Что такое коллекторный двигатель постоянного тока и как он работает

Коллекторные моторы довольно распространены в быту и промышленности. Они используются для привода различных механизмов, электроинструментов и автомобилей. Отчасти их популярность связана с простой регулировкой скорости вращения ротора, но есть некоторые ограничения в их использовании и, конечно же, недостатки. Давайте разберемся, что такое коллекторный двигатель постоянного тока (ДДПТ), какие бывают разновидности этого типа электродвигателя и где они применяются.

  • Определение и устройство
  • Принцип действия
  • Типы коллективных двигателей постоянного тока и схема подключения обмоток
  • Схема подключения и реверс
  • Область применения
  • Преимущества и недостатки

Определение и устройство

В справочниках и энциклопедиях дается следующее определение:

«Коллекторный двигатель — это электродвигатель, в котором датчик положения вала и переключатель обмотки представляют собой одно и то же устройство — коллектор. Такие двигатели могут работать либо только на постоянном токе, либо на постоянном и переменном токе».

Коллекторный двигатель, как и любой другой, состоит из ротора и статора. В этом случае ротор представляет собой якорь. Напомним, что якорь — это часть электрической машины, которая потребляет основной ток и в которой индуцируется электродвижущая сила.

Для чего нужен коллектор и как он построен? Коллектор расположен на валу (роторе) и представляет собой набор продольно расположенных пластин, изолированных от вала и друг от друга. Их называют ламелями. Отводы обмотки якоря соединены с ламелями (систему обмотки якоря в КДПТ можно увидеть в группе рисунков ниже), и фактически каждый из них является отводом в конце предыдущего участка обмотки и в начале следующего.

Ток на обмотки подается щетками. Щетки входят в скользящий контакт и касаются одной или другой ламели при вращении вала. Таким образом переключаются обмотки якоря, и для этого предназначен коллектор.

Щеточный узел состоит из опоры держателя щетки с графитовыми или металлографическими щетками, которые устанавливаются непосредственно на опоре. Щетки прижимаются к коллектору пружинами для обеспечения хорошего контакта.

На статоре установлены постоянные магниты или электромагниты (обмотки возбуждения), которые создают магнитное поле статора. В литературе по электрическим машинам термины «магнитная система» или «индуктор» используются чаще, чем слово «статор». На рисунке ниже показана структура DCT в разных проекциях. Теперь разберемся, как работает коллекторный двигатель постоянного тока!

Принцип действия

При протекании тока через обмотку якоря создается магнитное поле, направление которого можно определить с помощью правила Буравера. Постоянное магнитное поле статора взаимодействует с полем якоря, и он начинает вращаться, потому что одинаковые полюса отталкиваются, а противоположные полюса притягиваются. Это хорошо иллюстрирует диаграмма ниже.

Когда щетки переключаются на другие ламели, ток течет в противоположном направлении (на основе приведенного выше примера), магнитные полюса меняются местами, и процесс повторяется.

В современных коллекторных машинах биполярная конструкция не используется, потому что из-за неравномерного вращения в точке реверса тока силы, действующие на якорь, будут минимальными. А если запустить двигатель, вал которого остановился в этом «переходном» положении — он может вообще не вращаться. Поэтому на коллекторе современного электродвигателя постоянного тока гораздо больше полюсов и секций обмоток, расположенных в пазах сформированного сердечника, за счет чего достигается оптимальная плавность движения и крутящий момент на валу.

Принцип работы коллекторного двигателя поясняется в видеоролике ниже простым языком для чайников, мы настоятельно рекомендуем вам ознакомиться с ним.

Виды КДПТ и схемы соединения обмоток

В зависимости от способа возбуждения существуют два типа коллекторных двигателей постоянного тока:

  1. С постоянными магнитами (маломощные двигатели в десятки и сотни ватт).
  2. С электромагнитами (мощные машины, например, в подъемниках и станках).

В зависимости от способа подключения обмоток существуют разные типы СТМ:

  • Возбуждениесерийный (в старой отечественной литературе и у старых электриков можно услышать название «Serial», от английского Serial). Здесь обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря. Достоинством этой схемы является высокий пусковой момент, а недостатками — снижение частоты вращения при увеличении нагрузки на вал (мягкая механическая характеристика) и то, что двигатель сходит с ума (неконтролируемое увеличение частоты вращения с последующим повреждением подшипника и якоря) при работе на холостом ходу. или с нагрузкой на вал менее 20-30% номинальной нагрузки.
  • Параллельный (также называемый шунтом). Следовательно, обмотка возбуждения включается параллельно обмотке якоря. На низких оборотах крутящий момент на валу высокий и стабильный в относительно широком диапазоне оборотов, и он уменьшается с увеличением оборотов. Преимущество — стабильное вращение в широком диапазоне нагрузок на вал (ограниченное его мощностью), а недостатком — то, что он может сбиться с пути, если есть разрыв по периметру поля.
  • Независимый. Обмотка возбуждения и обмотка якоря питаются от разных источников. Это решение позволяет более точно регулировать скорость вращения вала. Свойства аналогичны свойствам двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.
  • Смешанный. Часть обмотки возбуждения включена параллельно, а другая часть последовательно с якорем. Он сочетает в себе преимущества последовательного и параллельного типов.

Схематическое изображение показано ниже.

В зарубежной и современной отечественной литературе, а также на схемах можно встретить другое представление КСО для КДПТ, показанное на предыдущем рисунке в виде круга с двумя квадратами, где круг означает арматуру, а два квадрата — кисти.

Схема подключения и реверс

Способ соединения обмоток статора и ротора определяется в процессе производства, и соответствующее решение следует выбирать в зависимости от места применения данного двигателя. В некоторых режимах работы (например, в режиме торможения) схемы подключения обмоток могут быть изменены или могут быть введены дополнительные элементы.

Маломощные коллекторные двигатели постоянного тока коммутируются с помощью: полупроводниковых переключателей (транзисторов), переключателей или кнопок, специализированных микросхем-драйверов или с помощью реле малой мощности. Большие и мощные машины подключаются к сети постоянного тока с помощью двухполюсных контакторов.

На схеме ниже изображена обратимая схема подключения двигателя постоянного тока к сети 220 В. На практике в производстве схема будет аналогичной, но диодного моста в ней не будет, так как все линии для подключения таких двигателей выведены от тяговых подстанций, где выпрямляется переменный ток.

Изменение направления вращения осуществляется путем изменения полярности обмотки возбуждения или якоря. Изменить полярность невозможно, поскольку направление вращения вала не изменится, как в случае двигателей переменного тока с универсальным коллектором.

Для обеспечения плавного пуска двигателя в цепь питания обмотки якоря или обмотки якоря и возбуждения (в зависимости от схемы их подключения) вводится регулирующее устройство, например реостат; так же регулируется частота вращения вала, но вместо реостата чаще используется набор постоянных резисторов, соединенных набором контакторов.

В современных приложениях скорость изменяется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и полупроводникового переключателя, который точно такой же для аккумуляторных электроинструментов (например, отвертки). Эффективность этого метода намного выше.

Сфера применения

Коллекторные двигатели постоянного тока используются повсеместно, как в бытовых, так и в промышленных приборах и оборудовании, давайте кратко рассмотрим область их применения:

  • В автомобильной промышленности DTM с коллектором на 12 В и 24 В используются для привода щеток стеклоочистителей, в стеклоподъемниках, для запуска двигателя (стартер — это двигатель с коллектором постоянного тока с последовательным или смешанным возбуждением) и приводов длядругие цели.
  • В подъемных механизмах (кранах, лифтах и ​​т. Д.) Используются DDCP, которые работают от сети постоянного тока с напряжением 220 В или другим доступным напряжением.
  • Трехполюсный ротор FPT с постоянными магнитами в статоре используется в детских игрушках и маломощных радиоуправляемых моделях.
  • В ручных аккумуляторных электроинструментах — различные дрели, шлифовальные машины, электрические отвертки и т. Д.

Следует отметить, что современные аккумуляторные электроинструменты комплектуются бесколлекторными, а не коллекторными двигателями.

Достоинства и недостатки

Разберем плюсы и минусы коллекторного двигателя постоянного тока. Преимущества:

  1. Соотношение габаритов и мощности (массовые габариты).
  2. Легкое управление скоростью и плавный пуск.
  3. Пусковой момент.

Недостатки DPT следующие:

  1. Износ кисти. Двигатели большой мощности, которые эксплуатируются регулярно, требуют регулярного осмотра, замены щеток и технического обслуживания коллектора.
  2. Коллектор изнашивается из-за трения между щетками.
  3. Возможна электрическая дуга на щетках, что ограничивает использование во взрывоопасных зонах (в этом случае используются взрывозащищенные версии).
  4. Из-за непрерывного переключения обмотки этого типа двигателей постоянного тока вызывают нарушения и искажения в силовой цепи или электросети, что приводит к сбоям и проблемам в работе других элементов схемы (особенно электронных систем).
  5. В двигателях постоянного тока с постоянными магнитами магнитные силы со временем ослабевают (размагничиваются) и эффективность двигателя снижается.

Итак, мы рассмотрели, что такое коллекторный двигатель постоянного тока, как он устроен и каков принцип его работы. Если есть еще вопросы, смело задавайте их в комментариях под статьей!