Колекторний електродвигун: переваги, недоліки, область застосування

Ми часто зустрічаємося з електродвигунами. Вони забезпечують роботу побутової і будівельної техніки, є складовою частиною виробничого обладнання. Чимала частина пристроїв має в складі колекторний двигун. Це один з простих і недорогих движків, який має хороші характеристики. Саме цим, та ще невисокою ціною, обумовлена ​​його популярність. 

Що таке колекторний двигун і його особливості

Колектором називають частину двигуна, що контактує зі щітками. Цей вузол забезпечує передачу електроенергії в робочу частину агрегату. Колекторним називається двигун, у якого хоча б одна обмотка ротора з’єднана зі щітками і колектором. Колекторні електродвигуни бувають:

  • постійного струму;
  • змінного струму;
  • універсальні.

Колекторний двигун може бути постійного і змінного струму. Є універсальні моделі, які можуть працювати від джерела напруги будь-якого типу

Останні універсальні, працюють як від постійного, так і від змінного струму. Вони зберігають популярність, навіть незважаючи на те, що наявність щіток негативний момент, так як щітки стираються і іскрять. За цим вузлом потрібне постійне спостереження, технічне обслуговування. До плюсів колекторних двигунів відносять можливість плавного регулювання швидкості в широких межах, невисоку вартість.

Як і інші електромотори, колекторний складається зі статора і ротора (часто називають «якір»). Його відмінною рисою є наявність на валу колекторного вузла, через який на машину передається електроживлення. Пристрій колекторних моторів постійного і змінного струму схожі, але мають певні відмінності, тому розглянемо докладніше їх окремо.

Загальний пристрій колекторних двигунів

Як і будь-який електродвигун, колекторний перетворює електричну енергію в механічну. Він складається з нерухомої частини – статора і рухомий – ротора. У статорі розташовуються обмотки збудження, ротор відповідає за передачу виникає механічної енергії. Одна зі складових частин ротора – вал. З одного боку, на валу розміщений колекторний вузол, за допомогою якого на обмотки ротора передається електрична енергія.

Колекторний двигун: пристрій

Статор складається з корпусу, який захищає компоненти мотора від пошкоджень. Зверху і знизу корпусу кріпляться магнітні полюси. Вони необхідні для підтримки магнітного потоку між статором і ротором.

Ротор колекторного двигуна

Ротор колекторного двигуна складається з вала, на який насаджується збірний муздрамтеатр. З одного боку, на вал кріпиться колекторний вузол, з іншого, лопаті вентилятора. Для забезпечення легкого обертання і для фіксації в корпусі на вал з двох сторін надягають підшипники. Для нормальної роботи електродвигуна, необхідно щоб ротор був відмінно збалансований. Тому до виготовлення цієї частини підходять особливо скрупульозно.

Рухома (обертається) частину

роторна обмотка

Сердечник ротора збирається з металевих пластин, відштампованих з магнітного металу. Товщина пластин 0,35-0,5 мм, кожна з них залита шаром діелектричного лаку, для позбавлення від паразитних струмів. Пластини по зовнішньому краю мають пази, в які потім вкладаються витки мідного дроту. Ці пластини насаджуються на вал і закріплюються на ньому, збирається пакет необхідного розміру. Ця система є магнітопроводом.

Так виглядає ротор колекторного двигуна

У пази муздрамтеатру укладається витки мідного обмотувального проводу. Виходи обмоток виводяться на колекторний вузол, де і відбувається їх перемикання.

Як влаштований колекторний вузол і як він працює

Колекторний вузол варто розглянути докладніше. Інакше зрозуміти, як обертається ротор, складно. Колектор має циліндричну форму і набраний з мідних пластин (іноді називають ламелями), які ізольовані один від одного слюдяними або текстолітовими прокладками. Немає електричного контакту і з віссю вала, до якого він кріпиться.

Колектор має вигляд циліндра, який набраний з мідних пластин. Пластини зроблені у вигляді секторів, розділені діелектричними прокладками

Виходить, колектор зібраний з мідних секторів і без обмотки електрично один з одним не пов’язаних. До кожної пластині колектора кріпиться висновок однієї рамки обмотки ротора. До площині двох протилежних рамок колектора притискається дві щітки. Вони щільно прилягають до поверхні мідної пластини колектора, що дає хороший контакт. На ці щітки подається потенціал, який і передається в той виток обмотки ротора, який підключений до цих пластин.

До парним пластин колектора притискаються графітові щітки

Так як ротор з деякою швидкістю обертається, одна пара пластин змінюється іншою. Таким чином, напруга передається на всі обмотки ротора. При цьому виникають один за одним поля підтримують обертання ротора, «проштовхуючи» його в потрібному напрямку.

Принцип роботи

Ось тепер, після того як розглянули пристрій ротора, можна поговорити про те, як працює колекторний двигун. Власне, принцип дії не відрізняється від інших моторів, ротор починає обертатися в магнітному полі завдяки наведеним на ньому струмів. Але як саме і чому ці струму наводяться? Для розуміння треба згадати, як виникає електрорушійна сила в постійному магнітному полі. Якщо в поле постійного магніту ввести прямокутну рамку, під дією виникає в ній струму вона починає обертання. Напрямок обертання визначається за правилом свердлика. Для постійного поля воно говорить так, якщо ввести праву руку в поле так, щоб магнітні лінії входили в долоню, витягнуті пальці вкажуть напрямок руху.

Ілюстрація до пояснення принципу роботи колекторного двигуна постійного струму

Якщо подивитися на пристрій ротора, то бачимо, що кожна обмотка являє собою таку рамку. Тільки полягає вона не з одного проводу, а з декількох, але суті це не міняє. За допомогою колекторного вузла, в якийсь момент часу, обмотка підключається до живлення, по ній протікає струм і навколо провідника виникає магнітне поле. Воно взаємодіє з полем статора. Залежно від типу, стоять там постійні магніти або теж протікає постійний струм в обмотках, генеруючи на полюсах власне магнітне поле. Поля ротора і статора розраховані так, що при взаємодії вони «проштовхують» ротор в потрібному напрямку. Ось, коротко і без особливих подробиць опис роботи колекторного двигуна постійного струму.

Обмотки на роторі підключаються до пластин колектора. Коли з пластинами контактують щітки, отримуємо замкнутий контур, по якому тече струм

Якщо трохи вдуматися, можна зрозуміти, чому колекторний двигун дозволяє легко і плавно регулювати швидкість. Чим більша напруга подається на обмотки ротора, тим потужніше поле генерує статор, тим сильніше їх взаємодія і швидше крутиться ротор, так як його штовхають з більшою силою. Якщо напруга зменшити, взаємодія менше, результуюча швидкість обертання теж. Так що все що потрібно регулювати напругу, а це може навіть простий потенціометр (змінний опір).

Достоїнства і недоліки

Як водиться, почнемо з перерахування плюсів. Переваги колекторних електромоторів такі:

  • Простий пристрій.
  • Висока швидкість до 10 000 об / хв.
  • Хороший крутний момент навіть на малих обертах.
  • Невисока вартість.
  • Можливість регулювати швидкість в широких межах.
  • Невисокі пускові струми і навантаження.

Схема колекторного двигуна

Непогані якості, але є і недоліки, причому вони не менш серйозні. Мінуси колекторних електродвигунів такі:

  • Високий рівень шумів при роботі. Особливо на високих швидкостях. Щітки труться об колектор, додатково створюючи шуми.
  • Іскріння щіток, їх знос.
  • Необхідність частого обслуговування колекторного вузла.
  • Нестабільність показників при зміні навантаження.
  • Висока частота відмов через наявність колектора і щіток, малий термін служби цього вузла.

В цілому, колекторний двигун непоганий вибір, інакше його не ставили б на побутовій техніці. Справедливості заради варто сказати, що при нормальній якості виконання, працюють такі двигуни роками. Можуть і 10-15 років пропрацювати без проблем.

Колекторний двигун постійного струму з магнітами

У колекторних двигунах постійного струму постійне магнітне поле забезпечують:

  • постійні магніти;
  • обмотки збудження.

Магніти та обмотки розташовуються на корпусі статора, і частіше за все, вгорі і внизу. Якщо говорити про малопотужних моторах, то більш популярні колекторні двигуни з постійними магнітами. Вони простіше у виробництві, дешевше, швидко реагують на зміну напруги, що дозволяє плавно регулювати швидкість. Недолік моторів з постійними магнітами є їх невисока потужність, а ще те, що з часом або при перегріванні магніти втрачають свої властивості і це призводить до погіршення характеристик двигуна.

Пристрій колекторного двигуна постійного струму

Такі мотори мають невелику потужність, від одиниць до сотень Ватт. Вони використовуються в техніці, для якої важлива плавне регулювання швидкостей. Це зазвичай дитячі іграшки, деякі види побутової техніки (в основному вентилятори). Недоліком колекторного двигуна з магнітами є поступова втрата потужності, магніти з часом стають слабкішими, і без того невелика потужність падає. Але останнім часом з’явилися нові магнітні сплави з великою магнітною силою, що дозволяють створювати двигуни з великою потужністю.

З обмотками збудження

Колекторні двигуни постійного струму з обмотками збудження знайшли більш широке застосування. Від двигунів цього типу працює від акумуляторної батареї: болгарки, дрилі, шуруповерти т.д. Обмотки збудження роблять з ізольованого мідного дроту (в лакової оболонці). В якості основи використовуються канавки в полюсних наконечниках. На них як на основу намотуються обмотки.

Колекторний двигун з системою обмоточного збудження

Якщо подивитися на пристрій колекторного двигуна, ми бачимо два незв’язаних між собою пристрої, ротор і обмотки збудження. Від способу їх передачі даних залежить характеристики і властивості двигуна. Розрізняють чотири способи з’єднання ротора і обмоток збудження. Ці способи називають способами збудження. Ось вони:

  • Незалежне. Можливо тільки якщо напруги на обмотці збудження і на якорі нерівні (буває дуже рідко). Якщо вони рівні, використовується схема паралельного збудження.
  • Паралельне. Добре регулюється швидкість, стабільна робота на низьких оборотах, постійні характеристики, незалежні від часу. До недоліків підключення цього типу відноситься нестабільність двигуна при падінні струму індуктора нижче нуля.
  • Послідовне. При такому підключенні не можна включати двигун з навантаженням на валу нижче 25% від номінальної. При відсутності навантаження швидкість обертання сильно зростає, що може зруйнувати двигун. Тому з ремінною передачею такий тип підключення не використовують, при обриві ременя мотор руйнується. Схема послідовного збудження має високий момент на низьких оборотах, але не дуже добре працює на високих, управляти швидкістю складно.
  • Змішане. Вважається одним з кращих. Добре управляється, має високий крутний момент на низьких оборотах, рідко виходить з-під контролю. З недоліків найвища ціна в порівнянні з іншими типами.

Способи підключення обмоток збудження

Колекторні двигуни постійного струму можуть мати ККД від 8-10% до 85-88%. Залежить від типу підключення. Але високопродуктивні відрізняються високими оборотами (тисячі обертів на хвилину, рідше сотні) і низьким моментом, так що вони ідеальні для вентиляторів. Для будь-якої іншої техніки використовують низькообертовим моделі з малим ККД, або до продуктивних моделей додають редуктор, іншого рішення поки не знайшли.

Універсальні колекторні двигуни

Незважаючи на те, що колекторний вузол можна назвати найслабшим місцем електродвигуна, подібні моделі знайшли широке застосування. Все завдяки невисокій ціні і легкості управління швидкістю. Колекторні двигуни змінного струму стоять практично в будь-якої побутової техніки, як великої, так і дрібної. Міксери, блендери, кавомолки, будівельні фени, навіть пральні машини (привід барабана).

Універсальний колекторний двигун працює від постійного і змінного напруги

За будовою універсальні колекторні двигуни не відрізняються від моделей постійного струму з обмотками збудження. Різниця, безумовно є, але вона не в пристрої, а в деталях:

  • Схема збудження завжди послідовна.
  • Магнітні системи ротора і статора для компенсації магнітних втрат роблять шіхтованного типу (єдина система без суцільних розрізів).
  • Обмотка збудження складається з декількох секцій. Це необхідно, щоб режими роботи на постійному і змінному напрузі були схожі.

Робота колекторних електродвигунів універсального типу заснована на тому, що якщо одночасно (або майже одночасно) поміняти полярність харчування на обмотках статора і ротора, напрямок результуючого моменту залишиться тим же. При послідовній схемі збудження полярність змінюється з дуже невеликою затримкою. Так що напрямок обертання ротора залишається тим же.

Достоїнства і недоліки

Хоча універсальні колекторні двигуни активно використовуються, вони мають серйозні недоліки:

  • Більш низький ККД при роботі на змінному струмі (якщо порівнювати з роботою на постійному такого ж напруги).
  • Сильне іскріння колекторного вузла на змінному струмі.
  • Створюють радіоперешкоди.
  • Підвищений рівень шуму при роботі.

У багатьох моделях будівельної техніки

Але всі ці недоліки нівелюються тим, що при частоті напруги живлення в 50 Гц вони можуть обертатися зі швидкістю 9000-10000 об / хв. У порівнянні з синхронними і асинхронними двигунами це дуже багато, максимальна їх швидкість – 3000 об / хв. Саме це зумовило використання цього типу моторів в побутовій техніці. Але поступово вони замінюються сучасними бесщеточними двигунами. З розвитком напівпровідників їх виробництво і управління стає все більш дешевим і простим.

Ссылка на основную публикацию