Опубликовано

Принцип работы асинхронного двигателя для чайников

201. Перемена направления вращения электрических двигателей (реверсирование)

Изменение направления вращения двигателей постоянного тока производится путем изменения направления тока в обмотке якоря, если остается прежним направление тока в обмотке возбуждения, или путем изменения направления тока в обмотке возбуждения, если остается прежним направление тока в обмотке якоря. Если же изменить одновременно направление тока в обмотке якоря и в обмотке возбуждения, то направление вращения двигателя не изменится.

Реверсирование двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением можно производить путем изменения направления тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке возбуждения.
Реверсирование двигателей с параллельным и со смешанным возбуждением производят путем изменения направления тока в обмотке якоря. Разрыв цепей параллельных обмоток возбуждения для изменения в них направления тока может привести к пробою их изоляции вследствие возникновения в них большой э. д. с. самоиндукции.
Направление вращения ротора асинхронных двигателей зависит от направления вращения магнитного поля статора. Чтобы изменить направление вращения магнитного поля статора, нужно поменять местами два любых линейных провода, подходящих к обмотке статора двигателя.
На фиг. 407, а и б схематически изображен случай перемены направления вращения асинхронного двигателя. Перемена местами проводов, соединенных с какими-либо двумя фазами статора, меняет направление вращения ротора двигателя. Для этого к двигателю ставят переключатель (фиг. 407, в).

При дистанционном (на расстоянии) управлении двигателем, когда встречается необходимость перемены направления вращения, к двигателю ставят реверсивный магнитный пускатель.

Для двигателей большой мощности реверсирование (изменение направления вращения) выполняется с помощью особого аппарата—контроллера (фиг. 408). Здесь медные сегменты, укрепленные на барабане контроллера, при повороте барабана соединяются неподвижными контактами 1—6 и производят необходимые включения, выключения и переключения.

В конструкции современного автомобиля задействован коллекторный двигатель, агрегат, использующий контакты с целью определения положения нахождения ротора.Текущие тенденции на мировом рынке автомобилестроения сводятся к полной замене силовых установок, работающих за счет внутреннего сгорания топлива на электрические моторы. За последние годы, призывы к увеличению планки по количеству вредных выбросов в атмосферу, звучат, чуть ли не ежедневно, а это укрепляет позиции электрических агрегатов.

Принцип работы электрического двигателя, преобразовать электрическую энергию в механическую работу. Если сравнивать агрегаты с двигателями внутреннего сгорания, электрические моторы предпочтительней, преимущество: компактность, простота, долговечность, экологически безвредны и масса других плюсов.

В конструкции современного автомобиля задействован коллекторный двигатель, агрегат, использующий контакты с целью определения положения нахождения ротора.

Электромобиль Tesla model S:

Описание коллекторного двигателя

Прежде, перед рассмотрением вариантов установок, проясним, что значит понятие коллекторный двигатель. Электрический мотор, это устройство, преобразующее электрику в механику и наоборот. Если обмотка мотора имеет связующее звено с узлом коллектора и принимает участие в трансформации энергии, то такой агрегат носит название коллекторный.

Якоби Б.С. (1801-1874гг) изобретатель первого коллекторного двигателя в 1837г.

Элементы электрического двигателя:

  • Ротор, деталь мотора, подвержена вращению;
  • Статор, деталь мотора, остаётся в стационарном положении;
  • Индуктор, кусок агрегата, который с целью сформировать момент, участвует в образовании потока магнитного поля. В состав индуктора входят: магниты, совокупность витков. Механизм выполняется в качестве части ротора или неподвижной детали;
  • Якорь, агрегат, поддерживающий движение нагрузочного, упорядоченного движения частиц, носителей электрического заряда и за счет индукции, формирующий электродвижущую силу. Функцию якоря выполняет либо ротор, либо статор;
  • Щетки, деталь, являющаяся частью электрической цепи, посредством которой ток передаётся к якорю. Материал, из которого делают щётки, как правило, графит. Двигатель содержит минимум две щётки для «положительного» и «отрицательного» полюсов;
  • Коллектор, часть агрегата, контактирующая со щетками и распределяющая ток.

Название агрегата произошло благодаря наименованию узла ротора электродвигателя – коллектора. Визуально коллектор представляет собой деталь, в виде цилиндра, которая состоит из пластин меди, изолированных между собой.

Важно! Опытные пользователи знают, что для увеличения срока службы новой установки, обкатать коллекторный двигатель. Для этого в течение 10-15 минут агрегат работает на 15-20% мощности без нагрузки. Это позволит избежать прожигания коллектора и даст прирост мощности на уровне 10-15%.

Универсальный коллекторный двигатель.

Принцип работы коллекторного двигателя

Для того, что бы понять, как работает коллекторный двигатель, вспомним электромагнитную индукцию. Поместим на оси вращения проводник, с циркулирующим током внутри него, между магнитами, северный и южный полюс. Проводник вращается в направление движения тока, это принцип работы коллекторного двигателя. Питание проходит через щетки на конец проводника. Пол оборота, и происходит переключение тока, способствующее непрерывному вращению в заданном направлении. Коллекторный двигатель оборудован несколькими проводниками, поэтому окружность коллектора, делится на контакты.

От статора ток проходит к обмоткам ротора посредством последовательного соединения, щёток и коллектора. Коллекторные двигатели применяют в изделиях, где важна скорость вращения. Моторы не тяжёлые, с относительно небольшими габаритными размерами.

Принцип работы коллекторного двигателя.

Важно! Коллекторный двигатель, способен работать в обратном порядке, преобразовывать механическую энергию в электрическую энергию. В этом случае, роль установки – генератор.

Разновидности коллекторных двигателей

Для удобства восприятия в любой сфере существует классификация изделий по критериям, признакам, функциональности. Что касается коллекторных установок, классификация проходит по разным параметрам.

Схема универсального коллекторного двигателя.

При классификации по питанию:

  1. Универсальный коллекторный двигатель;
  2. Коллекторный агрегат (направление движения заряженных частиц в электрическом поле = const);
  • С индуктором на постоянных магнитах;
  • С индуктором на катушках возбуждения:
  • Катушка возбуждения (тип обмотки независимый);
  • Катушка возбуждения (тип обмотки параллельный);
  • Катушка возбуждения (тип обмотки последовательный);
  • Катушка возбуждения (тип обмотки смешанный).

Универсальный коллекторный агрегат.

Установки применяются в быту, коллекторный двигатель переменного тока 220в используется в бытовой технике. Мотор потребляет постоянный и переменный ток. Популярность в применении обусловлена реверсом, регулировкой скорости вращения, необходимостью частоты выше 3000 об./мин.

Применяя однофазный коллекторный двигатель переменного тока, обмотки статора и ротора соединяют последовательно или параллельно. Последний вариант соединения уже никто не делает. Универсальный однофазный коллекторный агрегат работает с переменным и постоянным током.

Недостатки универсального механизма:

  • Стоимость агрегата;
  • Сложность обслуживания;
  • Шумность работы, сложное управление, возникновение радиопомех;
  • Полезное действие ниже необходимого, если применяется источник переменного тока;
  • Износ щеток по причине образования искр.

Коллекторный агрегат (ток = const).

Индуктор на постоянных магнитах.

Конструктивное отличие от универсальной установки заключается в использовании магнитов, а не катушек возбуждения. Агрегат популярен и распространен в большей степени, чем остальные виды коллекторных установок. Положительный момент, это стоимость и простота конструкции. Кроме того, устройство легко в управлении. Камень преткновения, применяемые магниты, которые напрямую связаны с характеристиками мощности установки. На установку влияет образуемое магнитами поле.

Положительные аспекты Отрицательные аспекты
Значительный момент при незначительных оборотах;Широкий диапазон регулировок;Цена агрегата доступна потребителям. Невысокая мощность;Старение магнитов, потеря свойств.

Коллекторный двигатель с индуктором на постоянных магнитах.

Катушки возбуждения (независимая и параллельная)

Название типа получено как следствие независимого питания. Особенность, для возникновения момента питание индуктора и якоря должны отличаться, иначе ротор установки не будет крутиться.

Если нет возможности организовать подачу разного тока, то подключение делается параллельно. Оба типа одинаковы с точки зрения характеристик. Момент у силовых установок высокий (даже на низком вращении), рост частоты – момент уменьшается. Особенность: независимость катушки и якоря. Что бы агрегат вышел из строя, достаточно току, возбуждающему катушку, упасть до значения «0».

Схема независимого возбуждения:

Положительные аспекты Отрицательные аспекты
Отсутствие магнитов, поэтому время не влияет на работоспособность агрегата;Низкие обороты – высокий момент;Легкая регулировка, организовывается регулятором. Завышена цена, в сравнении с оппонентами;Падение тока катушки возбуждения ниже предельного значение чревато поломкой.

Схема параллельного возбуждения:

Обмотка возбуждения (тип последовательный)

Последовательность, предполагает равное значение тока. При токе статора, значением ниже расчётного, падает мощность потока магнитного. Рост нагрузки сопоставим росту мощности потока, до тех пор, пока не произойдёт выход на предельный уровень, когда рост тока не увеличивает поток магнитный.

Такая особенность не позволяет запускать двигатель, если расчётная нагрузка, ниже 25%. Сделав это, произойдёт резкое неконтролируемое увеличение частоты вращения. Особенность наложила отпечаток на использование агрегатов, однако, если мощность установки ниже 200Вт, возможно падение нагрузки, даже до холостого хода.

Положительные аспекты Отрицательные аспекты
Отсутствие магнитов, поэтому время не влияет на работоспособность агрегата;Значение момента высоко, при этом обороты незначительны. Стоимость завышена, оппоненты дешевле;Значение момента понижается с увеличением оборотов;Сложности в регулировке скоростью вращения агрегата;Эксплуатация без нагрузки ведёт к поломке агрегата.

Схема последовательного возбуждения.

Обмотка возбуждения (тип смешанный)

В таких агрегатах, установлено две катушки, подключены последовательно и параллельно. Первая носит статус основной за счет возможности применять большую силу магнетизма, вторая обладает статусом вспомогательной. Возможно подключение катушек встречным или согласованным методом. От выбранного подключения зависит, чему будет соответствовать интенсивность поля.

Подключить коллекторный двигатель можно, в случае надобности получения неизменной частоты, или увеличения оборотов при увеличении нагрузки.

Схема смешанного возбуждения.

Положительные аспекты Отрицательные аспекты
Отсутствие магнитов, поэтому время не влияет на работоспособность агрегата;Низкие обороты – высокий момент;Надёжность, хорошо переносит граничные нагрузки;Простое управление. Высокая стоимость.

Следующим шагом развития электрических двигателей стали бесколлекторные моторы. Отличие коллекторного двигателя от бесколлекторного, отсутствие у последнего, как коллектора, так и щеток. Функцию ротора в двигателе выполняют магниты, которые расположены вокруг вала, тут же расположены и обмотки. Положение ротора контролируется датчиком. Информация от датчика обрабатывается вычислителем. Агрегат обладает положительными аспектами, присущими установкам с коллектором, не обслуживается, единственный отрицательный аспект, это высокая стоимость.

Бесколлекторный двигатель:

Мы часто встречаемся с электродвигателями. Они обеспечивают работу бытовой и строительной техники, являются составной частью производственного оборудования. Немалая часть устройств имеет в составе коллекторный двигатель. Это один из простых и недорогих движков, который имеет хорошие характеристики. Именно этим, да ещё невысокой ценой, обусловлена его популярность.

Что такое коллекторный двигатель и его особенности

Коллектором называют часть двигателя, контактирующую со щётками. Этот узел обеспечивает передачу электроэнергии в рабочую часть агрегата. Коллекторным называется двигатель, у которого хотя бы одна обмотка ротора соединена со щётками и коллектором. Коллекторные электродвигатели бывают:

  • постоянного тока;
  • переменного тока;
  • универсальные.

Коллекторный двигатель может быть постоянного и переменного тока. Есть универсальные модели, которые могут работать от источника напряжения любого типа

Последние универсальные, работают как от постоянного, так и от переменного тока. Они сохраняют популярность, даже несмотря на то, что наличие щёток отрицательный момент, так как щётки стираются и искрят. За этим узлом требуется постоянное наблюдение, техническое обслуживание. К плюсам коллекторных двигателей относят возможность плавной регулировки скорости в широких пределах, невысокую стоимость.

Как и другие электромоторы, коллекторный состоит из статора и ротора (часто называют «якорь»). Его отличительной чертой является наличие на валу коллекторного узла, через который на машину передаётся электропитание. Устройство коллекторных моторов постоянного и переменного тока похожи, но имеют определённые отличия, потому рассмотрим подробнее их по отдельности.

Ротор коллекторного двигателя

Ротор коллекторного двигателя состоит из вала, на который насаживается сборный магнитопровод. С одной стороны, на вал крепится коллекторный узел, с другой, лопасти вентилятора. Для обеспечения лёгкого вращения и для фиксации в корпусе на вал с двух сторон надеваются подшипники. Для нормальной работы электродвигателя, необходимо чтобы ротор был отлично сбалансирован. Потому к изготовлению этой части подходят особенно скрупулёзно.

Подвижная (вращающаяся) часть

Роторная обмотка

Сердечник ротора собирается из металлических пластин, отштампованных из магнитного металла. Толщина пластин 0,35-0,5 мм, каждая из них залита слоем диэлектрического лака, для избавления от паразитных токов. Пластины по внешнему краю имеют пазы, в которые затем укладываются витки медной проволоки. Эти пластины насаживаются на вал и закрепляются на нём, собирается пакет требуемого размера. Эта система является магнитопроводом.

Так выглядит ротор коллекторного двигателя

В пазы магнитопровода укладывается витки медного обмоточного провода. Выходы обмоток выводятся на коллекторный узел, где и происходит их переключение.

Как устроен коллекторный узел и как он работает

Коллекторный узел стоит рассмотреть подробнее. Иначе понять, как вращается ротор, сложно. Коллектор имеет цилиндрическую форму и набран из медных пластин (иногда называют ламелями), которые изолированы друг от друга слюдяными или текстолитовыми прокладками. Нет электрического контакта и с осью вала, к которому он крепится.

Коллектор имеет вид цилиндра, который набран из медных пластин. Пластины сделаны в виде секторов, разделены диэлектрическими прокладками

Получается, коллектор собран из медных секторов и без обмотки электрически друг с другом не связанных. К каждой пластине коллектора крепится вывод одной рамки обмотки ротора. К плоскости двух противоположных рамок коллектора прижимается две щетки. Они плотно прилегают к поверхности медной пластины коллектора, что даёт хороший контакт. На эти щётки подаётся потенциал, который и передаётся в тот виток обмотки ротора, который подключён к этим пластинам.

К парным пластинам коллектора прижимаются графитовые щетки

Так как ротор с некоторой скоростью вращается, одна пара пластин сменяется другой. Таким образом, напряжение передаётся на все обмотки ротора. При этом возникающие друг за другом поля поддерживают вращение ротора, «проталкивая» его в нужном направлении.

Принцип работы

Вот теперь, после того как рассмотрели устройство ротора, можно поговорить о том, как работает коллекторный двигатель. Собственно, принцип действия не отличается от других моторов, ротор начинает вращаться в магнитном поле благодаря наведенным на нём токам. Но как именно и почему эти тока наводятся? Для понимания надо вспомнить, как возникает электродвижущая сила в постоянном магнитном поле. Если в поле постоянного магнита ввести прямоугольную рамку, под действием возникающего в ней тока она начинает вращение. Направление вращения определяется по правилу буравчика. Для постоянного поля оно гласит так, если ввести правую руку в поле так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, вытянутые пальцы укажут направление движения.

Иллюстрация к пояснению принципа работы коллекторного двигателя постоянного тока

Если посмотреть на устройство ротора, то видим, что каждая обмотка представляет собой такую рамку. Только состоит она не из одного провода, а из нескольких, но сути это не меняет. При помощи коллекторного узла, в какой-то момент времени, обмотка подключается к питанию, по ней протекает ток и вокруг проводника возникает магнитное поле. Оно взаимодействует с полем статора. В зависимости от типа, стоят там постоянные магниты или тоже протекает постоянный ток в обмотках, генерируя на полюсах собственное магнитное поле. Поля ротора и статора рассчитаны так, что при взаимодействии они «проталкивают» ротор в нужном направлении. Вот, коротко и без особых подробностей описание работы коллекторного двигателя постоянного тока.

Обмотки на роторе подключаются к пластинам коллектора. Когда с пластинами контактируют щетки, получаем замкнутый контур, по которому течет ток

Если немного вдуматься, можно понять, почему коллекторный двигатель позволяет легко и плавно регулировать скорость. Чем больше напряжение подается на обмотки ротора, тем более мощное поле генерирует статор, тем сильнее их взаимодействие и быстрее крутится ротор, так как его толкают с большей силой. Если напряжение уменьшить, взаимодействие меньше, результирующая скорость вращения тоже. Так что все что нужно регулировать напряжение, а это может даже простой потенциометр (переменное сопротивление).

Достоинства и недостатки

Как водится, начнём с перечисления плюсов. Достоинства коллекторных электромоторов такие:

  • Простое устройство.
  • Высокая скорость до 10 000 об/мин.
  • Хороший крутящий момент даже на малых оборотах.
  • Невысокая стоимость.
  • Возможность регулировать скорость в широких пределах.
  • Невысокие пусковые токи и нагрузки.

Схема коллекторного двигателя

Неплохие качества, но есть и недостатки, причём они не менее серьёзные. Минусы коллекторных электродвигателей такие:

  • Высокий уровень шумов при работе. Особенно на высоких скоростях. Щетки трутся о коллектор, дополнительно создавая шумы.
  • Искрение щёток, их износ.
  • Необходимость частого обслуживания коллекторного узла.
  • Нестабильность показателей при изменении нагрузки.
  • Высокая частота отказов из-за наличия коллектора и щёток, малый срок службы этого узла.

В целом, коллекторный двигатель неплохой выбор, иначе его не ставили бы на бытовой технике. Справедливости ради стоит сказать, что при нормальном качестве исполнения, работают такие двигатели годами. Могут и 10-15 лет проработать без проблем.

Коллекторный двигатель постоянного тока с магнитами

В коллекторных двигателях постоянного тока постоянное магнитное поле обеспечивают:

  • постоянные магниты;
  • обмотки возбуждения.

Магниты и обмотки располагаются на корпусе статора, и чаще всего, вверху и внизу. Если говорить о маломощных моторах, то более популярны коллекторные двигатели с постоянными магнитами. Они проще в производстве, дешевле, быстро реагируют на изменение напряжения, что позволяет плавно регулировать скорость. Недостаток моторов с постоянными магнитами является их невысокая мощность, а еще то, что со временем или при перегреве магниты теряют свои свойства и это приводит к ухудшению характеристик двигателя.

Устройство коллекторного двигателя постоянного тока

Такие моторы имеют небольшую мощность, от единиц до сотен Ватт. Они используются в технике, для которой важна плавная регулировка скоростей. Это обычно детские игрушки, некоторые виды бытовой техники (в основном вентиляторы). Недостатком коллекторного мотора с магнитами является постепенная потеря мощности, магниты со временем становятся слабее, и без того небольшая мощность падает. Но в последнее время появились новые магнитные сплавы с большой магнитной силой, позволяющие создавать двигатели с большой мощностью.

С обмотками возбуждения

Коллекторные двигатели постоянного тока с обмотками возбуждения нашли более широкое применение. От двигателей этого типа работает аккумуляторный электроинструмент: болгарки, дрели, шуруповерты т.д. Обмотки возбуждения делают из изолированного медного провода (в лаковой оболочке). В качестве основы используются канавки в полюсных наконечниках. На них как на основу наматываются обмотки.

Коллекторный двигатель с системой обмоточного возбуждения

Если посмотреть на устройство коллекторного двигателя, мы видим два несвязанных между собой устройства, ротор и обмотки возбуждения. От способа их подключения зависят характеристики и свойства двигателя. Различают четыре способа соединения ротора и обмоток возбуждения. Эти способы называют способами возбуждения. Вот они:

  • Независимое. Возможно только если напряжения на обмотке возбуждения и на якоре неравны (бывает очень редко). Если они равны, используется схема параллельного возбуждения.
  • Параллельное. Хорошо регулируется скорость, стабильная работа на низких оборотах, постоянные характеристики, независимы от времени. К недостаткам подключения этого типа относится нестабильность двигателя при падении тока индуктора ниже нуля.
  • Последовательное. При таком подключении нельзя включать двигатель с нагрузкой на валу ниже 25% от номинальной. При отсутствии нагрузки скорость вращения сильно возрастает, что может разрушить двигатель. Потому с ременной передачей такой тип подключения не используют, при обрыве ремня мотор разрушается. Схема последовательного возбуждения имеет высокий момент на низких оборотах, но не слишком хорошо работает на высоких, управлять скоростью сложно.
  • Смешанное. Считается одним из лучших. Хорошо управляется, имеет высокий крутящий момент на низких оборотах, редко выходит из-под контроля. Из недостатков самая высокая цена по сравнению с другими типами.

Способы подключения обмоток возбуждения

Коллекторные двигатели постоянного тока могут иметь КПД от 8-10% до 85-88%. Зависит от типа подключения. Но высокопродуктивные отличаются высокими оборотами (тысячи оборотов в минуту, реже сотни) и низким моментом, так что они идеальны для вентиляторов. Для любой другой техники используют низкооборотистые модели с малым КПД, либо к продуктивным моделям добавляют редуктор, другого решения пока не нашли.

Универсальные коллекторные двигатели

Несмотря на то, что коллекторный узел можно назвать самым слабым местом электродвигателя, подобные модели нашли широкое применение. Все благодаря невысокой цене и легкости управления скоростью. Коллекторные двигатели переменного тока стоят практически в любой бытовой технике, как крупной, так и мелкой. Миксеры, блендеры, кофемолки, строительные фены, даже стиральные машины (привод барабана).

Универсальный коллекторный двигатель работает от постоянного и переменного напряжения

По строению универсальные коллекторные двигатели не отличаются от моделей постоянного тока с обмотками возбуждения. Разница, безусловно есть, но она не в устройстве, а в деталях:

  • Схема возбуждения всегда последовательная.
  • Магнитные системы ротора и статора для компенсации магнитных потерь делают шихтованного типа (единая система без сплошных разрезов).
  • Обмотка возбуждения состоит из нескольких секций. Это необходимо, чтобы режимы работы на постоянном и переменном напряжении были схожи.

Работа коллекторных электродвигателей универсального типа основана на том, что если одновременно (или почти одновременно) поменять полярность питания на обмотках статора и ротора, направление результирующего момента останется тем же. При последовательной схеме возбуждения полярность меняется с очень небольшой задержкой. Так что направление вращения ротора остается тем же.

Хотя универсальные коллекторные двигатели активно используются, они имеют серьёзные недостатки:

  • Более низкий КПД при работе на переменном токе (если сравнивать с работой на постоянном такого же напряжения).
  • Сильное искрение коллекторного узла на переменном токе.
  • Создают радиопомехи.
  • Повышенный уровень шума при работе.

Во многих моделях строительной техники

Но все эти недостатки нивелируются тем, что при частоте питающего напряжения в 50 Гц они могут вращаться со скоростью 9000-10000 об/мин. По сравнению с синхронными и асинхронными двигателями это очень много, максимальная их скорость — 3000 об/мин. Именно это обусловило использование этого типа моторов в бытовой технике. Но постепенно они заменяются современными бесщеточными двигателями. С развитием полупроводников их производство и управление становится всё более дешёвым и простым.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *