шариковые подшипники снимают только при их неисправности для замены.

Сборка. Станину, катушки, полюсы и якорь протереть сухой чистой тряпкой. Установить полюсы с катушками в станину и затянуть болтами. Якорь поместить на верстак или настил так, чтобы вентилятор свешивался. На вал надеть внутренние крышки, а затем напрессовать подшипники. Со стороны вентилятора поставить подшипниковый щит, смазать подшипник, поставить наружную подшипниковую крышку и затянуть болты.

Осторожно, избегая повреждении обмотки якоря, коллектора и полюсных катушек, вставить якорь в станину до полной посадки подшипникового щита в расточку. Укрепить передний подшипниковый щит с предварительно установленной траверсой по метке, сделанной на траверсе и подшипниковом щите заводом-изготовителем. Подшипниковые щиты равномерно затянуть болтами. Смазать подшипник, поставить наружную крышку и затянуть болтами. Вставить щетки в щеткодержатели, а коллекторные люки закрыть крышками.

Устройство коллекторных машин постоянного тока

Характерным признаком коллекторных машин является наличие у них коллектора — механического преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в таком преобразователе объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, так как только в этом случае в машине происходит непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии.

К коллекторным машинам постоянного тока относятся двигатель постоянного тока ДПТ и генератор постоянного тока ГПТ которые имеют одинаковую конструкцию и могут заменять друг друга то есть ДПТ может работать как ГПТ и наоборот. Разберем устройство коллекторных машин на примере двигателя постоянного тока.

Коллекторная машина постоянного тока состоит из:

1. Якоря (подвижная часть) который состоит из вала,обмотки якоря, коллектора, двух подшипников и сердечника. Сердечник — это цилиндр из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм покрытых электроизоляционным лаком. Такая сборная конструкция служит для уменьшения вихревых токов. В сердечнике есть пазы в которые вложены пазовые стороны обмотки якоря.
2. Статора (4) (неподвижной части) — станина, главные полюса с полюсными катушками(2,3).

Статор конструктивно может быть выполнен двух видов:

• сборный — состоит из цельной тянутой трубы и прикреплённым к ней внутри полюсов. Сердечник полюса выполнен в виде стального бруска либо из шихтованных пластин 0,5 — 1 мм. Обмотка полюса намотана вокруг сердечника. Обмотки полюсов соединены между собой последовательно и образуют обмотку возбуждения которая при подключении к источнику постоянного тока создаёт магнитное поле в магнитной системе двигателя.
• цельный шихтованный— применяется в машинах мощностью 600 Вт и более. Он состоит из из пакета пластин электротехнической стали сложной конфигурации толщиной 0,35 — 0,5 мм.

Устройство щеточно коллекторного перехода.

Наиболее сложным и ненадежным местом коллекторной машины является щеточно коллекторный переход который состоит из щеток (которые крепятся в щеткодержатели) и коллектора который состоит из набора коллекторных пластин трапецеидального сечения, разделенных миканитовыми прокладками. Пластины из меди и миканита удерживаются в сжатом состоянии за нижнюю часть, имеющую форму «ласточкина хвоста», посредством стальных конусных колец 1 (рис. 13.2). Выступающая вверх часть коллекторных пластин 6, называемая «петушок», служит для присоединения секций обмотки якоря к пластинам коллектора. Коллекторные пластины изолируют от конусных колец миканитовыми манжетами 3, а от втулки 5 — миканитовым изолирующим цилиндром 4. Поверхность медных пластин каллектора в процессе работы машины постепенно истирается щетками. Что бы при этом миканитовые прокладки не выступали над рабочей поверхностью медных пластин, что могло бы привести к нарушению электрического контакта коллектора со щетками, приходится периодически выполнять «продораживаные» коллектора. Эта операция состоит в том, что между рабочими поверхностями коллекторных пластин фрезеруют пазы (дорожки) на глубину до 1,5 мм (рис. 13.4).

Достоинства и недостатки коллекторных машин постоянного тока.

Электрические машины постоянного тока используют как в качестве генераторов, так и двигателей. Наибольшее применение имеют двигатели 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 используют для привода подъемных устройств в качестве крановых двигателей и привода транспортных средств, а также в качестве тяговых двигателей.

Основные достоинства двигателей постоянного тока по сравнению с бесколлекторными двигателями переменного тока — хорошие пусковые и регулировочные свойства, возможность получения частоты вращения более 3000 об/мин, а недостатки — относительно высокая стоимость, некоторая сложность в изготовлении, пониженная надежность. Эти недостатки машин постоянного тока обусловлены наличием в них щеточно-коплекторного узла, который к тому же является источником радиопомех и пожароопасности. Но, несмотря на отмеченные недостатки, двигатели постоянного тока в некоторых случаях пока незаменимы, так как обладают большой перегрузочной способностью, хорошими пусковыми и регулировочными свойствами.

Коллектор в двигателе

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Статор (постоянный магнит)

Рисунок 1 — Электродвигатель постоянного тока с постоянными магнитами в разрезе

Ротор — вращающаяся часть электрической машины.

Статор — неподвижная часть двигателя.

Индуктор (система возбуждения) — часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины, 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.

Якорь — часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины, в которой индуктируется электродвижущая сила и протекает ток нагрузки [2]. В качестве якоря может выступать как ротор так и статор. В двигателе, показанном на рис. 1, ротор является якорем.

Щетки — часть электрической цепи, по которой от источника питания электрический ток передается к якорю. Щетки изготавливаются из графита или других материалов. Двигатель постоянного тока содержит одну пару щеток или более. Одна из двух щеток соединяется с положительным, а другая — с отрицательным выводом источника питания.

Коллектор — часть двигателя, контактирующая со щетками. С помощью щеток и коллектора электрический ток распределяется по катушкам обмотки якоря [1].

Принцип работы коллекторного двигателя

По конструкции статора коллекторный двигатель может быть с постоянными магнитами и с обмотками возбуждения.

Коллекторный двигатель с постоянными магнитами

Схема коллекторного двигателя с постоянными магнитами

Коллекторный двигатель постоянного тока (КДПТ) с постоянными магнитами является наиболее распространенным среди КДПТ. Индуктор 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.

Коллекторный двигатель с обмотками возбуждения

Двигатели независимого и параллельного возбуждения

В электродвигателях независимого возбуждения обмотка возбуждения электрически не связана с обмоткой якоря (рисунок выше). Обычно напряжение возбуждения UОВ 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 [3].

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 механическую характеристику 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 КДПТ ПМ, 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 [5].

Двигатель последовательного возбуждения

В электродвигателях последовательного возбуждения обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, при этом ток возбуждения равен току якоря (Iв = Iа), что придает двигателям особые свойства. При небольших нагрузках, когда ток якоря меньше номинального тока (Iа

Коллекторный двигатель постоянного тока

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.