Коллекторный двигатель: конструкция, история развития, характеристики

Сегодня коллекторные тяговые двигатели можно встретить в локомотивах и пылесосах, дрелях и стиральных машинах. С 1844 года генераторы переменного тока Woolrich используются в сочетании с выпрямительными коммутаторами. Это была попытка снизить цену на производимую энергию. Ранее были проведены эксперименты с постоянным током, генерируемым медными и цинковыми колесами, а коллекторные двигатели были разработаны для указанных условий.

Коллектор считается основной частью. На фотографии видно, что деталь трудно спутать. Коллектор хорошо виден через все щели. Это барабан медного цвета, состоящий из множества рифленых, разделенных пластин. Структура коллектора сложная, и для увеличения мощности каждую катушку приходится поворачивать в двух направлениях. Это было сделано Якоби не единожды, и результат оказался посредственным.

Обмотка якоря (подвижная часть двигателя) состоит из нескольких катушек, образующих полюса. Конструкция симметрична для минимизации люфта, биения и вибрации. Это увеличивает срок службы изделия.

Коллектор, установленный на валу, становится электрическим распределителем, механическим коммутатором. Сегодня альтернативой этому варианту являются вентильные двигатели с электронной коммутацией. Благодаря уникальной конструкции коммутатора создаются сильные искры: при разрушении поверхности щеток и ребер дуга быстро гаснет. Это приводит к возникновению шума. Коллекторные двигатели во много раз более шумные, чем другое оборудование.

Щетки постепенно изнашиваются. Они состоят из резьбовой контактной шайбы, толстой, характерной на вид медной нити и графитового корпуса. Коллекторный двигатель можно определить по этим признакам, если задняя часть двигателя закрыта крышкой, как показано на фото. Не нужно искать графитовый корпус, просто посмотрите, где проходит кабель. Дизайн ручек может быть разным, но щетку можно легко снять и заменить на новую. Для обеспечения надежного контакта используется пружина сжатия. Он присутствует во всех конструкциях, а графитовый корпус изнашивается при использовании.

Это несложно проиллюстрировать на болторезе (угловой шлифовальной машине). Существуют специальные крышки доступа, позволяющие менять щетку без открытия корпуса. Это обеспечивает высокий уровень эффективности. На шпателе часто приходится выполнять много работы по резке и шлифовке, поэтому снятие корпуса в разгар работы – не лучший вариант. Если крышки, показанные на фотографии, присутствуют, просто снимите их и замените деталь. Резьбовое соединение отсутствует, щетка прижимается к коллектору непосредственно через крышку.

С помощью шлицевой отвертки выкрутите пробку и удалите старую щетку. Контактный колпачок легко вытягивается наружу, толкаемый вверх пружиной. Если невозможно получить идентичную кисть, графитовый корпус можно переточить. Форма контакта не имеет значения, при необходимости можно припаять шайбу правильной формы, шайбу и т.д.

Из этого следует, что двигатель коллектора в значительной степени ремонтопригоден. Отношение к конструкциям постоянного тока – это неправильная политика. Эффективность переменного тока (крутящий момент, КПД) ниже. Причина в том, что частота вращения вала не всегда совпадает с частотой сети. Трудно предсказать результат векторного сложения полей всех полюсов.

Электронные схемы, использующие симистор, основаны на двойном полупериодическом управлении фазовым сдвигом. На диаграмме (рис. 9) Он показывает, как напряжение, подаваемое на двигатель, изменяется в зависимости от импульса микроконтроллера, подаваемого на управляющий электрод симистора.
Таким образом, видно, что скорость вращения ротора двигателя напрямую зависит от напряжения, приложенного к обмоткам двигателя.

Коллекторный двигатель

Коллекторные двигатели широко используются не только в электроинструментах (дрели, шуруповерты, шлифовальные машины и т.д.), мелкой бытовой технике (миксеры, блендеры, соковыжималки и т.д.), но и в стиральных машинах в качестве двигателя привода барабана. Коллекторные двигатели установлены в большинстве (около 85%) всех бытовых стиральных машин. Эти двигатели используются во многих стиральных машинах с середины 1990-х годов и со временем полностью заменили однофазные асинхронные двигатели с конденсатором.

Коллекторные двигатели компактнее, мощнее и проще в эксплуатации. Этим объясняется их широкое распространение. Коллекторные двигатели производства INDESCO, WELLING, C.E.S.E.T., SELNI, SOLE, FHP и ACC используются в стиральных машинах. Они немного отличаются по внешнему виду, могут иметь разную мощность и тип крепления, но принцип работы абсолютно одинаков.

2 Конструкция коллекторного двигателя для стиральных машин

1. статор
2. роторный коллектор
Кисть (всегда используются две кисти,
Второй не виден на фотографии) 4.
Ротор магнитного тахогенератора 5.
Катушка тахогенератора (обмотка) 6.
6. крышка крепления тахогенератора
7. клеммная колодка двигателя
8. шкив
Алюминиевый корпус

Рис.2 Конструкция коллекторного двигателя стиральной машины

Двигатель коммутатора – это однофазный двигатель с последовательными обмотками возбуждения, предназначенный для работы на переменном или постоянном токе. По этой причине его также называют универсальным коллекторным двигателем.

Большинство коллекторных двигателей, используемых в стиральных машинах, имеют конструкцию и внешний вид, показанные на (рис. 2)
Этот двигатель состоит из нескольких основных частей, таких как статор (с обмоткой возбуждения), ротор, щетка (скользящий контакт, всегда используются две щетки), тахогенератор (магнитный ротор, который крепится к концу вала ротора, а катушка тахогенератора крепится с помощью колпачка или кольца). Все компоненты соединены вместе двумя алюминиевыми крышками, которые образуют корпус двигателя. На клеммной колодке находятся контакты обмотки статора, щеток и тахогенератора, необходимые для электрического подключения. На валу ротора скользит шкив, через который барабан стиральной машины приводится в движение с помощью ременной передачи.

Чтобы лучше понять принцип работы двигателя с коммутатором, давайте рассмотрим устройство каждой из его основных частей.

Ротор (якорь)

Ротор (якорь) – это вращающаяся (подвижная) часть двигателя. Стальной вал оснащен сердечником, который изготовлен из набора пластин из электротехнической стали для уменьшения вихревых токов. Такие же ветви обмотки размещаются в пазах сердечника, выводы которого крепятся к медным контактным пластинам (ребрам), образующим коллектор ротора. Коллектор ротора может иметь в среднем 36 ребер, расположенных на изоляторе и разделенных щелью.
Вал ротора оснащен запрессованными подшипниками, которые поддерживаются крышками корпуса двигателя для обеспечения плавной работы. Вал ротора также имеет шкив с канавками для зубчатого ремня и резьбовое отверстие на противоположной стороне вала, в которое может быть установлен магнитный ротор.

4 Статор

статор – это неподвижная часть двигателя. Для уменьшения вихревых токов сердечник статора выполнен из стопки пластин из электротехнической стали, образующих каркас, на котором последовательно расположены две равные секции обмотки. Статор почти всегда имеет только два вывода обеих секций обмотки. Однако в некоторых двигателях так называемые секционирование обмотки статора и, кроме того, между секциями имеется третья точка соединения. Обычно это происходит потому, что когда двигатель работает в режиме постоянного тока, индуктивное сопротивление обмотки имеет меньшее постоянное сопротивление и ток обмотки выше, поэтому включаются обе секции обмотки, в то время как в режиме переменного тока включается только одна секция, поскольку индуктивное сопротивление обмотки имеет большее постоянное сопротивление и ток обмотки ниже. Тот же принцип используется в универсальных коллекторных двигателях для стиральных машин, за исключением того, что для увеличения скорости вращения ротора двигателя требуется секция обмотки статора. При достижении определенной скорости вращения ротора цепь двигателя переключается таким образом, что включается одна секция обмотки статора. В результате индуктивное сопротивление снижается, и двигатель достигает еще более высокой скорости. Это необходимо на этапе отжима (центрифугирования) в стиральной машине. Центральный вывод секции обмотки статора используется не во всех коллекторных двигателях.
Для защиты двигателя от перегрева и перегрузки по току последовательно с обмоткой статора должны быть подключены следующие устройства тепловая защита с самосбрасывающимися биметаллическими контактами последовательно с обмоткой статора (не показаны). Иногда контакты тепловой защиты устанавливаются на клеммной колодке двигателя.

5. щетка

Кисть – скользящий контакт, обеспечивающий электрическое соединение между цепью ротора и цепью статора. Щетка крепится к корпусу двигателя и под определенным углом к ребрам коллектора. Всегда используйте как минимум одну пару щеток, которые образуют так называемый “щеточный коллекторный узел”. Всегда используется щеточный коллекторный узел.
Рабочая часть щетки представляет собой графитовую полосу с низким удельным сопротивлением и низким коэффициентом трения. Графитовая щеточная пластина имеет гибкий медный или стальной стержень с припаянным зажимом. Для прижатия планки к коллектору используется пружина. Вся конструкция заключена в изолятор и прикреплена к корпусу двигателя. Щетки изнашиваются за счет трения о коллектор и поэтому считаются расходными материалами.

6. тахогенератор

Тахогенератор (от греч. Тахогенератор – это измерительный генератор постоянного или переменного тока, предназначенный для преобразования мгновенной частоты (угловой скорости) вращения вала в пропорциональный электрический сигнал. Тахогенератор предназначен для управления скоростью вращения ротора коллекторного двигателя. Ротор тахогенератора соединен непосредственно с ротором двигателя, и во время его вращения в обмотке катушки тахогенератора индуцируется пропорциональная электродвижущая сила (ЭДС) в соответствии с законом взаимной индукции. Напряжение переменного тока считывается с клемм катушки и обрабатывается электронной схемой, которая в конечном итоге устанавливает и контролирует необходимую постоянную скорость вращения ротора двигателя.
Тахогенераторы, используемые в однофазных и трехфазных асинхронных двигателях для стиральных машин, имеют одинаковый принцип действия и конструкцию.

В некоторых моделях стиральных машин Bosch и Siemens вместо тахогенератора в двигателях с коммутатором используется тахогенератор. датчик Холла. Это очень компактное и недорогое полупроводниковое устройство, которое устанавливается на неподвижной части двигателя и взаимодействует с магнитным полем кругового магнита, установленного на валу ротора непосредственно рядом с коллектором. Датчик Холла имеет три выхода, сигналы с которых также считываются и обрабатываются электронной схемой (в этой статье мы не будем подробно анализировать работу датчика Холла).

7 Схема подключения коллекторного двигателя

Как и в любом электродвигателе, принцип работы коллекторного двигателя основан на взаимодействии магнитных полей статора и ротора, через которые протекает электрический ток. Коллекторный двигатель стиральной машины имеет последовательное соединение обмоток. В этом можно легко убедиться, изучив подробную схему. (Рис.7).

Коллекторные двигатели стиральных машин могут иметь от 6 до 10 контактов на клеммной колодке. На рисунке показаны все максимальные 10 контактов и различные возможные соединения компонентов двигателя.

Зная устройство, принцип работы и стандартную схему подключения коллекторного двигателя, можно легко запустить любой двигатель непосредственно от сети без использования электронной системы управления, и для этого не нужно запоминать особенности расположения выводов обмотки на клеммной колодке каждой марки двигателя. Для этого достаточно определить клеммы статора и щеточной обмотки и соединить их, как показано на схеме ниже.

Порядок расположения клемм на клеммной колодке коллектора двигателя стиральной машины произвольный.

На схеме оранжевые стрелки указывают направление тока, протекающего через провода и обмотки двигателя. От фазы (L) ток проходит через одну из щеток к коллектору, через обмотки роторной обмотки и выходит через другую щетку и через перемычку, ток последовательно проходит через обмотки обеих секций статора, пока не достигнет нейтральной точки (N).

Двигатели этого типа, независимо от полярности приложенного напряжения, вращаются в одном направлении, поскольку при последовательном соединении обмоток статора и ротора полюса магнитных полей меняются одновременно, и результирующий крутящий момент остается в одном направлении.

Чтобы заставить двигатель начать вращаться в другом направлении, просто измените порядок расположения обмоток.
Пунктирными линиями обозначены компоненты и выходы, которые используются не во всех двигателях. Например, датчик Холла, выходы тепловой защиты и выход половины обмотки статора. При непосредственном запуске коллекторного двигателя подключаются только обмотки статора и ротора (через щетки).

Внимание! Схема, показанная для прямого подключения двигателя к коллектору, не имеет защиты от короткого замыкания или ограничителей тока. При таком подключении от бытовой сети двигатель развивает полную мощность, поэтому его не следует подключать напрямую на длительное время.

8 Управление коллекторным двигателем в стиральной машине

Двигатель с коммутатором в стиральной машине управляется электроникой, а регулирующий напряжение элемент является симистор (рис. 8)который подает на двигатель напряжение, необходимое для его работы. Симистор можно представить в виде быстродействующего переключателя (ключа), электроды которого питают электроды A1 и А2и на контроле ворота G Управляющие импульсы подаются для открытия ворот в нужный момент. В электрической схеме симистор подключен последовательно с коллекторным двигателем.

Принцип работы электронных схем, использующих симистор, основан на биполярном фазовом управлении. На диаграмме (рис. 9) показывает, как изменяется напряжение на двигателе в зависимости от импульсов от микроконтроллера, подаваемых на управляющий электрод симистора.
Таким образом, мы видим, что скорость вращения ротора двигателя напрямую зависит от напряжения, приложенного к обмоткам двигателя.

Ниже приведены фрагменты условной схемы подключения коллекторного двигателя с тахогенератором к электронной системе блок управления (EC).
Общий принцип работы блока управления коллекторным двигателем заключается в следующем. Управляющий сигнал от электронной схемы подается на затвор из симистор (TY)и в обмотках двигателя начинает протекать ток, который вызывает вращение ротор (M) двигатель. В то же время, тахогенератор (P) передает мгновенное значение скорости вращения ротора в пропорциональный электрический сигнал. Сигналы тахогенератора обеспечивают обратную связь с управляющими импульсными сигналами, подаваемыми на затвор симистора. Это обеспечивает вращение ротора двигателя при каждом состоянии загрузки, благодаря чему барабан в стиральных машинах вращается равномерно. Для осуществления реверсивного вращения двигателя используются специальные реле Реле R1 и R2 которые коммутируют обмотки двигателя.

Изменение направления вращения двигателя

Т-тахогенератор
М-ротор (коллекторно-щеточный узел)
S-stator
P-тепловая защита
TY-симистор
R1 и R2– переключающие реле

В некоторых стиральных машинах коллекторный двигатель работает на постоянном токе. Для этого в цепи управления после симистора устанавливается выпрямитель переменного тока, построенный на диодах (“диодный мост”). Работа коллекторного двигателя на постоянном токе повышает его КПД и максимальный крутящий момент.

9 Преимущества и недостатки универсальных коллекторных двигателей

Преимуществами универсальных коллекторных двигателей являются их малые габариты, высокий пусковой момент, высокая скорость вращения и отсутствие зависимости от частоты сети, возможность бесступенчатого регулирования скорости (момента) в очень широком диапазоне, от нуля до номинального значения путем изменения напряжения питания, возможность использования работы как с постоянным, так и с переменным током.
Недостатки – наличие стыка коллектор-щетки и, следовательно: относительно низкая надежность (срок службы), искрение между щетками и коллектором из-за коммутации, высокий уровень шума, большое количество деталей коллектора.

10 Неисправности коллекторного двигателя

Наиболее уязвимой частью двигателя является узел коллектор-щетка. Даже при эффективном двигателе между щетками и коллектором возникает электрическая дуга, которая довольно сильно нагревает ламели. Если щетки изношены до предела и если они не прижаты плотно к коллектору, искрение иногда достигает кульминации в виде дуги. Если лопасти коллектора перегреваются и иногда отслаиваются от изолятора, создавая неровную поверхность, двигатель может продолжать плохо искрить даже после замены изношенных щеток, двигатель перестанет работать и в конечном итоге выйдет из строя.

Иногда может произойти короткое замыкание обмотки ротора или обмотки статора (гораздо реже), что также может вызвать дугу на щеточном коллекторе (из-за перегрузки по току) или ослабить магнитное поле двигателя, так что ротор двигателя не развивает полный крутящий момент.
Как мы уже говорили, щетки в щеточных коллекторных двигателях со временем изнашиваются, поскольку трутся о коллектор. Поэтому большинство ремонтов двигателя сводится к замене щеток.

Следует отметить, что надежность двигателя с коммутатором в значительной степени зависит от качества и компетентности производителя в отношении процесса изготовления и сборки.

Прохождение электрического тока через обмотки создает магнитное поле. Обмотка якоря имеет магнитное поле противоположной полярности по отношению к обмотке статора. Эти магнитные поля разной полярности заставляют якорь двигателя вращаться.

Конструкция коллекторного двигателя

Чтобы понять принцип работы коллекторного двигателя, необходимо знать его конструкцию. Независимо от типа системы привода используются следующие основные компоненты:

  • Якорь. Он состоит из металлического вала, на котором закреплены обмотки. Вал установлен на подшипниках скольжения или роликовых подшипниках в корпусе двигателя. Якорь – это подвижная часть двигателя, передающая крутящий момент на необходимые устройства;
  • Коммутатор (коллектор). Необходим для определения положения якоря. Находится на роторе. В виде трапециевидных медных контактов;

Конструкция двигателя с коммутатором

  • Кисти. Изготовлен из графита. Щетки используются для подачи напряжения на обмотку ротора;
  • Держатели щеток. Держатели щеток изготавливаются из металла или пластика. Щеткодержатели установлены на корпусе двигателя с непроводящими уплотнениями. Это предотвращает передачу напряжения на корпус двигателя;

ВАЖНО: Щетки или щеткодержатели оснащены пружинами. Они необходимы для удержания щетки на коллекторе во время работы генераторной установки.

  • Подшипники. В небольших двигателях используются пластиковые или металлические втулки. Двигатель оснащен двумя подшипниками. Они необходимы для нормального вращения вала якоря;
  • Сердечник статора. Сердечник статора состоит из большого количества металлических пластин;
  • Обмотки. Требуется для создания магнитного поля.

Катушки медного обмоточного провода помещаются в пазы магнитопровода. Выводы обмоток подаются на коллекторный блок, где происходит их коммутация.

Принцип работы

Ознакомившись с устройством ротора, мы можем теперь обсудить, как работает коллекторный двигатель. В принципе, принцип работы не отличается от принципа работы других двигателей – ротор начинает вращаться в магнитном поле под воздействием индукционных токов. Но как и почему индуцируются эти токи? Чтобы понять это, мы должны вспомнить, как электродвижущая сила создается в постоянном магнитном поле. Если внести прямоугольную рамку в поле постоянного магнита, она начнет вращаться под действием индуктированного в ней тока. Направление вращения определяется по принципу бура. В отношении поля постоянного тока говорится, что если поместить правую руку в поле так, чтобы магнитные линии вошли в ладонь, то вытянутые пальцы укажут направление движения.

Иллюстрация, объясняющая принцип работы коллекторного двигателя постоянного тока

Иллюстрация, объясняющая принцип работы коллекторного двигателя постоянного тока

Если мы посмотрим на структуру ротора, то увидим, что каждая обмотка представляет собой такой каркас. Только состоит он не из одного провода, а из нескольких, но сути это не меняет. В случае с коллектором в какой-то момент обмотка подключается к источнику питания, по ней течет ток, и вокруг проводника создается магнитное поле. Это взаимодействует с полем статора. В зависимости от типа, в обмотках также протекают либо постоянные магниты, либо постоянный ток, создающий собственное магнитное поле на полюсах. Поля ротора и статора сконструированы таким образом, что при взаимодействии они “толкают” ротор в нужном направлении. Далее работа коллекторного двигателя постоянного тока будет описана кратко и без особых подробностей.

Обмотки на роторе соединены с пластинами коллектора. Когда щетки входят в контакт с пластинами, они образуют замкнутую коллекторную цепь, в которой течет ток.

Обмотки на роторе соединены с пластинами коллектора. Когда щетки соприкасаются с пластинами, образуется замкнутая цепь, по которой течет ток.

Если подумать об этом немного более тщательно, то можно понять, почему коллекторный двигатель способствует плавному регулированию скорости. Чем выше напряжение, приложенное к обмоткам ротора, тем сильнее поле, создаваемое статором, тем сильнее взаимодействие между ними и тем быстрее вращается ротор, поскольку он толкается с большей силой. Если напряжение уменьшается, взаимодействие становится меньше, а значит, уменьшается и скорость. Поэтому вам нужно только отрегулировать напряжение, и это можно сделать даже с помощью простого потенциометра (переменного сопротивления).

Конструктивное отличие от универсального устройства заключается в использовании магнитов вместо катушек возбуждения. Это устройство более популярно и распространено, чем другие типы распределительных систем. Положительным аспектом является стоимость и простота строительства. Кроме того, прибор прост в эксплуатации. Препятствием являются используемые магниты, которые напрямую связаны с мощностными характеристиками устройства. На установку воздействует поле, создаваемое магнитами.

Принцип работы коллекторного двигателя

Чтобы понять принцип работы коллекторного двигателя, необходимо вспомнить об электромагнитной индукции. Поместим проводник с циркулирующим в нем током между магнитами, северным и южным полюсами на оси вращения. Проводник вращается в соответствии с направлением тока, таков принцип работы коллекторного двигателя. Энергия проходит через щетки к концу проводника. Половина оборота – и ток переключается, способствуя непрерывному вращению в заданном направлении. Коллекторный двигатель оснащен несколькими проводниками, так что коллекторная цепь, разделена на контакты.

Из статора ток поступает в обмотку ротора через последовательное соединение, щетки и коллектор. Коллекторные двигатели используются в изделиях, где важна скорость. Эти двигатели не тяжелые и имеют относительно небольшие габаритные размеры.

Принцип работы коллекторного двигателя.

Принцип работы коллекторной цепи

Важно! Коллекторный двигатель, способен работать в обратном направлении, преобразуя механическую энергию в электрическую. В этом случае роль станции выполняет генератор.

Такое определение дают учебники и энциклопедии:

Конструкция щеточного аппарата

Щеточный аппарат, состоящий из щеток, щеткодержателей, щеточных пальцев, щеточной траверсы и направляющих токоприемника, используется для отвода тока от вращающегося коллектора и его питания.

Одна из типичных конструкций щеткодержателей показана на рисунке 5. Щеткодержатели крепятся к пальцам щетки. На каждом щеточном пальце имеется несколько или целый ряд щеткодержателей, которые работают параллельно. Щеточные пальцы крепятся к щеточной траверсе, обычно в количестве, соответствующем числу основных стоек (Фото 7).

Рисунок 6: Щеткодержатель со щеткой 1 – хомут щеткодержателя 2 – щетка; 3 – прижимная пружина 4 – кабель питания; 5 – прижимные шайбыРисунок 7 – Щеточные пальцы, прикрепленные к поперечине 1 – палец; 2 – поперечина; 3 – изоляция; 4 – шина

и электрически изолирован от него. Траверса крепится к неподвижной части станка: в станках малой и средней мощности – к втулке подшипникового щита, а в крупных станках – к раме. Обычно можно повернуть траверсу, чтобы привести щетки в правильное положение. Полярности щеточных пальцев чередуются, и все пальцы с одинаковой полярностью соединены между собой шинами. Шины соединяются с выходными клеммами или другими обмотками машины с помощью ответвлений.

Коллектор и щеточный узел – очень важные детали машины, от конструкции и исполнения которых во многом зависит бесперебойная работа машины и надежность электрического контакта между коллектором и щетками.

Читайте далее:
Сохранить статью?