Двигатель постоянного тока - коллектроный и бесколлекторный вариант. Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Коллекторные и бесколлекторные двигатели постоянного тока

 

Доброго времени суток, дорогие читатели! В предыдущих статьях были рассмотрены электромоторы переменного тока. В этой же статье я расскажу про движки, работающие на постоянном токе. Будет рассмотрено их устройство и, немного, история и принцип работы. Начнем.

Принцип действия двигателя постоянного тока этих машин основывается на эффекте отталкивания одноименных и притягивания разноименных полюсов магнита. Первым такое устройство придумал русский инженер Якоби. В 38-ом году 19-го столетия появилась первая модель промышленного масштаба и, с того времени, больших изменений в конструкции не было.

Коллекторные двигатели постоянного тока

Если брать моторы с небольшой мощностью, то в них обязательно явным образом присутствует один из магнитов (он крепится прямо на корпус машины).

Второй появляется после подачи напряжения на обмотку якоря. С этой целью применяется устройство особого типа, именуемое коллекторно-щеточным узлом. Коллектор является кольцом, проводящим ток, которое крепится на вал мотора. К нему подключаются выводы обмоток якоря.

Для возникновения вращающего момента нужна непрерывная смена полюсов якорного магнита. Это должно выполняться в тот момент, когда якорь проходит через «магнитную нейтраль». Конструктивным образом это выполняется благодаря разделению коллекторного кольца на части (секторы) при  помощи непроводящих ток пластин.

Выводы якорных обмоток цепляют к секторам поочередно. Для соединения коллектора и сети питания применяются щетки – стержни из графита с высокой электропроводимостью и маленьким коэффициентом трения по скольжению.

Моторы большой мощности не снабжаются физическими магнитами в силу того, что это сильно утяжелит их конструкцию.

В этих машинах, для создания постоянного магнитного поля, применяют металлические стержни с обмотками, подключаемые к положительной, либо отрицательной шине питания. Полюса одноименного типа подключают один за другим (последовательным образом).

Двигатель может иметь одну, либо четыре пары полюсов. Количество же щеток-токосъемников должно соответствовать числу пар полюсов. У моторов с большой мощностью предусматриваются некоторые конструктивные хитрости. Одна из них заключается в сдвигании щеточного узла на некоторый угол по отношению против вращения после старта мотора и смены нагрузки на нем.

Делается это с целью компенсации эффекта «якорной реакции», который приводит к торможению вала, в результате чего происходит уменьшение эффективности мотора.

Мы рассмотрели двигатели коллекторного типа. Однако кроме них, имеются и устройства не имеющие коллекторов. Движки подобного типа имеют ротор, на котором есть постоянные магниты и статор с обмотками. Существует два вида таких моторов: Inrunner (с магнитами внутри ротора) и Outrunner (у них магниты находятся снаружи, вращаясь вокруг статора, имеющего обмотки).

Машины первого типа, как правило, используются в моторах с высоким числом оборотов и малым числом полюсов. Второй же тип применяют, если требуется заиметь движок с большим моментом и малыми оборотами. По конструкции двигатели Inrunner наиболее просты в силу того, что их статор может, одновременно, служить корпусом, а, значит, на него можно смонтировать устройства для крепления.

У двигателей системы Outrunner вращающейся частью является наружная его часть. Движок крепится за неподвижный вал или другие части статора. Если же такой двигатель используется как мотор-колесо, то крепится он посредством неподвижной оси и заведением проводов статора через его пустотелую ось.

Число полюсов ротора всегда четно. Магниты, используемые в этих движках, обычно имеют прямоугольную форму. Иногда применяются, конечно, магниты цилиндрической формы, но это гораздо реже. Монтируются же магниты так, чтобы их полюса чередовались.

Не всегда случается совпадение количества магнитов и полюсов (может случаться так, что несколько магнитов формируют один полюс).

Размеры устанавливаемых в моторах магнитов различны и зависят они от самого движка и его характеристик. От мощности используемых магнитов зависит то, каким будет момент развиваемой на валу силы.

К ротору магниты крепятся при помощи особого клея (встречаются, конечно, варианты с магнитодержателями, но гораздо реже). Сам ротор может быть изготовлен как из магнитопроводящего материала (сталь), так и из немагнитопроводящего (сплавы алюминия, пластик и пр.), и комбинированным.

Обмотки трехфазных моторов без коллектора наматываются проводом из меди. Провод же используется и одножильный и многожильный. Статоры этих двигателей изготавливают из сложенных листов стали, являющейся магнитопроводящей.

Статор должен иметь столько зубьев, чтобы их количество делилось на количество рабочих фаз. Статор может иметь такое число зубьев, что оно как больше, так и меньше, чем полюсов у ротора.

Наиболее простой движок, имеющий три полюса статора. Однако используется подобная конструкция весьма редко (поскольку, в любой момент времени в работе лишь пара фаз, в результате чего возникает вибрация и перекос). Чтобы избавиться от этих неприятных явлений, делается много полюсов, а обмотки равномерно распределяются между ними. В таком случае не возникает разбалансировки магнитных сил.

Помимо всего прочего, такие моторы могут снабжаться, либо не снабжаться датчиками положения ротора. Датчики, в большинстве своем, работают на принципе эффекта Холла. Они реагируют на магнитные поля и располагаются по статору так, чтобы магниты ротора действовали на них (то есть под углом 120 градусов между собой). Естественно, имеется ввиду 120 электрических градусов.

Датчики могут располагаться и внутри и снаружи двигателя. Вторым способом можно оснащать движки, изначально не имеющие датчиков.

Иногда датчики ставят на специальное приспособление, дающее возможность небольшого перемещения датчиков. В то же время, если необходим реверс такого мотора, то устанавливается второй комплект датчиков Холла, настраиваемых на обратное направление вращения.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад, если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Всего доброго.

podvi.ru

Устройство коллекторных машин постоянного тока

Характерным признаком коллекторных машин является наличие у них коллектора — механического преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в таком преобразователе объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, так как только в этом случае в машине происходит непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии. 

К коллекторным машинам постоянного тока относятся двигатель постоянного тока ДПТ и генератор постоянного тока ГПТ которые имеют одинаковую конструкцию и могут заменять друг друга то есть ДПТ может работать как ГПТ и наоборот. Разберем устройство коллекторных машин на примере двигателя постоянного тока.

  Коллекторная машина постоянного тока состоит из:

1. Якоря (подвижная часть) который состоит из вала,обмотки якоря, коллектора, двух подшипников и сердечника. Сердечник — это цилиндр из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм покрытых электроизоляционным лаком. Такая сборная конструкция служит для уменьшения вихревых токов. В сердечнике есть пазы в которые вложены пазовые стороны обмотки якоря.
2. Статора (4) (неподвижной части) — станина, главные полюса с полюсными катушками(2,3).

Статор конструктивно может быть выполнен двух видов:

• сборный — состоит из цельной тянутой трубы и прикреплённым к ней внутри полюсов. Сердечник полюса выполнен в виде стального бруска либо из шихтованных пластин 0,5 — 1 мм. Обмотка полюса намотана вокруг сердечника. Обмотки полюсов соединены между собой последовательно и образуют обмотку возбуждения которая при подключении к источнику постоянного тока создаёт магнитное поле в магнитной системе двигателя.
• цельный шихтованный — применяется в машинах мощностью 600 Вт и более. Он состоит из из пакета пластин электротехнической стали сложной конфигурации толщиной 0,35 — 0,5 мм.

Устройство щеточно коллекторного перехода.

Наиболее сложным и ненадежным местом коллекторной машины является щеточно коллекторный переход который состоит из щеток (которые крепятся в щеткодержатели) и коллектора который состоит из набора коллекторных пластин трапецеидального сечения, разделенных миканитовыми прокладками. Пластины из меди и миканита удерживаются в сжатом состоянии за нижнюю часть, имеющую форму «ласточкина хвоста», посредством стальных конусных колец 1 (рис. 13.2). Выступающая вверх часть коллекторных пластин 6, называемая «петушок», служит для присоединения секций обмотки якоря к пластинам коллектора. Коллекторные пластины изолируют от конусных колец миканитовыми манжетами 3, а от втулки 5 — миканитовым изолирующим цилиндром 4. Поверхность медных пластин каллектора в процессе работы машины постепенно истирается щетками. Что бы при этом миканитовые прокладки не выступали над рабочей поверхностью медных пластин, что могло бы привести к нарушению электрического контакта коллектора со щетками, приходится периодически выполнять «продораживаные» коллектора. Эта операция состоит в том, что между рабочими поверхностями коллекторных пластин фрезеруют пазы (дорожки) на глубину до 1,5 мм (рис. 13.4).

Достоинства и недостатки коллекторных машин постоянного тока.

Электрические машины постоянного тока используют как в качестве генераторов, так и двигателей. Наибольшее применение имеют двигатели постоянного тока, диапазон мощности которых достаточно широк: от долей ватта (для привода устройств автоматики) до нескольких тысяч киловатт (для привода прокатных станов, шахтных подъемников и других крупных механизмов).

Двигатели постоянного тока широко используют для привода подъемных устройств в качестве крановых двигателей и привода транспортных средств, а также в качестве тяговых двигателей.

Основные достоинства двигателей постоянного тока по сравнению с бесколлекторными двигателями переменного тока — хорошие пусковые и регулировочные свойства, возможность получения частоты вращения более 3000 об/мин, а недостатки — относительно высокая стоимость, некоторая сложность в изготовлении, пониженная надежность. Эти недостатки машин постоянного тока обусловлены наличием в них щеточно-коплекторного узла, который к тому же является источником радиопомех и пожароопасности. Но, несмотря на отмеченные недостатки, двигатели постоянного тока в некоторых случаях пока незаменимы, так как обладают большой перегрузочной способностью, хорошими пусковыми и регулировочными свойствами.

electrikam.com

Устройство коллекторных двигателей

 Принцип работы электрических машин нам хорошо знаком еще со школьной скамьи, — это когда к контактным кольцам рамки подключено напряжение, а рамка помещенная в однородном магнитном поле постоянного магнита — начинает равномерно вращаться с определенной угловой скоростью и направление вращения рамки будет зависить от размещения полюсов \север, юг\ постоянного магнита.   То, что электрические машины обладают обратимыми свойствами — тоже известно.   То-есть, если ротору двигателя придать механическое вращение, в обмотках статора будет наводиться ЭДС и мы сможем получить на выходе — концах обмоток статора напряжение.   Отсюда можно сделать вывод, что электрические машины способны преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот, электрическую энергию в механическую.   Это как-бы изложено для Вас — в обычной, простой и доступной форме.   А теперь ознакомимся конкретно, где именно могут применяться коллекторные двигатели переменного и постоянного тока.  

Применение коллекторных двигателей — переменного тока

Разновидности, типы коллекторных двигателей с питанием от переменного тока \электросети\ применяются в различной бытовой технике:

• стиральные машины;
• электроперфораторы;
• электродрели;
• наждаки электрические;
• электрические триммеры;
• домашние пылесосы;
• электрические фены

и далее.   Так-же, данный тип двигателей применяется в :

•  промышленном;
•  пищевом;
• строительном

и медицинском оборудовании.

 коллекторный электродвигатель переменного тока ДК-90

коллекторный эл.двигатель AEG  UOZ 112 G 63

коллекторный эл.двигатель ДК 90-60-8МС-2И

коллекторный эл.двигатель \дрель\

Подробное описание по применению коллекторных электродвигателей переменного тока — может занять много времени, а получить первоначальное представление  об их  применении,  считаю для нас —   достаточным. 

Применение  коллекторных двигателей — постоянного тока

Применение коллекторных двигателей работающих от постоянного тока, — можно встретить практически везде в нашем быту.   Взять допустим автомобильный стартер, электрическая схема которого представляет из себя  тот-же самый коллекторный двигатель, работающий от постоянного тока.   В дополнение, автомобильный стартер работает как тяговый электродвигатель, чтобы провернуть маховик двигателя автомобиля.   Так-же, коллекторные двигатели постоянного тока применяются в видео и аудио  технике,  многая аппаратура из которых уже вышла из моды.    

 стартер автомобиля

 

 коллекторный эл.двигатель постоянного тока КПА-561

коллекторный эл.двигатель постоянного тока 36 В 500W \для велосипеда\

 коллекторный эл.двигатель постоянного тока СЛ-221

Кто-то из нас разбирал в свое время электрические игрушки работающие от батареек, там установлены те-же самые коллекторные мини двигатели, работающие от постоянного тока.  

коллекторный эл.двигатель постоянного тока 27 Т  SATURN

Многие  пользовались или же пользуются электробритвой работающей от батареек, — в этом электроприборе тоже установлен  коллекторный двигатель постоянного тока.   Если кто-то из  Вас  разбирал электрический коллекторный мини двигатель, то могут со мной согласиться, что причиной их неисправностей является либо износ графитовых щеток либо износ втулок — в которых крепится  вал ротора, а износ втулок приводит к радиальному биению ротора, то-есть, нарушается зазор между сталью статора и ротора двигателя.

Устройство машины постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока, как наглядно видно в схематическом изображении \рис.1\, состоит из следующих деталей:

1. коллектор;
2. щетки;
3. сердечник якоря;
4. главный полюс;
5. катушка обмотки возбуждения;
6. станина;
7. подшипниковый щит;
8. вентилятор;
9. обмотка якоря;
10. вал.

 рис. 1

 Здесь необходимо запомнить, что для электрических машин постоянного и переменного тока имеются различия в таких названиях  —  как ротор и якорь.   Якорем следует называть вращающуюся  часть  генератора, а ротор — это вращающаяся часть электродвигателя.

 

 

zapiski-elektrika.ru

Коллекторный двигатель постоянного тока Д-5ТР

Опубликовал admin | Дата 4 июля, 2015

     Сейчас на барахолке, да и через Интернет можно приобрести двигатели типа Д-5тр. Этот двигатель относится к классу исполнительных, т.е. рассчитанных на большие кратковременные нагрузки. Раньше они находили применение в специальной аппаратуре радиосвязи для коммутации диапазонов. Поэтому приобрести их можно прямо с редукторами и видов редукторов, в состав которых входят эти двигатели много.

     Внешний вид двух изделий с использованием двигателей Д-5тр, показаны на фото. Сам двигатель имеет три вывода подключения.

Редуктор с двигателем Д-5ТР

     Схема включения двигателя показана на рисунке 1. В этом случае в работе двигателя участвует центробежный регулятор скорости вращения вала. Коммутация происходит в цепи коллекторных обмоток.

Схема включения двигателя Д-5ТР

     При подаче напряжения на указанные клеммы одновременно с началом работы самого двигателя, срабатывает и электромуфта, выключая тормоз. Вид катушки электромуфты 5 и место ее расположения показано на фото 2. На фото 1 показано отверстие в передней части двигателя для выводов этой катушки. Если вам не нужен тормоз, то его можно из устройства удалить. Для этого освобождают переднюю часть вала двигателя, разштифтовав и, удалив все прикрепленные к нему детали, перекусывают два вывода катушки электромуфты со стороны коллекторных щеток.     При подключении двигателя по схеме, показанной на рисунке 2, он тоже будет вращаться, но с неприятными призвуками. Дело в том, что центробежный механизм, в этом случае, будет коммутировать не только статорные обмотки, но и катушку электротормоза. Такое включение не правильное. На рисунке 3 показана схема включения с выключенным центробежным механизмом. По всей вероятности этот режим был тоже необходим для того, что бы уменьшить время переключения диапазонов, например, с первого, сразу на последний.     На схемах между выводами статорных обмоток 2 и 3 показана часть витков, но на самом деле этого может и не быть. Возможно, что это просто два вывода из одной точки статорной обмотки. У меня нет приборов, что бы определить, существует ли, что либо, между этими выводами. Я первый раз столкнулся с этими двигателями еще сорок лет назад. Тогда и приобрел дрель на его основе, она работает у меня до сих пор. Внешний вид, которой можно посмотреть в статье «Самодельные корпуса для радиоаппаратуры» фото 6. В этой дрели для работы двигателя, использовались два длинных вывода статорных обмоток, а третий, короткий, который шел на коллекторную щетку был обкушен.

Статорные обмотки и катушка муфты тормоза двигателя Д-5ТР

     На фото 1 показаны длинные выводы статорных обмоток 1 и 3, и виден уже обкусанный мной короткий вывод 2. Если вы будете переделывать такой двигатель под свои нужды, то поступайте так же. Все работает отлично.

     На фото 3 и 4 показан «голый» двигатель. Коллекторные вывода обозначены цифрой 1, а выводы статорной обмотки — цифрой 2. Да, для того чтобы вытащить якорь двигателя, без проблем, надо отвернуть два винта 3, фото 3, с одной и с другой стороны двигателя. Отсоединить выводы коллекторных щеток и вынуть их. Не сильными ударами по переднему концу вала выбиваем якорь вместе с задним фланцем. С внутренней стороны фланца есть два винта, которые крепят щеткодержатель центробежного механизма регулятора скорости вращения. Если он не нужен, то заменяем щеткодержатель двумя гайками 1 на фото 5 на 3мм с обычными шайбами и шайбами гровера, т.к. родные гайки находятся в теле держателя. Длину двигателя можно уменьшить, сточив выступы (фото 2 и 4)полости, где устанавливается катушка муфты тормоза.

     Вид двигателя со сточенными выступами показан на фото 6.     Двигатель, используемый в редукторе 1 имеет удлиненный задний конец вала 2 фото 5. Его диаметр равен 3,8 мм. На фото 5 показан еще магнит от регулятора линейности строк старых телевизоров, так вот, он имеет квадратное отверстие, примерно 3,2 мм. Если вал немного сточить напильником, то этот магнит очень аккуратно одевается и закрепляется гайкой на нем. Теперь, если к этому магниту поднести и закрепить магнитоуправляемую микросхему — МУМС, то получаем отличный датчик импульсов. А эти импульсы можно использовать для уже электронной регулировки скорости вращения вала, для остановки двигателя в нужный момент, если сосчитать количество импульсов, сделать мини дрель с автоматической регулировкой мощности на валу двигателя и т.д. и т.п. В качестве МУМС прекрасно подходят микросхемы, которые используются в двигателях вентиляторов от компьютеров. Прочитать про них можно у меня на сайте в статье «Магнитоуправляемые микросхемы». Я пробовал крепить магнит таким образом и разгонял двигатель до 9000 оборотов в минуту — импульсы были изумительными. Для получения больших оборотов обмотки якоря и статора подключал последовательно и давал двигателю нагрузку, иначе движок уходит в разнос. Включение двигателей без нагрузки с последовательной схемой включения обмоток запрещено. Вот и все. Дерзайте, успехов. К.В.Ю.

Скачать “Скачать статью” Dvigatel_D5TR.rar – Загружено 256 раз – 215 KB

Обсудить эту статью на - форуме "Радиоэлектроника, вопросы и ответы".

Просмотров:6 557

www.kondratev-v.ru

Двигатель постоянного тока - коллектроный и бесколлекторный вариант

Электрические машины можно поделить на два вида по их назначению: это генератор и двигатель постоянного тока. Что примечательно, они устроены почти одинаково. Отличие лишь в том, что генератор преобразовывает механическую энергию вращения ротора в магнитном поле, создаваемом обмоткой статора, в электрическую, а двигатель – наоборот (преобразовывает электрическую энергию в энергию вращения, то есть механическую).

Двигатель постоянного тока имеет в своей конструкции якорь с уложенными в его пазы проводниками. Второй основной частью этой машины является статор и его обмотки возбуждения с несколькими полюсами. Принцип работы такого устройства достаточно прост. Пропуская по проводу верхней части якоря постоянный ток в различных направлениях (с одной стороны «от нас», а с другой «на нас»). Согласно знаменитому правилу левой руки, те проводники, что находятся вверху, начнут выталкиваться из создаваемого статором магнитного поля влево, а проводники, расположеные внизу якоря, будут отталкиваться вправо.

Так как медные проводники уложены в специальные пазы, то силы воздействия будут передаваться якорю и поворачивать его.

Когда одна часть проводника провернется и встанет напротив южного полюса статора, начнется процесс торможения (проводник начнет вдавливаться в левую сторону). Для предупреждения этого процесса необходимо изменить направление тока в проводе. Для этого используют так называемый коллектор, а двигатель с таким принципом действия получил название коллекторного двигателя постоянного тока.

В нем обмотка якоря будет передавать вращающий момент на вал мотора, а тот – приводить в движение нужные механизмы оборудования. Нужно отметить, что весь принцип действия такого оборудования основан на инвертировании постоянного тока в якорной цепи.

Однако существует и бесколлекторный двигатель постоянного тока. В отличие от коллекторного, он не имеет в своем устройстве щеток, которые создают дополнительную опасность в процессе эксплуатации двигателя (щетки трутся о вращающийся ротор и могут создавать искры, что может привести к возгоранию плохо изолированных частей электрической машины).

Двигатель постоянного тока без коллектора имеет в своей конструкции подшипники и специальные контроллеры, запрограммированные на обеспечение всех процессов коммутации внутри двигателя. Кроме того, в нем есть микроприводы с высокоточным позиционированием.

Именно поэтому такое устройство будет стоить значительно дороже, чем обычный коллекторный двигатель постоянного тока. Однако использование такого двигателя вполне себя оправдывает: увеличена его износостойкость, надежность, безопасность. Значительно выше и коэффициент полезного действия (КПД), и устойчивость к перегрузкам.

В отличии от коллекторного двигателя постоянного тока, модернизация которого фактически прекращена, бесколлекторная модель постоянно обновляется. Например, совсем недавно был разработан безконтактный трехфазный двигатель постоянного тока без коллектора.

fb.ru

Бесколлекторные и коллекторные машины постоянного тока. Какой тип выбрать?

Рынок электродвигателей и систем электроприводов процветают в огромном количестве различных областей, в частности в медицинских и роботизированных приложениях. Кроме того, существует большой спрос на малые, эффективные, с большим и небольшим крутящим моментом, а также электродвигатели большой и малой мощности в автомобильном сегменте.

Для этих приложений могут выбирать электропривода из щеточных электродвигателей постоянного тока, бесщеточных электродвигателей постоянного тока (BLDC) или их комбинации. Большинство машин работают благодаря явлению электромагнитной индукции. Тем не менее, между этими машинами существуют ключевые различия, которые необходимо учитывать при выборе электрической машины.

Коллекторные электродвигатели постоянного тока

С конца 1800-х годов машины постоянного тока являются одними из простейших электродвигателей. Они получают питание от источника постоянного тока или батареи, и состоят из якоря (ротор), вала, коммутатора, щеток и обмотки возбуждения, создающей постоянное магнитное поле.

Щетки позволяют создавать магнитный поток в коллекторе обратной полярности по отношению к постоянному магнитному потоку обмотки возбуждения (ОВ), что заставляет якорь вращаться. Направление вращение электрической машины может быть легко изменено путем изменения полярности на щетках (поменять местами провода от источника питания постоянного тока).

Бесколлекторные электродвигатели постоянного тока (BLDC)

В самом названии уже можно увидеть коренное различие между этими машинами. В BLDC машинах отсутствуют щетки, что делает их конструкцию заметно сложнее. Бесщеточная машина постоянного тока имеет четыре или более постоянных магнита в роторе.

Эффективность – основная фишка данных машин. Поскольку ротор имеет постоянные магниты, он не нуждается в источнике напряжения, следовательно, нет физического подключения. Нет подключения – нет щеточно-коллекторного узла, соответственно, исчезают все проблемы связанные с ним. Но есть и минус – такой тип электрических машин должен иметь электронную систему управления положением ротора в пространстве. Для анализа поворотов машины и выработки управляющих импульсов в нужный момент используют микроконтроллер, а для отслеживания поворота вала в пространстве – поворотные датчики или датчики на основе эффекта Холла.

Электродвигатели BLDC представляют собой синхронные машины, что означает, что магнитные поля ротора и статора вращаются с одинаковой частотой. Они могут иметь одно-, двух- и трехфазные конфигурации.

Щетки

Когда дело доходит до выбора электрической машины для основных приложений, здесь могут использоваться как щеточные, так и бесщеточные электродвигатели постоянного тока. И как любые сопоставимые и конкурирующие технологии, коллекторные и бесколлекторные электрические машины имеют свои плюсы и минусы.

Но с другой стороны коллекторные машины являются более дешевыми и  надежными. Они предлагают простейшее управление (для запуска достаточно подключить к источнику постоянного тока, а для управления скоростью вращения достаточно изменять величину подводимого к якорю напряжения). При постоянном уходе за коллекторным узлом и плановой заменой щеток такая машина может служить довольно долго и надежно. Для управления ими не нужно создавать сверх сложных систем управления и можно обойтись минимальным количеством внешних компонентов или вообще без них, такие электродвигатели хорошо подходят для тяжелых условий работы.

Один из главных недостатков – постоянный уход за щетками. Они должны постоянно очищаться и при необходимости заменяться для обеспечения надежности работы механизма. Кроме того, если необходим большой вращающий момент, то коллекторный электродвигатель постоянного тока будет ограничен пропускной способностью щеток. По мере увеличения скорости вращения – возрастают потери крутящего момента, связанные с процессами трения в щеточно-коллекторном узле.

Однако бывают устройства, которые данные характеристики вполне устраивают. Например, электрические зубные щетки требуют более высоких скоростей с уменьшающимся крутящим моментом, что хорошо для щетки, зубов и десен.

К другим недостаткам коллекторных машин постоянного тока можно отнести ухудшенные условия охлаждения, вызванные щеточно-коллекторным узлом, высокую инерционность якоря (ротора), ограниченный диапазон скоростей, электромагнитные помехи (EMI).

Отсутствие щеток

Бесколлекторные электродвигатели постоянного тока (BLDC) имеют ряд преимуществ перед своими «щеточными братьями». Во-первых, они могут реализовать функцию точного позиционирования, полагаясь на датчики положения на основе эффекта Холла для коммутации. Они также требуют меньше, а иногда и никакого обслуживания из-за отсутствия щеток.

Они побеждают коллекторные машины постоянного тока в отношении скорость / крутящий момент благодаря их способности поддерживать или увеличивать крутящий момент на разных скоростях. Важно отметить, что потери мощности в коллекторном узле полностью отсутствуют, что значительно повышает эффективность компонентов. Другие профили BLDC включают высокую выходную мощность, малый размер, лучшую теплоотдачу, более высокие диапазоны скоростей и малошумную (механическую и электрическую) работу.

Тем не менее, нет ничего идеального. BLDC имеют более высокую стоимость. Они также требуют специальные стратегии управления, которые могут быть как сложными, так и дорогостоящими. И им нужен контроллер, который может стоить почти столько же, а иногда и больше, чем управляемый им электродвигатель BLDC.

Выбор типа электродвигателя для механизма

Нижний порог для выбора между компонентами любого типа — это тип приложения и ограничение затрат для конечного продукта. Например, игрушечный робот, ориентированный на детей от шести до восьми лет, может потребовать от четырех до девяти электродвигателей. Они могут быть коллекторными или бесколлекторными машинами постоянного тока или их компоновкой.

Если данный робот выполняет только основные движения или входит в игрушечный набор, нет необходимости применять бесколлекторные BLDC машины, которые стоят дороже, чем их коллекторные аналоги. Игрушка или набор, вероятно, попадут в мусорный ящик задолго до того, как щетки электрической машины выйдут из строя.

Типичные электроприводы с электродвигателем постоянного тока включают моторизованные игрушки, приборы и компьютерную периферию. Автопроизводители «привлекают» их к электроприводам окон, сидений и другим конструкциям в салоне из-за их низкой стоимости и простого исполнения.

Бесколлекторные электродвигатели более универсальны, главным образом из-за их «сообразительности» в отношении скорости и крутящего момента. Они также поставляются в компактных корпусах, что делает их «жизнеспособными» для различных небольших конструкций. Типичные приложения включают компьютерные жесткие диски, механические мультимедийные проигрыватели, вентиляторы с электронным управлением, беспроводные электроинструменты, HVAC и холодильные установки, промышленные и производственные системы и CD приводы.

Автомобильная промышленность применяет бесколлекторные BLDC машины для электрических и гибридных автомобилей. Эти электродвигатели представляют собой, по существу, синхронные машины с постоянными магнитами в роторе. Другие уникальные применения включают электрические велосипеды, где двигатели устанавливаются в колеса или колпаки, промышленное позиционирование и управление, монтажные роботы и линейные приводы для управления клапаном.

elenergi.ru

Коллекторный электродвигатель — WiKi

Двигатели мощностью в сотни Ватт, в отличие от предыдущих, содержат четырёхполюсный статор из электромагнитов. Свойства электродвигателей во многом объясняется способом, которым обмотки статора могут подключаться относительно якоря:

• последовательно с якорем (так называемое последовательное возбуждение),
• параллельно с якорем (параллельное возбуждение)
• отдельным источником питания (независимое возбуждение)
• часть обмоток параллельно с якорем , часть последовательно (смешанное возбуждение)

Электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением

В этом электродвигателе обмотка якоря подключена к основному источнику постоянного тока (сети постоянного тока, генератору или выпрямителю), а обмотка возбуждения — к вспомогательному источнику. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат, а в цепь обмотки якоря — пусковой реостат. Регулировочный реостат служит для регулирования частоты вращения якоря двигателя, а пусковой — для ограничения тока в обмотке якоря при пуске. Характерной особенностью электродвигателя является то, что его ток возбуждения не зависит от тока в обмотке якоря (тока нагрузки). Поэтому можно приближенно считать, что и магнитный поток двигателя не зависит от нагрузки. Зависимости момента и частоты вращения от тока будут линейными: момент прямо пропорционален току нагрузки и линейно снижается с ростом частоты вращения. В цепь обмотки возбуждения никаких выключателей и предохранителей не устанавливают, так как при разрыве этой цепи резко уменьшается магнитный поток электродвигателя, и возникает аварийный режим. Если электродвигатель работает при холостом ходе или небольшой нагрузке на валу, то частота вращения резко возрастает (двигатель идет вразнос). При этом сильно увеличивается ток в обмотке якоря и может возникнуть круговой огонь. Во избежание этого защита должна отключить электродвигатель от источника питания. Резкое увеличение частоты вращения при обрыве цепи обмотки возбуждения объясняется тем, что в этом случае резко уменьшаются магнитный поток, э. д. с., и возрастает ток. А так как приложенное напряжение остается неизменным, то частота вращения будет увеличиваться до тех пор, пока э. д. с. не достигнет значения, приблизительно равного напряжению питания, что необходимо для равновесного состояния электрической цепи якоря. При нагрузке на валу, близкой к номинальной, электродвигатель в случае разрыва цепи возбуждения остановится, так как электромагнитный момент, который может развить двигатель при значительном уменьшении магнитного потока, уменьшается и станет меньше нагрузочного момента на валу. В этом случае так же резко увеличивается ток, обмотка может выйти из строя из-за перегрева.

Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением

Здесь обмотки возбуждения и якоря питаются от одного и того же источника электрической энергии с напряжением. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат, а в цепь обмотки якоря — пусковой реостат. В рассматриваемом электродвигателе имеет место, по существу, раздельное питание цепей обмоток якоря и возбуждения, вследствие чего ток возбуждения не зависит от тока обмотки якоря. Поэтому электродвигатель с параллельным возбуждением будет иметь такие же характеристики, как и двигатель с независимым возбуждением. Однако двигатель с параллельным возбуждением работает нормально только при питании от источника постоянного тока с неизменным напряжением.

Электродвигатель постоянного тока с последовательным возбуждением

Обмотка возбуждения включена последовательно с якорем. Для ограничения тока при пуске в цепь обмотки якоря может быть включен пусковой реостат, а для регулирования частоты вращения параллельно обмотке возбуждения может быть включен регулировочный реостат. Характерной особенностью этого электродвигателя является то, что его ток возбуждения равен или пропорционален (при включении реостата) току обмотки якоря, поэтому магнитный поток зависит от нагрузки двигателя. При токе обмотки якоря, меньшем 0,8—0,9 номинального тока, магнитная система машины не насыщена, и можно считать, что магнитный поток изменяется прямо пропорционально току. Поэтому скоростная характеристика электродвигателя будет мягкая — с увеличением тока частота вращения будет резко уменьшаться. Уменьшение частоты вращения, происходит из-за увеличения падения напряжения во внутреннем сопротивлении цепи обмотки якоря, а также из-за увеличения магнитного потока. Электромагнитный момент при увеличении тока будет резко возрастать, так как в этом случае увеличивается и магнитный поток, поэтому при токе, меньшем 0,8-0,9 номинального, скоростная характеристика имеет форму гиперболы, а моментная — параболы.

Если ток больше номинального, зависимости момента и скорости вращения от тока линейны, так как в этом режиме магнитная цепь будет насыщена и магнитный поток при изменении тока меняться не будет.

Механическая характеристика рассматриваемого двигателя мягкая и имеет гиперболический характер. При малых нагрузках магнитный поток сильно уменьшается, частота вращения резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет вразнос). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода и при небольшой нагрузке (различные станки, транспортеры и пр.).

Обычно минимально допустимая нагрузка для двигателей большой и средней мощности составляет 0,2 …. 0,25 номинальной. Чтобы предотвратить возможность работы двигателя без нагрузки, его соединяют с приводным механизмом жестко (зубчатой передачей или глухой муфтой), применение ременной передачи или фрикционной муфты недопустимо, т.к. при обрыве ремня двигатель может выйти из строя.

Несмотря на указанный недостаток, двигатели с последовательным возбуждением широко применяют, особенно там, где имеют место изменения нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска: во всех тяговых приводах (электровозы, тепловозы, электропоезда, электрокары, электропогрузчики и пр.), а также в приводах грузоподъемных механизмов (краны, лифты и пр.).

Объясняется это тем, что при мягкой характеристике увеличение нагрузочного момента приводит к меньшему возрастанию тока и потребляемой мощности, чем у двигателей с независимым и параллельным возбуждением, поэтому двигатели с последовательным возбуждением лучше переносят перегрузки. Кроме того, эти двигатели имеют больший пусковой момент, чем двигатели с параллельным и независимым возбуждением, так как при увеличении тока обмотки якоря при пуске соответственно увеличивается и магнитный поток.

Электродвигатель постоянного тока со смешанным возбуждением

В этом электродвигателе магнитный поток создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения — параллельной (или независимой) и последовательной.

Механическая характеристика электродвигателя со смешанным возбуждением располагается между характеристиками двигателей с параллельным и последовательным возбуждением. Достоинством двигателя постоянного тока со смешанным возбуждением является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой, может работать при холостом ходе. В этом режиме частота вращения его якоря определяется магнитным потоком параллельной обмотки и имеет ограниченное значение (двигатель не идет вразнос)[1].

Общие достоинства коллекторных двигателей постоянного тока — простота изготовления, эксплуатации и ремонта, достаточно большой ресурс.

К недостаткам можно отнести то, что эффективные конструкции (с большим КПД и малой массой) таких двигателей являются низкомоментыми и быстроходными (сотни и тысячи оборотов в минуту), поэтому для большинства приводов (кроме вентиляторов и насосов) необходимы редукторы. Это утверждение не вполне верно, но обоснованно. Электрическая машина, построенная на низкую скорость, вообще имеет заниженный КПД и связанные с ним проблемы охлаждения. Скорее всего проблема такова, что изящных решений для неё нет.

Универсальный коллекторный электродвигатель

  Схема одного из вариантов УКД. Допускается работа и от постоянного, и от переменного тока

Универсальный коллекторный электродвигатель (УКД) — разновидность коллекторной машины постоянного тока, которая может работать и на постоянном, и на переменном токе[2]. Получил большое распространение в ручном электроинструменте и в некоторых видах бытовой техники из-за малых размеров, малого веса, лёгкости регулирования оборотов, относительно низкой цены. Широко использовался на железных дорогах Европы и США как тяговый электродвигатель.

Особенности конструкции

Строго говоря, универсальный коллекторный электродвигатель является коллекторным электродвигателем постоянного тока с последовательно включенными обмотками возбуждения (статора), оптимизированным для работы на переменном токе бытовой электрической сети. 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. На самом деле там есть небольшой фазовый сдвиг, обуславливающий появление против направленного момента, но он невелик, симметрирование обмоток не только улучшает условия коммутации, но и уменьшает этот момент. (М. П. Костенко, «Электрические машины»). Для нужд железных дорог строились специальные подстанции переменного тока низкой частоты — 16 Гц в Европе, в США же частота 25 Гц была одной из стандартных (наряду с 60 Гц) до 50-х годов XX века. В 50-х годах XX века германо-французскому консорциуму производителей электрических машин удалось построить однофазную тяговую машину промышленной частоты (50 Гц). По данным М. П. Костенко «Электрические машины», электровоз с однофазными коллекторными машинами на 50 Гц испытывался в СССР, где получил восторженно-отрицательную оценку специалистов.[источник не указан 2015 дней].

Для возможности работы на переменном токе применяется статор из магнитно-мягкого материала, имеющего малый гистерезис (сопротивление перемагничиванию). Для уменьшения потерь на вихревые токи статор выполняют наборным из изолированных пластин. Подмножеством коллекторных машин переменного тока (КМПТ) являются машины «пульсирующего тока», полученного путём выпрямления тока однофазной цепи без сглаживания пульсаций (железная дорога).

Особенностью (в большинстве случаев — достоинством) работы такого двигателя именно на переменном токе (а не на постоянном такого же напряжения) является то, что в режиме малых оборотов (пуск и перегрузка) индуктивное сопротивление обмоток статора ограничивает потребляемый ток и соответственно максимальный момент двигателя (оценочно) до 3-5 от номинального (против 5-10 при питании того же двигателя постоянным током). Для сближения механических характеристик у двигателей общего назначения может применяться секционирование обмоток статора — отдельные выводы (и меньшее число витков обмотки статора) для подключения переменного тока.

Сложной проблемой является вопрос коммутации мощной коллекторной машины переменного тока. В момент коммутации (прохождение секцией нейтрали) сцепленное с секцией якоря (ротора) магнитное поле меняет своё направление на противоположное, что вызывает генерацию в секции так называемой реактивной ЭДС. Так обстоит дело в случае с постоянным током. В КМПТ реактивная ЭДС также имеет место. Но так как якорь (ротор) находится в пульсирующем во времени магнитном поле статора, в коммутируемой секции дополнительно имеет место ещё и трансформаторная ЭДС. Её амплитуда будет максимальна в момент пуска машины, пропорционально снижаться по мере приближения к скорости синхронизма (в точке синхронизма она обратится в нуль) и далее по мере разгона машины вновь будет пропорционально возрастать. Проблема коммутации КМПТ может быть решена следующим образом:

• Стремление при проектировании к одновитковой секции (уменьшение потока сцепления).
• Увеличение активного сопротивления секции. Наиболее перспективными по данным М. П. Костенко являются резисторы в «петушках» коллекторых пластин, где они хорошо охлаждаются.
• Активная подшлифовка коллектора щётками максимальной твёрдости (высокий износ) подгорающего коллектора из-за тяжелых условий коммутации; и максимально возможного сопротивления как средство гашения реактивной и трансформаторной ЭДС коммутируемой секции.
• Использование добавочных полюсов с последовательными обмотками для компенсации реактивной ЭДС и параллельной — для компенсации трансформаторной ЭДС. Но так как величина трансформаторной ЭДС представляет собой функцию от угловой скорости (якоря) ротора и тока намагничивания машины, то такие обмотки нуждаются в системе подчинённого регулирования, не разработанной по сегодняшний день.
• Применение питающих цепей низкой частоты. Популярные частоты 16 и 25 Гц.

Реверсирование УКД осуществляется переключением полярности включения обмоток только статора или только ротора.

Достоинства и недостатки

Сравнение приведено для случая подключения к бытовой однофазной электрической сети 220 вольт 50 Гц. и одинаковой мощности двигателей. Разница в механических характеристиках двигателей («мягкость-жёсткость», максимальный момент) может быть как достоинством, так и недостатком в зависимости от требований к приводу.

Сравнение с коллекторным двигателем постоянного тока

Достоинства:

• Прямое включение в сеть, без дополнительных компонентов (для двигателя постоянного тока требуется, как минимум, выпрямление).
• Меньший пусковой (перегрузочный) ток (и момент), что предпочтительнее для бытовых устройств.
• Проще управляющая схема (при её наличии) — тиристор (или симистор) и реостат. При выходе из строя электронного компонента двигатель (устройство) остаётся работоспособным, но включается сразу на полную мощность.

Недостатки:

• Меньший общий КПД из-за потерь на индуктивность и перемагничивание статора.
• Меньший максимальный момент (может быть недостатком).

Сравнение с асинхронным двигателем

Достоинства:

• Быстроходность и отсутствие привязки к частоте сети.
• Компактность (даже с учётом редуктора).
• Больший пусковой момент.
• Автоматическое пропорциональное снижение оборотов (практически до нуля) и увеличение момента при увеличении нагрузки (при неизменном напряжении питания) — «мягкая» характеристика.
• Возможность плавного регулирования оборотов (момента) в очень широком диапазоне — от ноля до номинального значения — изменением питающего напряжения.

Недостатки:

• Нестабильность оборотов при изменении нагрузки (где это имеет значение).
• Наличие щёточно-коллекторного узла и в связи с этим:
  • Относительно малая надёжность (срок службы: тяжёлые условия коммутации обуславливают использование максимально твердых щёток, что снижает ресурс).
  • Сильное искрение на коллекторе из-за коммутации переменного тока и связанные с этим радиопомехи.
  • Высокий уровень шума.
  • Относительно большое число деталей коллектора (и, соответственно, двигателя).

Следует отметить, что в современных бытовых устройствах ресурс электродвигателя (щёточно-коллекторного узла) сопоставим с ресурсом рабочих органов и механических передач.

Двигатели (УКД и асинхронный) одной и той же мощности, независимо от номинальной частоты асинхронного двигателя, имеют разную механическую характеристику:

• УКД — «мягкая» характеристика, момент прямо, а обороты обратно пропорциональны нагрузке на валу (потребляемой мощности) — практически линейно — от режима холостого хода до режима полного торможения. Номинальный момент выбирается примерно в 3-5 раз меньшим максимального. Обороты холостого хода ограничиваются только потерями в двигателе и могут разрушить мощный двигатель при включении его без нагрузки.
• Асинхронный двигатель — «вентиляторная» характеристика — двигатель поддерживает близкую к номинальной частоту вращения, резко (десятки процентов) увеличивая момент при незначительном повышении нагрузки на валу и снижении оборотов (единицы процентов). При значительном снижении оборотов (до точки критического момента) момент двигателя не только не растёт, а падает до нуля, что вызывает полную остановку. Обороты холостого хода постоянны и слегка превышают номинальные.
• Однофазный асинхронный двигатель предлагает дополнительный «букет» проблем, связанных с запуском, так как в нормальных условиях пускового момента не развивает. Пульсирующее во времени магнитное поле однофазного статора математически разлагается на два противофазных поля, делающих невозможным пуск без различных ухищрений:
  • расщепление фазы
  • создающая искусственную фазу ёмкость
  • создающую искусственную фазу активное сопротивление

Вращающееся в противофазе поле теоретически снижает максимальный КПД однофазного асинхронного двигателя до 50-60 % из-за потерь в перенасыщенной магнитной системе и активных потерь в обмотках, которые нагружаются токами «противополя». Фактически, на одном валу «сидят» две электрические машины, одна из которых работает в двигательном режиме, а вторая — в режиме противовключения.

Механическая характеристика в первую очередь и обуславливает (разные) области применения данных типов двигателей.

Из-за малых оборотов, ограниченных частотой сети переменного тока, асинхронные двигатели той же мощности имеют значительно бо́льшие вес и размеры, чем УКД. Если асинхронный двигатель запитывается от преобразователя (инвертора) с высокой частотой, то вес и размеры обеих машин становятся соизмеримы. При этом остаётся жёсткость механической характеристики, добавляются потери на преобразование тока и, как следствие увеличения частоты, повышаются индуктивные и магнитные потери (снижается общий КПД).

Аналоги бесколлекторного узла

Ближайшим аналогом УКД по механической характеристике является бесколлекторный электродвигатель (вентильный электродвигатель, в котором электронным аналогом щёточно-коллекторного узла является инвертор с датчиком положения ротора (ДПР).

Электронным аналогом универсального коллекторного двигателя является система: выпрямитель (мост), синхронный электродвигатель с датчиком углового положения ротора (датчик угла) и инвертором (другими словами — вентильный электродвигатель с выпрямителем).

Однако из-за применения постоянных магнитов в роторе максимальный момент вентильного двигателя при тех же габаритах будет меньше.

ru-wiki.org

---

• 
  Заменить батарею на кухне в москве
• 
  Карта газификации московской области карта
• 
  Расстояние от солнца марса
• 
  Инверторы напряжения
• 
  Кто относится к неэлектротехническому персоналу
• 
  550 постановление
• 
  Эпра для люминесцентных ламп характеристики
• 
  В аккумуляторе какой ток
• 
  Ветроэнергетика плюсы и минусы
• 
  Сколько частей света всего
• 
  Предохранитель fu1