Що таке колекторний двигун постійного струму і як він працює

Колекторні електродвигуни досить поширені в побуті і на виробництві. Вони використовуються для приводу різних механізмів, електроінструменту, в автомобілях. Почасти популярність зумовлена ​​простим регулюванням обертів ротора, але є і деякі обмеження їх застосування і звичайно ж недоліки. Давайте розберемося що таке колекторний двигун постійного струму (КДПТ), які бувають різновиди даного виду електродвигунів і де вони використовуються.

Визначення та пристрій

У довідниках і енциклопедіях призводять, таке визначення:

«Колекторні називається електродвигун, у якого датчиком положення вала і перемикачем обмоток є одне і те ж пристрій - колектор. Такі двигуни можуть працювати або тільки на постійному струмі, або і на постійному, і на змінному. »

Колекторний електродвигун, як і будь-який інший, складається з ротора і статора. В цьому випадку ротор - є якорем. Нагадаємо, що якорем називається та частина електричної машини, яка споживає основний струм, і в якій індукується електрорушійна сила.

Для чого потрібен і як влаштований колектор? Колектор розташований на валу (роторі), і являє собою набір поздовжньо розташованих пластин, ізольованих від вала і один від одного. Їх називають ламелями. До ламелям підключаються відводи секцій обмоток якоря (пристрій якірної обмотки КДПТ ви бачите на групі малюнків нижче), а точніше до кожної з них підключений кінець попередньої і початок наступної секції обмотки.

Струм до обмоток подається через щітки. Щітки утворюють ковзний контакт і під час обертання валу стикаються то з одного, то з іншого ламелью. Таким чином відбувається перемикання обмоток якоря, для цього і потрібен колектор.

Щітковий вузол складається з кронштейна з щіткотримачами, безпосередньо в них і встановлюються графітові або металографітові щітки. Для забезпечення хорошого контакту щітки притискаються до колектора пружинами.

На статорі встановлюються постійні магніти або електромагніти (обмотка збудження), які створюють магнітне поле статора. В літературі по електричним машинам замість слова «статор» частіше використовують терміни «магнітна система» або «індуктор». На малюнку нижче зображено конструкція ДПТ в різних проекціях. Тепер же давайте розберемося як працює колекторний двигун постійного струму!

Принцип дії

Коли струм протікає через обмотку якоря, виникає магнітне поле, напрямок якого можна визначити за допомогою правила свердлика. Постійне магнітне поле статора взаємодіє з полем якоря, і він починає обертатися завдяки тому, що однойменні полюси відштовхуються, притягаючи до різнойменний. Це добре ілюструє малюнок нижче.

При переході щіток на інші ламелі ток починає протікати в зворотну сторону (якщо розглядати наведений вище приклад), магнітні полюси міняються місцями і процес повторюється.

В сучасних колекторних машинах не використовується двополюсна конструкція через нерівномірність обертання, в момент перемикання напрямку струму сили, що діють на якір, будуть мінімальні. А якщо включити двигун, вал якого зупинився в цьому «перехідному» стані - він може і не почати обертатися зовсім. Тому на колекторі сучасного двигуна постійного струму розташовано значно більше полюсів і секцій обмоток, покладених в пазах шіхтованного сердечника, таким чином досягаються оптимальні плавність руху і момент на валу.

Принцип роботи колекторного двигуна простою мовою для чайників розкритий в наступному відеоролику, переконливо рекомендуємо ознайомитися.

Види КДПТ і схеми з'єднання обмоток

За способом збудження колекторні двигуни постійного струму розрізняють двох типів:

  • З постійними магнітами (малопотужні двигуни потужністю десятки і сотні Ватт).
  • З електромагнітами (потужні машини, наприклад, на вантажопідіймальних механізмах і верстатах).

Розрізняють такі типи КДПТ за способом з'єднання обмоток:

  • Послідовного збудження (в старій вітчизняній літературі і від старих електриків можна почути назву «серієсний», від англ. Serial). Тут обмотка збудження підключена послідовно з обмоткою якоря. Високий пусковий момент - перевага такої схеми, а її недолік - падіння частоти обертання зі збільшенням навантаження на валу (м'яка механічна характеристика), і то що двигун йде в рознос (неконтрольоване зростання оборотів з наступним пошкодженням опорних підшипників і якоря) якщо працюють на холостому ходу або з навантаженням на валу в менше 20-30% від номінальної.
  • Паралельного (також називають «шунтові»). Відповідно обмотка збудження підключена паралельно обмотці якоря. На низьких оборотах на валу високий момент і стабільний у відносно широкому діапазоні оборотів, а зі збільшенням оборотів він зменшується. Перевага - стабільні обороти в широкому діапазоні навантаження на валу (обмежується його потужністю), а недолік - при обриві в ланцюзі збудження може піти в рознос.
  • Незалежно. Обмотки збудження і якоря живляться від різних джерел. Таке рішення дозволяє точніше регулювати обороти вала. Особливості роботи схожі на ДПТ з паралельним збудженням.
    Змішаного. Частина обмотки збудження підключена паралельно, а частина послідовно з якорем. Поєднують гідності послідовного і паралельного типів.

В іноземній і сучасній вітчизняній літературі, а також на схемах можна зустріти і інше уявлення УДО для КДПТ, як було наведено на попередньому малюнку у вигляді кола з двома квадратами, де коло позначає якір, а два квадрата - щітки.
Схема підключення і реверс

Схема з'єднання обмоток статора і ротора визначається при виготовленні, і, в залежності від того, де застосовується конкретний двигун, потрібно вибирати відповідне рішення. У певних режимах роботи (гальмівний режим, наприклад) схеми включення обмоток можуть змінюватися або вводитися додаткові елементи.

Включають малопотужні колекторні двигуни постійного струму за допомогою: напівпровідникових ключів (транзисторів), тумблерів або кнопок, спеціалізованих мікросхем-драйверів або за допомогою малопотужних реле. Великі потужні машини підключаються до мережі постійного струму через двополюсні контактори.

Нижче ви бачите реверсивну схему підключення двигуна постійного струму до мережі 220В. На практиці, на виробництві схема буде аналогічною, але діодного моста в ній не буде, оскільки всі лінії для підключення таких двигунів прокладаються від тягових підстанцій, де перемінний струм випрямляється.

Реверс здійснюється шляхом зміни полярності на обмотці збудження або на якорі. Змінити полярність і там, і там не можна, оскільки напрямок обертання вала не зміниться, як це відбувається з універсальними колекторними двигунами при роботі на змінному струмі.

Для плавного пуску двигуна в ланцюг живлення обмотки якоря або обмотки якоря і обмотки збудження (в залежності від схеми їх з'єднання) вводять регулювальний пристрій, наприклад, реостат, таким же чином регулюють і частоту обертання валу, але замість реостата частіше використовують набір постійних резисторів, що підключаються за допомогою набору контакторів.

У сучасних додатках частота обертів змінюється за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) і напівпровідникового ключа, саме так це і зроблено в акумуляторному інструменті (шуруповерт, наприклад). ККД такого способу значно вище.

Сфера використання

Колекторні двигуни постійного струму застосовуються повсюдно як в побуті, так і в промислових пристроях і механізмах, давайте коротко розглянемо їх область застосування:

  • В автомобілях використовують 12В і 24В колекторні ДПТ для приводу щіток склоочисників (двірників), в склопідйомники, для запуску двигуна (стартер - це колекторний двигун постійного струму послідовного або змішаного збудження) і приводах іншого призначення.
  • У вантажопідіймальних механізмах (крани, ліфти та ін.) Використовуються КДПТ, які працюють від мережі постійного струму з напругою 220В або будь-яким іншим доступним напругою.
  • У дитячих іграшках і радіокерованих моделях малої потужності використовуються КДПТ з триполюсні ротором і постійними магнітами на статорі.
  • В ручному акумуляторному інструменті - різноманітні дрилі, болгарки, електровивертки і т.д.

Відзначимо, що в сучасний дорогий електроінструмент встановлюють не колекторні, а безколекторні електродвигуни.

Достоїнства і недоліки

Розберемо плюси і мінуси колекторного двигуна постійного струму. переваги:

  • Співвідношення розмірів до потужності (масогабаритні показники).
  • Простота регулювання обертів і реалізації плавного пуску.
  • Пусковий момент.

Недоліки у КДПТ наступні:

  • Знос щіток. Високонавантажені двигуни, які регулярно експлуатуються, потребують регулярного огляду, заміни щіток і обслуговування колекторного вузла.
  • Колектор зношується через тертя щіток.
  • Можливо іскріння щіток, що обмежує застосування в небезпечних місцях (тоді використовують КДПТ вибухонебезпечного виконання).
  • Через постійне перемикання обмоток цей тип двигунів постійного струму вносить перешкоди і спотворення в живлять ланцюга або електромережу, що призводить до збоїв і проблем в роботі інших елементів схеми (особливо актуально для електронних схем).
  • У ДПТ на постійних магнітах магнітні сили з часом слабшають (розмагнічуються) і ефективність двигуна знижується.

Ось ми і розглянули, що таке колекторний двигун постійного струму, як він влаштований і який у нього принцип дії. Якщо залишилися питання, задавайте їх у коментарях під статтею!

Додати коментар


Захисний код
Оновити