Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
У побутовому електрообладнанні, де використовуються електродвигуни, як правило, встановлюються електромашини з механічною комутацією. Такий тип двигунів називають колекторними (далі КД). Пропонуємо розглянути різні види таких пристроїв, їх принцип дії і конструктивні особливості. Ми також розповімо про переваги і недоліки кожного з них, наведемо приклади сфери застосування.
Що таке колекторний двигун?
Під таким визначенням мається на увазі електромашина, перетворювати електроенергію в механічну, і навпаки. Конструкція пристрою передбачає наявність хоча б однієї обмотки приєднаної до колектора (див. Рис. 1).
В КД даний елемент конструкції використовується для перемикання обмоток і в якості датчика, що дозволяє визначити положення якоря (ротора).
види КД
Класифікувати дані пристрої прийнято за типом харчування, в залежності від цього розрізняють дві групи КД:
- Постійного струму. Такі машини відрізняються високим пусковим моментом, плавним управлінням частоти обертання і відносно простий конструкцією.
- Універсальні. Можуть працювати як від постійного, так і змінного джерела електроенергії. Відрізняються компактними розмірами, невисокою вартістю і простотою управління.
Перші, діляться на два підвиди, залежно від організації індуктора він може бути на постійних магнітах або спеціальних котушках збудження. Вони служать для створення магнітного потоку, необхідного для утворення обертового моменту. КД, де використовуються котушки збудження, розрізняють за типами обмоток, вони можуть бути:
- незалежними;
- паралельними;
- послідовними;
- змішаними.
Розібравшись з видами, розглянемо кожен з них.
КД універсального типу
На малюнку нижче представлений зовнішній вигляд електромашини даного типу і її основні елементи конструкції. Дане виконання характерно практично для всіх КД.
позначення:
- А - механічний комутатор, його також називають колектором, його функції були описані вище.
- В - щіткотримачі, служать для кріплення щіток (як правило, з графіту), через які напруга надходить на обмотки якоря.
- З - Сердечник статора (набирається з пластин, матеріалом для яких служить електротехнічна сталь).
- D - Обмотки статора, даний вузол відноситься до системи збудження (індуктора).
- Е - Вал якоря.
У пристроїв даного типу, збудження може бути послідовним і паралельним, але оскільки останній варіант зараз не виробляють, ми його не будемо розглядати. Що стосується універсальних КД послідовного збудження, то типова схема таких електромашин представлена нижче.
Універсальний КД може працювати від змінної напруги завдяки тому, що коли відбувається зміна полярності, струм в обмотках збудження і якоря також змінює напрямок. В результаті цього обертальний момент не змінює свого напрямку.
Особливості та сфера застосування універсальних КД
Основні недоліки даного пристрою проявляються при його підключенні до джерел змінної напруги, що відбивається в наступному:
- зниження ККД;
- підвищене іскроутворення в щітково-колекторному вузлі, і як наслідок, його швидкий знос.
Раніше КД широко застосовувалися, в багатьох побутових електроприладах (інструмент, пральні машини, пилососи і т.д.). На поточний момент виробники практично перестали використовувати даний тип двигунів віддавши перевагу безколлекторним електромашини.
Тепер розглянемо колекторні електромашини, що працюють від джерел постійної напруги.
КД з індуктором на постійних магнітах
Конструктивно такі електромашини відрізняються від універсальних тим, що замість котушок збудження використовуються постійні магніти.
Цей вид КД набув найбільшого поширення в порівнянні з іншими електричних машин даного типу. Це пояснюється невисокою вартістю внаслідок простоти конструкції, простим управлінням швидкості обертання (залежить від напруги) і зміною його напрямку (досить змінити полярність). Потужність двигуна безпосередньо залежить від напруженості поля, створюваного постійними магнітами, що вносить певні обмеження.
Основна сфера застосування - малопотужні приводи для різного устаткування, часто використовується в дитячих іграшках.
До переваг можна віднести наступні якості:
- високий момент сили навіть на низькій частоті обертів;
- динамічність управління;
- низька вартість.
Основні недоліки:
- мала потужність;
- втрата магнітами своїх властивостей від перегріву або з плином часу.
Для усунення одного з основних недоліків даних пристроїв (старіння магнітів) в системі збудження використовуються спеціальні обмотки, перейдемо до розгляду таких КД.
Незалежні і паралельні котушки збудження
Перші отримали таку назву через те, що обмотки індуктора і якоря не підключаються один до одного і живляться окремо (див. А на рис. 6).
Особливість такого підключення полягає в тому, що харчування U і U K повинні відрізнятися, в іншому випадку н виникне момент сили. Якщо неможливо організувати такі умови, то котушки якоря і індуктора підключається паралельно (див. В на рис. 6). Обидва види КД мають однакові характеристиками, ми визнали можливим об'єднати їх в одному розділі.
Момент сили у таких електромашин високий при низькій частоті обертання і зменшується при її збільшенні. Характерно, що струми якоря і котушки незалежні, а загальний струм є сумою струмів, що проходять через ці обмотки. В результат цього, при падінні струму котушки збудження до 0, КД з великою ймовірністю вийде з ладу.
Сфера застосування таких пристроїв - силові установки з потужністю від 3 кВт.
Позитивні риси:
- відсутність постійних магнітів знімає проблему їх виходу з ладу з плином часу;
- високий момент сили на низькій частоті обертання;
- просте і динамічне управління.
мінуси:
- вартість вище, ніж у пристроїв на постійних магнітах;
- неприпустимість падіння струму нижче порогового значення на котушці збудження, оскільки це призведе до поломки.
Послідовна котушка збудження
Схема такого КД представлена на малюнку нижче.
Оскільки обмотки включені послідовно, то струм в них буде рівним. В результаті цього, коли струм в обмотці статора стає менше, ніж номінальний (це відбувається при невеликому навантаженні), зменшується потужність магнітного потоку. Відповідно, коли навантаження збільшується, пропорційно збільшується потужність потоку, аж до повного насичення магнітної системи, після чого ця залежність порушується. Тобто, в подальшому зростання струму в обмотці котушки якоря не призводить до збільшення магнітного потоку.
Зазначена вище особливість проявляється в тому, що КД даного типу недозволено запускати при навантаженні на чверть менше номінальної. Це може привести до того, що ротор електромашини різко збільшить частоту обертання, тобто, двигун піде «в рознос». Відповідно, така особливість вносить обмеження на сферу застосування, наприклад, в механізмах з ремінною передачею. Це пов'язано з тим, що при її обриві електромашина починає працювати в холостому режимі.
Зазначена особливість не поширюється на пристрої, чия потужність менше 200 Вт, для них допустимі падіння навантаження аж до холостого режиму роботи.
Переваги КД з послідовною котушкою, такі ж, як у попередньої моделі, за винятком простоти і динамічності управління. Що стосується мінусів, то до них слід віднести:
- високу вартість в порівнянні з аналогами на постійних магнітах;
- низький рівень моменту сили при високій частоті обертів;
- оскільки обмотки статора і збудження підключені послідовно, виникають проблеми з управлінням швидкістю обертання;
- робота без навантаження призводить до поломки КД.
Змішані котушки збудження
Як видно зі схеми, представленої на малюнку нижче, індуктор на КД даного типу володіє двома котушками, підключених послідовно і паралельно обмотці ротора.
Як правило, одна з котушок має більшу намагничивающей силою, тому вона вважається, як основна, відповідно, друга - додаткова (допоміжна). Допускається зустрічну і узгоджене включення котушок, в залежності від цього інтенсивність магнітного потоку відповідає різниці або сумі магнітних сил кожної обмотки.
При зустрічному включенні характеристики КД стають близькими до відповідних показників електромашин з послідовним або паралельним збудженням (в залежності від того, яка з котушок є основною). Тобто, таке включення актуально, якщо необхідно отримати результат у вигляді незмінною частоти обертів або їх збільшення при зростанні навантаження.
Узгоджене включення призводить до того, що характеристики КД будуть відповідати середньому значенню показниками електромашин з паралельними і послідовними котушками порушення.
Єдиний недолік такої конструкції - найвища вартість в порівнянні з іншими типами КД. Ціна виправдовується завдяки наступними позитивними якостями:
- не втрачають актуальності магніти, за відсутністю таких;
- мала ймовірність виходу з ладу при нештатних режимах роботи;
- високий момент сили на низькій частоті обертання;
- просте і динамічне управління.