Коллекторные электродвигатели не используются в бытовых машинах
Коллекторный двигатель постоянного и переменного тока
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.
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).
Рисунок 1. Коллектор на роторе электродвигателя (отмечен красным)
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:
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:
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.
Конструкция универсального коллекторного двигателя
Обозначения:
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.
Схема универсального коллекторного двигателя
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:
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.
Конструкция коллекторного двигателя на постоянных магнитах и его схема
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.
КД на постоянных магнитах с игрушки времен СССР
К числу преимуществ можно отнести следующие качества:
Основные недостатки:
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).
Рисунок 6. Схемы КД с независимой (А) и параллельной (В) обмоткой возбуждения
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:
Минусы:
Последовательная катушка возбуждения
Схема такого КД представлена на рисунке ниже.
Схема КД с последовательным возбуждением
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:
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.
Схема КД со смешанными катушками возбуждения
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:
Коллекторный двигатель
1. Применение коллекторных двигателей в стиральных машинах
Коллекторные двигатели получили широкое применение не только в электроинструменте (дрели, шуруповёрты, болгарки и т.д), мелких бытовых приборах (миксеры, блендеры, соковыжималки и т.п), но и в стиральных машинах в качестве двигателя привода барабана. Коллекторными двигателями оснащено большинство (примерно 85%) всех бытовых стиральных машин. Эти двигатели применялись уже во многих стиральных машинах ещё с середины 90-х годов и со временем полностью вытеснили однофазные конденсаторные асинхронные двигатели.
Коллекторные моторы более компактные, мощные и простые в управлении. Этим и объясняется их столь массовое применение. В стиральных машинах применяются коллекторные двигатели таких марок производителей как: INDESCO, WELLING, C.E.S.E.T., SELNI, SOLE, FHP, ACC. Внешне они немного отличаются друг от друга, могут иметь разную мощность, тип крепления, но принцип работы их совершенно одинаковый.
2. Устройство коллекторного двигателя для стиральной машины
1. Статор
2. Коллектор ротора
3. Щётка (применяются всегда две щётки,
вторую на рисунке не видно)
4. Магнитный ротор тахогенератора
5. Катушка (обмотка) тахогенератора
6. Стопорная крышка тахогенератора
7. Клеммная колодка двигателя
8. Шкив
9. Алюминиевый корпус
Рис.2 Конструкция коллекторного двигателя стиральной машины
Чтобы в дальнейшем лучше понять как работает коллекторный двигатель, давайте рассмотрим устройство каждого из его основных узлов.
3. Ротор (якорь)
4. Статор
5. Щётка
6.Тахогенератор
В коллекторных двигателях некоторых моделей стиральных машин марки Bosch (Бош) и Siemens (Сименс) вместо тахогенератора применяется датчик Холла. Это очень компактный и недорогой полупроводниковый прибор, который устанавливается на неподвижной части двигателя и взаимодействует с магнитным полем кругового магнита установленным на валу ротора непосредственно рядом с коллектором. У датчика Холла три вывода, сигналы с которого так же считываются и обрабатываются электронной схемой (подробно принцип работы датчика Холла в данной статье мы рассматривать не будем).
7. Схема подключения коллекторного двигателя
Как и в любом электродвигателе, принцип работы коллекторного двигателя основан на взаимодействии магнитных полей статора и ротора, через которые проходит электрический ток. Коллекторный двигатель стиральной машины имеет последовательную схему подключения обмоток. В этом легко убедится рассмотрев его развёрнутую схему подключения к электрической сети (Рис.7).
У коллекторных двигателей стиральных машин, на контактной колодке может быть от 6 до 10 задействованных контактов. На рисунке представлены все максимальные 10 контактов и всевозможные варианты подключения узлов двигателя.
Зная устройство, принцип работы и стандартную схему подключения коллекторного двигателя, без труда можно запустить любой двигатель напрямую от электросети без применения электронной схемы управления и для этого не надо запоминать особенности расположения выводов обмоток на клеммной колодке каждой марки двигателя. Для этого, достаточно всего лишь определить выводы обмоток статора и щёток и подключить их согласно схеме на приведённом ниже рисунке.
Порядок расположения контактов клеммной колодки коллекторного двигателя стиральной машины выбран произвольно.
На схеме, оранжевыми стрелочками условно показано направление тока по проводникам и обмоткам двигателя. От фазы (L) ток идёт через одну из щёток на коллектор, проходит по виткам обмотки ротора и выходит через другую щётку и через перемычку ток последовательно проходит по обмоткам обеих секций статора доходя до нейтрали (N).
Такой тип двигателя независимо от полярности подаваемого напряжения вращается в одну сторону, так как за счёт последовательного соединения обмоток статора и ротора смена полюсов их магнитных полей происходит одновременно и результирующий момент остаётся направленным в одну сторону.
Для того, чтобы двигатель начал вращаться в другую сторону, необходимо лишь изменить последовательность коммутации обмоток.
Пунктирной линией обозначены элементы и выводы, которые задействованы не во всех двигателях. Например датчик Холла, выводы термозащиты и вывод половины обмотки статора. При запуске коллекторного двигателя напрямую, подключаются только обмотки статора и ротора (через щётки).
Внимание! Представленная схема подключения коллекторного двигателя напрямую, не имеет средств электрической защиты от короткого замыкания и устройств ограничивающих ток. При таком подключении от бытовой сети, двигатель развивает полную мощность, поэтому не следует допускать длительного прямого включения.
8. Управление коллекторным двигателем в стиральной машине
Принцип действия электронных схем, в которых используется симистор, основан на двухполупериодном фазовом управлении. На графике (рис.9) показано как изменяется величина питающего мотор напряжения в зависимости от поступающих на управляющий электрод симистора импульсов с микроконтроллера.
Таким образом можно отметить,что частота вращения ротора двигателя напрямую зависит от напряжения прикладываемого к обмоткам двигателя.
Изменение направления вращения двигателя
Т-тахогенератор
М-ротор (коллекторно-щёточный узел)
S-статор
P-тепловая защита
TY-симистор
R1 и R2— коммутирующие реле
В некоторых стиральных машинах, коллекторный двигатель работает на постоянном токе. Для этого, в схеме управления, после симистора, устанавливают выпрямитель переменного тока построенный на диодах («диодный мост»). Работа коллекторного двигателя на постоянном токе увеличивает его КПД и максимальный крутящий момент.
9. Достоинства и недостатки универсальных коллекторных двигателей
10. Неисправности коллекторных двигателей
Иногда происходит межвитковое замыкание обмотки ротора или статора (значительно реже), что так же проявляется в сильном искрении коллекторно-щёточного узла (из-за повышенного тока) или ослаблении магнитного поля двигателя, при котором ротор двигателя не развивает полноценный крутящий момент.
Как мы и говорили выше, щётки в коллекторных двигателях при трении о коллектор со временем стачиваются. Поэтому большая часть всех работ по ремонту двигателей сводится к замене щёток.
Стоит отметить,что надёжность коллекторного двигателя во многом зависит от того, насколько качественно и грамотно производители подходят к технологическому процессу его изготовления и сборки.
Какой двигатель лучше асинхронный или коллекторный?
Асинхронные, как и коллекторные, пользуются широкой популярностью в быту и в промышленности. Они отличительны рядом характеристик, что делает их наиболее целесообразными в рамках определенных технических процессов.
Асинхронный двигатель – силовой агрегат, использующиеся в промышленности достаточно давно. Востребованность обусловлена работой с сетями трехфазного электроснабжения. Принцип работы асинхронного двигателя основывается следующим принципом:
Касательно коллекторного двигателя (КД), то он относится к классу агрегатов, работающих с постоянным током. Это определяет специфику использования данных установок – эксплуатируются в бытовых приборах, например, в стиральных машинах. В отличие от асинхронного двигателя (АД), такие моторы имеют несколько иной принцип работы:
Асинхронные двигатели имеют весомое отличие от коллекторного двигателя, представленное отсутствием скользящего контакта (СК). За счет этого такие электрические машины более надежные, чем коллекторные. АД отличительны нечастным техническим обслуживанием, что экономит средства. Моторы с коллектором невозможно произвести большой мощности. Безопасность последних, ввиду СК, кране сомнительная.
Чем отличается коллекторный двигатель от асинхронного?
Особенности КД, он же мотор постоянного тока (МПТ), заключаются в компактных размерах, возможности восстановления при возникновении неисправности, широкой линейке исполнения. Существуют:
Вышеупомянутые виды задействуют в детских игрушках, электрических отвертках. Механизмы помощнее имеют другую конструкцию:
Такие МПТ устанавливают в транспортных средствах с рабочим напряжением 12, 24 В. Они снабжают электричеством подсистемы приводов вентиляторов, «дворников», насосов, использующихся в комплексах омывателей. В зависимости от типа напряжения классификация коллекторных агрегатов представлена устройствами постоянного и переменного тока. Существуют силовые установки, работающими по универсальному принципу, т.е. способны использовать как постоянный, так и переменный ток.
Одной из популярных систем являются универсальные коллекторные двигатели, которые встречаются в различных бытовых приборах. Пользуются востребованностью, несмотря на истирание и искрение щеток. Техническое обслуживание предполагает постоянное наблюдение, корректировку, своевременную замену неисправных элементов установки.
Важно: Ротор КД состоит из вала. На него насаживается магнитопровод, с одной стороны – коллекторный узел (КУ), с другой – лопасти вентилятора. Подшипники упрощают процесс вращения. Нормальная работа электромотора будет обеспечена только в том случае, если вращающиеся элемент (ВЭ) сбалансирован. Поэтому к производству ротора подходят скрупулезно.
Обмотка ВЭ
У мотора с коллекторным элементом сердечник собирается металлическими пластинами (МП) из магнитного металла. Толщина в диапазоне от 0,35 до 0,5 мм. Пластины дополнительно заливаются диэлектрическим лаком, что предотвращает появление паразитных токов. Внешняя часть МП оснащена пазами, куда вкладываются медные витки. Далее, пластины насаживаются на вал, закрепляются на нем.
Принцип работы КД
ЭДС возникает при воздействии прямоугольной рамки в поле постоянного магнита. Направление вращения определяется правилом буравчика. Учитывая конструкцию ротора КД, каждая из обмоток – рамка, состоящая из нескольких проводов. Обмотка подключается к электроснабжению, по ней протекает ток, а вокруг проводника формируется магнитное поле. Последнее взаимодействует с полем статора. Поля последнего и ротора «проталкивают» ВЭ в необходимом направлении.
Качество производства влияет на эксплуатационный срок. Правильное исполнение гарантирует бесперебойную работу силового агрегата более 10 лет.
Разновидности коллекторных машин (КМ)
Механизм создает МП при помощи постоянных магнитов и обмоток возбуждения (ОВ). Оба класса компонентов располагаются на корпусе статора. В маломощных установках используются устройства с постоянными магнитами – легче в производстве, быстрее реагируют на изменения рабочей среды. Но за это приходится платить сравнительно невысокой мощностью, ухудшением работоспособности через определенный промежуток времени.
КМ, применяющие обмотки возбуждения, более распространены. Их активно используют в изготовлении электрических инструментов: болгарок, дрелей, шуруповертов. ОВ производятся с изолированного медного провода, помещенного в лаковую оболочку. Основной служат канавки полюсных наконечников – на них наматываются обмотки.
Метод подключения ОВ и ВЭ обеспечивает ряд характеристик, функциональных свойств двигателя. Задействуют четыре вида:
Способ взаимодействия ОВ и ВЭ влияет на применение мотора. Механизмы с низким КПД задействуют в быту, а приспособления с высоким коэффициентом актуальны выполнением тяжелых промышленных задач.
Универсальный тип КМ
КУ – слабое место, но, не учитывая это, оборудование пользуется востребованностью. Легко управлять, стоят недорого. Распространены в бытовой технике, начиная от миксеров, блендеров, заканчивая барабанными приводами стиральной машинки, строительными фенами.
Универсальные коллекторные двигатели (УКД) конструкционно схожи с механизмами, оснащенными ОВ, но есть некоторые различия:
Функционирование происходит с сохранением результирующего момента. Низкий КПД, если работать с переменным током, искрение КУ, УКД создают помехи – не рекомендуется размещать рядом с радиоприборами. Но способны вращаться на частоте до 10 тыс. об/мин.
Специфика функционирования асинхронных машин
Электрический мотор переменного тока, параметр вращения ротора нетождественный частоте вращения магнитного поля, которое формируется обмотками статора. Такие двигатели называют индукционными.
Асинхронные агрегаты чаще используются в электромашинах в качестве преобразователями электроэнергии. Говоря простыми словами, при подаче энергии установки конвертируют ее в движение рабочих элементов. В статорных обмотках создается вращающиеся магнитное поле, наводящее в роторе ток. Он взаимодействует с магнитным полем так, что ротор начинает вращаться в сторону с МП. Механизмы работают в двигательном и генераторном режимах. В первом – частота ВЭ ниже, а во втором – выше.
Нюанс: При равенстве скоростей МП перестает наводить ток, на ротор действует сила Ампера. В этом отличие от синхронной машины, где частота тождественная параметру магнитного поля.
Вышеперечисленное обусловлено отсутствием механических коммутационных элементов в цепи ротора. Но агрегат не лишен недостатков – их наличие предопределенно жесткой функциональной характеристикой:
Данные отрицательные свойства устраняются питанием электродвигателя системой с установленным статическим частотным преобразователем.
Бесколлекторные двигатели с ротором короткозамкнутого типа
«Беличье колесо» — обмотки получили название из-за схожести обеих конструкций. Короткозамкнутая обмотка включает алюминиевые стержни, замкнутые накоротко 2-мя кольцами с торцов. Детали вставляются в пазы сердечника, имеющего зубчатую конструкцию. Агрегаты малой/средней мощности оснащены обмоткой из расплавленного сплава алюминия.
Установки, отличающиеся повышенной мощностью, имеют «беличье колесо», произведенное медными стержнями. Их концы соединены сваркой с короткозамыкающими кольцами.
Пазы делают скошенными. Это снижает высшие гармонические ЭДС, сформированных пульсациями магнитного потока. Для улучшения технических характеристик агрегаты оснащаются двойной «клеткой», представленной стержнями с разными удельными проводимостями. Внешняя часть паза отличительна меньшим сечением, что создает эффект вытеснения. Это увеличивает сопротивление обмотки ротора в моментах скольжения, что важно при пуске.
Технические недостатки бесколлекторных моторов с короткозамкнутым ротором (БМКР):
Это ограничивает специфику применения, а потому их используют для обустройства электрических приводов, не требующих значительные пусковые моменты. Для расширения функциональных возможностей БМКР оборудуют частотными преобразователями. Они плавно наращивают частоту, что позволяет нарастить пусковой момент.
Одной из разновидностей БМКР выступают многоскоростные моторы. Регулирование происходит за счет изменения количества парных полюсов в статоре. Асинхронные двигатели – основной вид моторов для обустройства промышленных приводов.
АД с массивным ВЭ
Процесс изготовления предполагает использование специальных ферромагнитных материалов, т.е. стальных цилиндров. Ротор, произведенный из такого материала, выполняет две задачи: выступает магнитопроводом, заменяет обмотку в качестве проводника.
Магнитное поле, находящиеся во вращении, формирует вихревые токи, взаимодействующие с МП статора, что приводит к созданию вращающего момента. Достоинства:
Технические нюансы заключатся в пологой механической характеристики, нагревании ротора при незначительных нагрузках.
АД с фазными вращающимся элементом
В отличие от своих предшественников, оснащен плавным регулятором скорости и многофазной обмоткой. Она соединяется по методу «звезда» с выведением на контактные кольца.
Компоненты регуляционной цепи:
Оборудование с фазным ротором использует инверторное питание. Это дает возможность управление как скоростью, так и электромагнитным моментом.
Как работает бесколлекторный мотор
Подается переменное трехфазное напряжение, способствующее протеканию 3-хфазной системы токов. Сдвиг обмоток создает МП. Оно индуцирует ЭДС, которая воздействует на обмотку. Протекающий ток искажает статорное МП, что увеличивает энергию. Это приводит к формированию электромагнитной силы (ЭМС), приводящая в движение ротор.
Формирование движущиеся силы происходит при различии скорости вращения ротора и статора. В связи с этим, ВЭ работает асинхронно статору, от чего установка получила название АД.
Режимы
Применение дополнительного двигателя переключает мотор. Увеличение разности частот машины и магнитного поля меняет действующее направление ЭДС. Это же касается электромагнитного момента, ставшего тормозным. Запуск генераторного режима предусматривает эксплуатацию источника реактивной мощности – формируется магнитное поле. Если МП отсутствует, тогда его создают постоянными магнитами, активной нагрузкой конденсаторами, индукцией.
Генератор асинхронного типа (ГАТ) предполагает использования в сети синхронных двигателей – компенсаторов, статических конденсаторов. Несмотря на простоту обслуживания, ГАТ нашел распространение в редких случаях. Оснащение ставят в ветрогенераторах малой мощности, эскалаторах, подъемных кранах, лифтах.
Холостой ход возникает, когда на валу нет нагрузки, например, отсутствует редуктор, рабочий манипулятор. Исходя из режима, определяются параметры свойства намагничивания тока, параметры потери мощности в магнитопроводе.
Электромагнитный тормоз
Варьирование направления ВЭ и МП изменяет метод функционирования электромагнитного момента. Изменение пути вращения ротора и поля в противоположную сторону располагает ЭДС в стандартном режиме с потреблением реактивной мощности. Но ЭМ направляется во встречную сторону нагрузки, что вызывает торможение.
Режим эксплуатации задействуют редко. Его отрицательной стороной является выделение тепла, объем которого мотор не может рассеять. Длительное и частое применение приводит к поломке силового механизма.
Методы управления
Реостатный – контроль частоты ВЭ за счет регулирования объема сопротивления в цепи ротора. Увеличивает пусковой момент, повышает параметр критического скольжения. Какие еще:
Способ изменения частоты и момент подбирается с учетом технической возможности и целесообразности определенного метода в конкретной ситуации. Выбор методов увеличивает эффективность эксплуатации машин вышеупомянутых классов.
Асинхронный или коллекторный?
Однозначный ответ отсутствует. Почему так? Разница заключается в специфики эксплуатации. Для Промышленная эксплуатация предполагает повышенные технические характеристики, которые имеют установки асинхронного типа.
Бытовое применение не нуждается в специальных функциональных свойствах, а потому агрегаты, оснащенные коллекторным узлом, в таком случае пользуются большей популярностью, чем бесколлекторные. УКД или асинхронные эффективно выполняют поставленные задачи в рамках предназначенных для них технических процессов.