В бытовом электрооборудовании, где используются электродвигатели, как правило, устанавливаются электромашины с механической коммутацией. Такой тип двигателей называют коллекторными (далее КД). Предлагаем рассмотреть различные виды таких устройств, их принцип действия и конструктивные особенности. Мы также расскажем о достоинствах и недостатках каждого из них, приведем примеры сферы применения.
Содержание
- Что такое коллекторный двигатель?
- Виды КД
- КД универсального типа
- Особенности и область применения универсальных КД
- КД с индуктором на постоянных магнитах
- Независимые и параллельные катушки возбуждения
- Последовательная катушка возбуждения
- Смешанные катушки возбуждения
Что такое коллекторный двигатель?
Под таким определением подразумевается электромашина, преобразовывающая электроэнергию в механическую, и наоборот. Конструкция устройства предполагает наличие хотя бы одной обмотки подсоединенной к коллектору (см. рис. 1).
В КД данный элемент конструкции используется для переключения обмоток и в качестве датчика, позволяющего определить положение якоря (ротора).
Виды КД
Классифицировать данные устройства принято по типу питания, в зависимости от этого различают две группы КД:
- Постоянного тока. Такие машины отличаются высоким пусковым моментом, плавным управлением частоты вращения и относительно простой конструкцией.
- Универсальные. Могут работать как от постоянного, так и переменного источника электроэнергии. Отличаются компактными размерами, невысокой стоимостью и простотой управления.
Первые, делятся на два подвида, в зависимости от организации индуктора он может быть на постоянных магнитах или специальных катушках возбуждения. Они служат для создания магнитного потока, необходимого для образования вращательного момента. КД, где используются катушки возбуждения, различают по типам обмоток, они могут быть:
- независимыми;
- параллельными;
- последовательными;
- смешанными.
Разобравшись с видами, рассмотрим каждый из них.
КД универсального типа
На рисунке ниже представлен внешний вид электромашины данного типа и ее основные элементы конструкции. Данное исполнение характерно практически для всех КД.
Обозначения:
- А – механический коммутатор, его также называют коллектором, его функции были описаны выше.
- В – щеткодержатели, служат для крепления щеток (как правило, из графита), через которые напряжение поступает на обмотки якоря.
- С – Сердечник статора (набирается из пластин, материалом для которых служит электротехническая сталь).
- D – Обмотки статора, данный узел относится к системе возбуждения (индуктору).
- Е – Вал якоря.
У устройств данного типа, возбуждение может быть последовательным и параллельным, но поскольку последний вариант сейчас не производят, мы его не будем рассматривать. Что касается универсальных КД последовательного возбуждения, то типовая схема таких электромашин представлена ниже.
Универсальный КД может работать от переменного напряжения благодаря тому, что когда происходит смена полярности, ток в обмотках возбуждения и якоря также меняет направление. В результате этого вращательный момент не изменяет своего направления.
Особенности и область применения универсальных КД
Основные недостатки данного устройства проявляются при его подключении к источникам переменного напряжения, что отражается в следующем:
- снижение КПД;
- повышенное искрообразование в щеточно-коллекторном узле, и как следствие, его быстрый износ.
Ранее КД широко применялись, во многих бытовых электроприборах (инструмент, стиральные машины, пылесосы и т.д.). На текущий момент производители практически престали использовать данный тип двигателей отдав предпочтение безколлекторным электромашинам.
Теперь рассмотрим коллекторные электромашины, работающие от источников постоянного напряжения.
КД с индуктором на постоянных магнитах
Конструктивно такие электромашины отличаются от универсальных тем, что вместо катушек возбуждения используются постоянные магниты.
Этот вид КД получил наибольшее распространение по сравнению с другими электромашинами данного типа. Это объясняется невысокой стоимостью вследствие простоты конструкции, простым управлением скорости вращения (зависит от напряжения) и изменением его направления (достаточно изменить полярность). Мощность двигателя напрямую зависит от напряженности поля, создаваемого постоянными магнитами, что вносит определенные ограничения.
Основная сфера применения – маломощные приводы для различного оборудования, часто используется в детских игрушках.
К числу преимуществ можно отнести следующие качества:
- высокий момент силы даже на низкой частоте оборотов;
- динамичность управления;
- низкая стоимость.
Основные недостатки:
- малая мощность;
- потеря магнитами своих свойств от перегрева или с течением времени.
Для устранения одного из основных недостатков данных устройств (старения магнитов) в системе возбуждения используются специальные обмотки, перейдем к рассмотрению таких КД.
Независимые и параллельные катушки возбуждения
Первые получили такое название вследствие того, что обмотки индуктора и якоря не подключаются друг к другу и запитываются отдельно (см. А на рис. 6).
Особенность такого подключения заключается в том, что питание U и UK должны отличаться, в противном случае н возникнет момент силы. Если невозможно организовать такие условия, то катушки якоря и индуктора подключается параллельно (см. В на рис. 6). Оба вида КД обладают одинаковыми характеристиками, мы сочли возможным объединить их в одном разделе.
Момент силы у таких электромашин высокий при низкой частоте вращения и уменьшается при ее увеличении. Характерно, что токи якоря и катушки независимы, а общий ток является суммой токов, проходящих через эти обмотки. В результат этого, при падении тока катушки возбуждения до 0, КД с большой вероятностью выйдет из строя.
Сфера применения таких устройств – силовые установки с мощностью от 3 кВт.
Положительные черты:
- отсутствие постоянных магнитов снимает проблему их выхода из строя с течением времени;
- высокий момент силы на низкой частоте вращения;
- простое и динамичное управление.
Минусы:
- стоимость выше, чем у устройств на постоянных магнитах;
- недопустимость падения тока ниже порогового значения на катушке возбуждения, поскольку это приведет к поломке.
Последовательная катушка возбуждения
Схема такого КД представлена на рисунке ниже.
Поскольку обмотки включены последовательно, то ток в них будет равным. В результате этого, когда ток в обмотке статора становится меньше, чем номинальный (это происходит при небольшой нагрузке), уменьшается мощность магнитного потока. Соответственно, когда нагрузка увеличивается, пропорционально увеличивается мощность потока, вплоть до полного насыщения магнитной системы, после чего эта зависимость нарушается. То есть, в дальнейшем рост тока в обмотке катушки якоря не приводит к увеличению магнитного потока.
Указанная выше особенность проявляется в том, что КД данного типа непозволительно запускать при нагрузке на четверть меньше номинальной. Это может привести к тому, что ротор электромашины резко увеличит частоту вращения, то есть, двигатель пойдет «в разнос». Соответственно, такая особенность вносит ограничения на сферу применения, например, в механизмах с ременной передачей. Это связано с тем, что при ее обрыве электромашина начинает работать в холостом режиме.
Указанная особенность не распространяется на устройства, чья мощность менее 200 Вт, для них допустимы падения нагрузки вплоть до холостого режима работы.
Преимущества КД с последовательной катушкой, такие же, как у предыдущей модели, за исключением простоты и динамичности управления. Что касается минусов, то к ним следует отнести:
- высокую стоимость в сравнении с аналогами на постоянных магнитах;
- низкий уровень момента силы при высокой частоте оборотов;
- поскольку обмотки статора и возбуждения подключены последовательно, возникают проблемы с управлением скоростью вращения;
- работа без нагрузки приводит к поломке КД.
Смешанные катушки возбуждения
Как видно из схемы, представленной на рисунке ниже, индуктор на КД данного типа обладает двумя катушками, подключенных последовательно и параллельно обмотке ротора.
Как правило, одна из катушек обладает большей намагничивающей силой, поэтому она считается, как основная, соответственно, вторая – дополнительная (вспомогательная). Допускается встречное и согласованное включение катушек, в зависимости от этого интенсивность магнитного потока соответствует разности или сумме магнитных сил каждой обмотки.
При встречном включении характеристики КД становятся близкими к соответствующим показателям электромашин с последовательным или параллельным возбуждением (в зависимости от того, какая из катушек является основной). То есть, такое включение актуально, если необходимо получить результат в виде неизменной частоты оборотов или их увеличению при возрастании нагрузки.
Согласованное включение приводит к тому, что характеристики КД будут соответствовать среднему значению показателями электромашин с параллельными и последовательными катушками возбуждения.
Единственный недостаток такой конструкции – самая высокая стоимость в сравнении с другими типами КД. Цена оправдывается благодаря следующими положительными качествами:
- не устаревают магниты, за отсутствием таковых;
- малая вероятность выхода из строя при нештатных режимах работы;
- высокий момент силы на низкой частоте вращения;
- простое и динамичное управление.