Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Коллекторный двигатель переменного тока: схема подключения

Коллекторные двигатели переменного тока достаточно широко применяются как силовые агрегаты бытовой техники, ручного электроинструмента, электрооборудования автомобилей, систем автоматики. Схема подключения двигателя, а также его устройство напоминают схему и устройство электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.

Область применения таких моторов обусловлена их компактностью, малым весом, легкостью управления, сравнительно невысокой стоимостью. Наиболее востребованы в этом производственном сегменте электродвигатели малой мощности с высокой частотой вращения.

Особенности конструкции и принцип действия

По сути, коллекторный двигатель представляет собой достаточно специфичное устройство, обладающее всеми достоинствами машины постоянного тока и, в силу этого, обладающее схожими характеристиками. Отличие этих двигателей состоит в том, что корпус статора мотора переменного тока для снижения потерь на вихревые токи выполняется из отдельных листов электротехнической стали.

Обмотки возбуждения машины подключаются последовательно для оптимизации работы в бытовой сети 220в.

Могут быть как одно-, так и трехфазными, благодаря способности работать от постоянного и переменного тока называются ещё универсальными. Кроме статора и ротора конструкция включает щеточно-коллекторный механизм и тахогенератор. Вращение ротора в коллекторном электродвигателе возникает в результате взаимодействия тока якоря и магнитного потока обмотки возбуждения. Через щетки ток подается на коллектор, собранный из пластин трапецеидального сечения и является одним из узлов ротора, последовательно соединенного с обмотками статора.

В целом принцип работы коллекторного мотора можно наглядно продемонстрировать с помощью известного со школы опыта с вращением рамки, помещенной между полюсами магнитного поля. Если через рамку протекает ток, она начинает вращаться под действием динамических сил. Направление движения рамки не меняется при изменении направления движения тока в ней.

Последовательное подсоединение обмоток возбуждения дает большой максимальный момент, но появляются большие обороты холостого хода, способные привести к преждевременному выходу механизма из строя.

Упрощенная схема подключения

Типовая схема подключения может предусматривать до десяти выведенных контактов на контактной планке. Ток от фазы L протекает до одной из щеток, затем передается на коллектор и обмотку якоря, после чего проходит вторую щетку и перемычку на обмотки статора и выходит на нейтраль N. Такой способ подключения не предусматривает реверс двигателя вследствие того, что последовательное подсоединение обмоток ведет к одновременной замене полюсов магнитных полей и в результате момент всегда имеет одно направление.

Направление вращения в этом случае можно изменить, только поменяв местами выхода обмоток на контактной планке. Включение двигателя «напрямую» выполняется только с подсоединенными выводами статора и ротора (через щеточно-коллекторный механизм). Вывод половины обмотки используется для включения второй скорости. Следует помнить, что при таком подключении мотор работает на полную мощность с момента включения, поэтому эксплуатировать его можно не более 15 секунд.

Управление работой двигателя

На практике используются двигатели с различными способами регулирования работы. Управление коллекторным мотором может осуществляться с помощью электронной схемы, в которой роль регулирующего элемента выполняет симистор, «пропускающий» заданное напряжение на мотор. Симистор работает, как быстросрабатывающий ключ, на затвор которого приходят управляющие импульсы и открывают его в заданный момент.

В схемах с использованием симистора реализован принцип действия, основанный на двухполупериодном фазовом регулировании, при котором величина подаваемого на мотор напряжения привязана к импульсам, поступающим на управляющий электрод. Частота вращения якоря при этом прямо пропорциональна приложенному к обмоткам напряжению. Принцип работы схемы управления коллекторным двигателем упрощенно описывается следующими пунктами:

  • электронная схема подает сигнал на затвор симистора,
  • затвор открывается, по обмоткам статора течет ток, придавая вращение якорю М двигателя,
  • тахогенератор преобразует в электрические сигналы мгновенные величины частоты вращения, в результате формируется обратная связь с импульсами управления,
  • в результате ротор вращается равномерно при любых нагрузках,
  • реверс электродвигателя осуществляется с помощью реле R1 и R

Помимо симисторной существует фазоимпульсная тиристорная схема управления.

Преимущества и недостатки

К неоспоримым достоинствам таких машин следует отнести:

  • компактные габариты,
  • увеличенный пусковой момент, «универсальность» работа на переменном и постоянном напряжении,
  • быстрота и независимость от частоты сети,
  • мягкая регулировка оборотов в большом диапазоне с помощью варьирования напряжения питания.

Недостатком этих двигателей принято считать использование щеточно-коллекторного перехода, который обуславливает:

  • снижение долговечности механизма,
  • искрение между и коллектором и щетками,
  • повышенный уровень шумов,
  • большое количество элементов коллектора.

Типичные неисправности

Наибольшего внимания к себе требует щеточно-коллекторный механизм, в котором наблюдается искрение даже при работе нового двигателя. Сработанные щетки следует заменить для предотвращения более серьезных неисправностей: перегрева ламелей коллектора, их деформации и отслаивания. Кроме того, может произойти межвитковое замыкание обмоток якоря или статора, в результате которого происходит значительное падение магнитного поля или сильное искрение коллекторно-щеточного перехода.

Избежать преждевременного выхода из строя универсального коллекторного двигателя может грамотная эксплуатация устройства и профессионализм изготовителя в процессе сборки изделия.

Универсальный двигатель

Дмитрий Левкин

Универсальный двигатель - вращающийся электродвигатель, который может работать при питании от сети как постоянного, так и однофазного переменного тока [1].

Конструкция универсального коллекторного электродвигателя не имеет принципиальных отличий от конструкции коллекторного электродвигателя постоянного тока с обмотками возбуждения, за исключением того, что вся магнитная система (и статор, и ротор) выполняется шихтованной и обмотка возбуждения делается секционированной. Шихтованная конструкция и статора, и ротора обусловлена тем, что при работе на переменном токе их пронизывают переменные магнитные потоки, вызывая значительные магнитные потери.

Универсальный двигатель

Секционирование обмотки возбуждения вызвано необходимостью изменения числа витков обмотки возбуждения с целью сближения рабочих характеристик при работе электродвигателя от сетей постоянного и переменного тока [2].

Схема универсального коллекторного двигателя

Универсальный коллекторный электродвигатель может быть выполнен как с последовательным, так и с параллельным и независимым возбуждением.

В настоящее время универсальные коллекторные электродвигатели выполняют только с последовательным возбуждением.

Возможность работы универсального двигателя от сети переменного тока объясняется тем, что при изменении полярности подводимого напряжения изменяются направления токов в обмотке якоря и в обмотке возбуждения. При этом изменение полярности полюсов статора практически совпадает с изменением направления тока в обмотке якоря. В итоге направление электромагнитного вращающего момента не изменяется:

,

  • где M - электромагнитный момент, Н∙м,
  • – постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами двигателя,
  • – ток в обмотке якоря, А,
  • Ф - основной магнитный поток, Вб.

В качестве универсального используют двигатель последовательного возбуждения, у которого ток якоря является и током возбуждения, что обеспечивает почти одновременное изменение направления тока в обмотке якоря I

а и магнитного потока возбуждения Ф при переходе от положительного полупериода переменного напряжения сети к отрицательному.

Если двигатель подключить к сети синусоидального переменного тока, то ток якоря Ia и магнитный поток Ф будут изменяться по синусоидальному закону:

,

  • где i - ток, А,
  • – амплитуда тока, А,
  • – частота, рад/c.

,

  • где – наибольшее значение магнитного потока, Вб,
  • – угол сдвига фаз между током возбуждения и магнитным потоком, обусловленный магнитными потерями в двигателе, рад.

Отсюда получим формулу электромагнитного момента коллекторного двигателя последовательного возбуждения, включенного в сеть синусоидального переменного тока, Нм:

.

После преобразования:

.

Первая часть выражения представляет собой постоянную составляющую электромагнитного момента M

пост, а вторая часть — переменную составляющую этого момента Мпер, изменяющуюся во времени с частотой, равной удвоенной частоте напряжения питания.

Таким образом, результирующий электромагнитный момент при работе двигателя от сети переменного тока пульсирует. Пульсации электромагнитного момента практически не нарушают работу двигателя. Объясняется это тем, что при значительной частоте пульсаций электромагнитного момента () и большом моменте инерции якоря вращение последнего оказывается равномерным.

Коэффициент полезного действия универсального двигателя при его работе от сети переменного тока более низкий, чем при его работе от сети постоянного тока. Другой недостаток универсального двигателя — тяжелые условия коммутации, вызывающие интенсивное искрение на коллекторе при включении двигателя в сеть переменного тока. Этот недостаток объясняется наличием трансформаторной связи между обмотками возбуждения и якоря, что ведет к наведению в коммутируемых секциях трансформаторной ЭДС, ухудшающей процесс коммутации в двигателе.

Наличие щеточно-коллекторного узла является причиной ряда недостатков универсальных коллекторных двигателей, особенно при их работе на переменном токе (искрение на коллекторе, радиопомехи, повышенный шум, невысокая надежность). Однако эти двигатели по сравнению с асинхронными и синхронными при частоте питающего напряжения f = 50 Гц позволяют получать частоту вращения до 10 000 об/мин и более (наибольшая синхронная частота вращения при f = 50 Гц равна 3000 об/мин) [3].

Благодаря тому, что универсальный двигатель может иметь высокую скорость вращения при работе от однофазной сети переменного тока без использования дополнительных преобразовательных устройств, он получил широкое применение в таких домашних приборах как пылесосы, блендеры, фены и др. Так же универсальный электродвигатель широко используется в таких инструментах, как дрели и шуруповерты.

Благодаря тому, что скорость вращения универсального двигателя легко регулируется изменением величины питающего напряжения ранее он широко использовался в стиральных машинах. Сейчас благодаря развитию преобразовательной техники более широкое использование получают бесщеточные электродвигатели (СДПМ, АДКР) скорость вращения которых регулируется изменением частоты напряжения питания.

Смотрите также

Коллекторный двигатель: устройство, управление, регулирование

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. 

Содержание статьи

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.

Общее устройство коллекторных двигателей

Как и любой электродвигатель, коллекторный преобразует электрическую энергию в механическую. Он состоит из неподвижной части – статора и подвижной – ротора. В статоре располагаются обмотки возбуждения, ротор отвечает за передачу возникающей механической энергии. Одна из составляющих частей ротора – вал. С одной стороны, на валу размещён коллекторный узел, с помощью которого на обмотки ротора передаётся электрическая энергия.

Коллекторный двигатель: устройство

Статор состоит из корпуса, который защищает компоненты мотора от повреждений. Сверху и снизу корпуса крепятся магнитные полюса. Они необходимы для поддержания магнитного потока между статором и ротором.

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.

Достоинства и недостатки

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.

Принцип работы коллекторного двигателя

Принцип действия коллекторного электродвигателя (рис.) основан на следующем: если проводник с током — рамку прямоугольной формы, имеющую ось вращения, — поместить между полюсами постоянного магнита (или электромагнита), то эта рамка начнет вращаться. Направление вращения будет зависеть от направления тока в рамке. Ток в рамку от источника постоянного тока может подаваться через контакты-полукольца, прикрепленные к концам рамки, и через упругие скользящие контакты — щетки (рис, а). Отметим, что вращающаяся часть электродвигателя называется якорем, а неподвижная — статором.
Контакты-полукольца обеспечивают переключение тока в рамке через каждые пол-оборота, т. е. непрерывное вращение рамки в одном направлении. У реальных коллекторных двигателей таких рамок много, поэтому вся контактная окружность делится уже не на две, а на большее количество контактов.

Рис.. Коллекторный электродвигатель: а — принцип действия; б — учебный коллекторный двигатель; в — якори учебных коллекторных двигателей; г — якорь реального электродвигателя
Эти контакты образуют коллектор — отсюда и название этого электродвигателя. Контакты коллектора изготовляют из меди, а щетки — из графита. Простейший ремонт электродвигателя заключается в замене щеток, запасной комплект которых часто прилагается при продаже устройств с такими двигателями.
Коллекторные электродвигатели имеют широкое применение

Коллекторные электродвигатели. Они названы по одному из узлов ротора — коллектору (цилиндр, набранный из изолированных пластинок меди, к которому припаяны концы проводов обмотки). С коллектором соприкасаются щетки статора. Коллектор подводит ток к обмотке ротора, последовательно соединенной с обмоткой статора.

Коллекторные электродвигатели отличаются высокой скоростью вращения ротора, поэтому их используют в таких изделиях и машинах, как пылесосы, кухонные машины, и др. Они имеют малые массу и габаритные размеры. Для бытовых машин в основном применяют универсальный встраиваемый коллекторный электрический двигатель.

Коллекторные двигатели, работающие от источника переменного и постоянного тока, называют универсальными. Существуют двигатели для работы на низком напряжении от источников тока. Коллекторные двигатели развивают большие скорости вращения без нагрузки, поэтому их пуск в бытовых машинах чаще всего осуществляется под нагрузкой, для чего приводимые в движение части машины насаживают непосредственно на вал двигателя, например вентилятор у пылесоса.

В процессе эксплуатации коллекторных двигателей проявляются такие их недостатки, как повышенный уровень шума, создание помех радиоприему, искрение и выход из строя угольных щеток, сложность ухода. Такие двигатели являются менее надежными, слож­ными в производстве и дорогостоящими. Однако они имеют и ряд существенных преимуществ перед асинхронными, благодаря которым и используются в бытовых машинах. Это хорошие пусковые данные, возможность получения больших скоростей вращения (до 25000 об/мин) и плавной регулировки скорости в широких пределах, универсальность.

Эффективность работы двигателя в бытовых приборах зависит от соблюдения требований к режиму работы изделия, который обязательно указывается в эксплуатационном документе. Особенно важно соблюдение этих требований для изделий и машин с кратковременным и повторно-кратковременным режимами работу (фены, миксеры и др.), чтобы исключить перегрев двигателя и выход его из строя.

По способу охлаждения двигатели подразделяются на двигатели с естественным и искусственным охлаждением. Кроме того, необходимо вентилирующее приспособление, особенно независимое, которое следует поддерживать в рабочем состоянии.

Подключение коллекторного двигателя переменного тока

 Уважаемые посетители!!!

Мы вновь возвращаемся в мир занимательного —  как электротехника, так как считаю, что эти знания нам просто всем необходимы в нашей повседневной жизни.  

Подключение однофазного коллекторного двигателя — переменного тока

В этой теме необходимо понять, — как именно подключается однофазный коллекторный двигатель переменного тока, допустим, после его ремонта.   Электрическая схема рис.1  дает нам представление о характере электрических соединений, то-есть, здесь мы можем заметить, что две обмотки статора электродвигателя в электрической цепи состоят в последовательном соединении, а две обмотки ротора электродвигателя относительно внешнего источника напряжения — соединены параллельно и электрическая цепь для данного примера замыкается на обмотках ротора электродвигателя. 

рис.1

Кто разбирал из нас бытовые  потребители электроэнергии как:

  • пылесос;

  • электродрель

и далее, со мной согласятся, что для  электрической схемы \рис.1\ недостает еще одного элемента — конденсатора.   Следовательно, к данному названию типа двигателя можно еще добавить такое название как конденсаторный электродвигатель.   Если следовать логическому мышлению, то конденсатор в схеме электродвигателя в обязательном порядке соединяется с пусковой обмоткой статора, который служит для первоначального сдвига ротора.    Соответственно мы пришли к выводу, что конденсатор  непосредственно должен состоять в последовательном соединении с пусковой обмоткой.     Для примера, приведена схема однофазного двигателя с рабочей и пусковой обмотками  статора, где  сопротивление на каждой обмотке будет принимать свое значение \рис.2\.  

рис.2 

В зависимости от типов асинхронных  двигателей и их применения \рис.3\,  существуют следующие схемы подключения к однофазной сети:

рис.3

а) омический сдвиг фаз, биффилярный способ намотки пусковой обмотки;

б) емкостной сдвиг фаз с пусковым конденсатором;

в) емкостной сдвиг фаз с пусковым и рабочим конденсатором;

г) емкостной сдвиг фаз с рабочим конденсатором.

В схемах указаны следующие обозначения:

  • А — рабочая обмотка;

  • В — пусковая обмотка;

  • Ср — рабочий конденсатор;

  • Сп — пусковой конденсатор.

Перед подключением коллекторного однофазного двигателя, необходимо определить:

  • рабочую;
  • пусковую

обмотки статора.   Конденсатор,  с  его номинальными значениями по емкости и напряжению, и  соответствующими данными для определенного типа двигателя,  следует подключать к пусковой обмотке статора — последовательно.   Сопротивление обмоток статора принимает следующие средние значения:

  • рабочая обмотка 10-13 Ом;
  • пусковая обмотка 30-35 Ом;
  • общее сопротивление обмоток 40-45 Ом,

— для некоторых видов бытовой техники.   Выполняя замеры сопротивлений на выводах проводов обмоток статора   можно определить пусковую обмотку с ее средним значением.    То-есть,  сопротивление пусковой обмотки принимает среднее значение между рабочей обмоткой и общим сопротивлением двух обмоток — рабочей и пусковой.

Управление коллекторным двигателем — без реостата

Для управления коллекторным двигателем — без реостата, вполне подойдет пакетный переключатель, с помощью которого осуществляется переключение контактной группы —  в  переключателе \рис.4\. 

рис.4

В этом примере, в зависимости от переключения позиции,  будет изменяться направление вращения ротора электродвигателя, работа осуществляется с  постоянной скоростью и оборотами двигателя, изменяется только полярность обмоток статора.

 

 

переключатель кулачковый пакетный

Для управления скоростью вращения ротора электродвигателя,  можно воспользоваться симисторным регулятором скорости вращения.   Данное электроустановочное изделие как и все остальные, подбирается с учетом номинальных значений по силе тока и напряжению,  — учитывается подключаемая нагрузка \мощность потребителя электрической энергии\.

рис.5

Мощность потребителя, как наглядно видно из формулы \рис.5\,  это произведение силы тока и напряжения.   Для чего вообще необходимо проводить преварительные вычисления?   Нагрузка, как известно нам, подключается через автомат защитного отключения.   Чтобы установить и подключить автомат защитного отключения, принимается во внимание расчет по силе тока нагрузки \рис.6\.

рис.6

симисторный регулятор скорости вращения электродвигателя

В кратце, чтобы представить —  что из себя представляет симисторный регулятор,  опять-же нужно вспомнить основы электроники.    Симистор, состоящий в схеме управления, выполняет функцию регулирующего элемента — для питания электродвигателя \рис.7\.

 рис.7

На рисунке показаны выводы симистра:

При поступлении импульса на вход G — симистор открывается \рис.8\,  то-есть,  выполняет роль электронного ключа — для питания электродвигателя.

На фотоснимке показано изображение электронного модуля управления.   Электронный модуль управления встречается в стиральных машинах-автомат, работающих в заданом, автоматическом режиме.

 

электронный модуль управления стиральной машины индезит

 Подключение коллекторного двигателя — через реостат

 рис.9

В этом схематическом изображении \рис.9\ показано подключение нагрузки к выводным клеммам генератора через реостат.   Нагрузкой здесь является электрическая лампа накаливания.   Реостат в электрической схеме состоит в последовательном соединении, нагрузка \лампочка\ соединена в схеме параллельно.   Таким-же образом, вместо данной нагрузки можно подключить коллекторный двигатель, работающий от источников электрической энергии, таких как:

либо от внешнего источника энергии, то-есть, от электрической сети.   При подключении коллекторного двигателя нужно принимать во внимание электрическую схему обмоток статора, тип двигателя, как допустим для следующей схемы \рис.10\.

 рис.10

Электрическая схема представляет из себя схему универсального коллекторного двигателя, где двигатель может работать как от переменного так и от постоянного тока.

В свое время мною было изготовлено определенное количество электрических наждаков, электрические двигатели монтировались на платформу с последующим подключением, на вал ротора закреплялась насадка для установки наждачного круга, поэтому, в своей практике приходилось подключать различные типы электродвигателей.

 наждачный круг

Приведенный пример \по электрическим наждакам\, — тема довольно-таки тоже занимательная и полезная для наших бытовых нужд. 

  Остается пожелать Вам успешного проведения ремонта для различных видов  бытовой техники.

 

Универсальный коллекторный двигатель


Универсальный двигатель

Дмитрий Левкин

Конструкция универсального коллекторного электродвигателя не имеет принципиальных отличий от конструкции коллекторного электродвигателя постоянного тока с обмотками возбуждения, за исключением того, что вся магнитная система (и статор, и ротор) выполняется шихтованной и обмотка возбуждения делается секционированной. Шихтованная конструкция и статора, и ротора обусловлена тем, что при работе на переменном токе их пронизывают переменные магнитные потоки, вызывая значительные магнитные потери.

Универсальный двигатель

Секционирование обмотки возбуждения вызвано необходимостью изменения числа витков обмотки возбуждения с целью сближения рабочих характеристик при работе электродвигателя от сетей постоянного и переменного тока [2].

Схема универсального коллекторного двигателя

Универсальный коллекторный электродвигатель может быть выполнен как с последовательным, так и с параллельным и независимым возбуждением.

В настоящее время универсальные коллекторные электродвигатели выполняют только с последовательным возбуждением.

Принцип работы универсального двигателя

Возможность работы универсального двигателя от сети переменного тока объясняется тем, что при изменении полярности подводимого напряжения изменяются направления токов в обмотке якоря и в обмотке возбуждения. При этом изменение полярности полюсов статора практически совпадает с изменением направления тока в обмотке якоря. В итоге направление электромагнитного вращающего момента не изменяется:

,

  • где M - электромагнитный момент, Н∙м,
  • – постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами двигателя,
  • – ток в обмотке якоря, А,
  • Ф - основной магнитный поток, Вб.

В качестве универсального используют двигатель последовательного возбуждения, у которого ток якоря является и током возбуждения, что обеспечивает почти одновременное изменение направления тока в обмотке якоря Iа и магнитного потока возбуждения Ф при переходе от положительного полупериода переменного напряжения сети к отрицательному.

Если двигатель подключить к сети синусоидального переменного тока, то ток якоря Ia и магнитный поток Ф будут изменяться по синусоидальному закону:

,

  • где i - ток, А,
  • – амплитуда тока, А,
  • – частота, рад/c.

,

  • где – наибольшее значение магнитного потока, Вб,
  • – угол сдвига фаз между током возбуждения и магнитным потоком, обусловленный магнитными потерями в двигателе, рад.

Отсюда получим формулу электромагнитного момента коллекторного двигателя последовательного возбуждения, включенного в сеть синусоидального переменного тока, Нм:

.

После преобразования:

.

Первая часть выражения представляет собой постоянную составляющую электромагнитного момента Mпост, а вторая часть — переменную составляющую этого момента Мпер, изменяющуюся во времени с частотой, равной удвоенной частоте напряжения питания.

Таким образом, результирующий электромагнитный момент при работе двигателя от сети переменного тока пульсирует. Пульсации электромагнитного момента практически не нарушают работу двигателя. Объясняется это тем, что при значительной частоте пульсаций электромагнитного момента () и большом моменте инерции якоря вращение последнего оказывается равномерным.

Особенности универсального двигателя

Коэффициент полезного действия универсального двигателя при его работе от сети переменного тока более низкий, чем при его работе от сети постоянного тока. Другой недостаток универсального двигателя — тяжелые условия коммутации, вызывающие интенсивное искрение на коллекторе при включении двигателя в сеть переменного тока. Этот недостаток объясняется наличием трансформаторной связи между обмотками возбуждения и якоря, что ведет к наведению в коммутируемых секциях трансформаторной ЭДС, ухудшающей процесс коммутации в двигателе.

Наличие щеточно-коллекторного узла является причиной ряда недостатков универсальных коллекторных двигателей, особенно при их работе на переменном токе (искрение на коллекторе, радиопомехи, повышенный шум, невысокая надежность). Однако эти двигатели по сравнению с асинхронными и синхронными при частоте питающего напряжения f = 50 Гц позволяют получать частоту вращения до 10 000 об/мин и более (наибольшая синхронная частота вращения при f = 50 Гц равна 3000 об/мин) [3].

Области использования

Благодаря тому, что универсальный двигатель может иметь высокую скорость вращения при работе от однофазной сети переменного тока без использования дополнительных преобразовательных устройств, он получил широкое применение в таких домашних приборах как пылесосы, блендеры, фены и др. Так же универсальный электродвигатель широко используется в таких инструментах, как дрели и шуруповерты.

Благодаря тому, что скорость вращения универсального двигателя легко регулируется изменением величины питающего напряжения ранее он широко использовался в стиральных машинах. Сейчас благодаря развитию преобразовательной техники более широкое использование получают бесщеточные электродвигатели (СДПМ, АДКР) скорость вращения которых регулируется изменением частоты напряжения питания.

Смотрите также

Коллекторный двигатель: виды, принцип работы, схемы

В бытовом электрооборудовании, где используются электродвигатели, как правило, устанавливаются электромашины с механической коммутацией. Такой тип двигателей называют коллекторными (далее КД). Предлагаем рассмотреть различные виды таких устройств, их принцип действия и конструктивные особенности. Мы также расскажем о достоинствах и недостатках каждого из них, приведем примеры сферы применения.

Что такое коллекторный двигатель?

Под таким определением подразумевается электромашина, преобразовывающая электроэнергию в механическую, и наоборот. Конструкция устройства предполагает наличие хотя бы одной обмотки подсоединенной к коллектору (см. рис. 1).

Рисунок 1. Коллектор на роторе электродвигателя (отмечен красным)

В КД данный элемент конструкции используется для переключения обмоток и в качестве датчика, позволяющего определить положение якоря (ротора).

Виды КД

Классифицировать данные устройства принято по типу питания, в зависимости от этого различают две группы КД:

  1. Постоянного тока. Такие машины отличаются высоким пусковым моментом, плавным управлением частоты вращения и относительно простой конструкцией.
  2. Универсальные. Могут работать как от постоянного, так и переменного источника электроэнергии. Отличаются компактными размерами, невысокой стоимостью и простотой управления.

Первые, делятся на два подвида, в зависимости от организации индуктора он может быть на постоянных магнитах или специальных катушках возбуждения. Они служат для создания магнитного потока, необходимого для образования вращательного момента. КД, где используются катушки возбуждения, различают по типам обмоток, они могут быть:

  • независимыми;
  • параллельными;
  • последовательными;
  • смешанными.

Разобравшись с видами, рассмотрим каждый из них.

КД универсального типа

На рисунке ниже представлен внешний вид электромашины данного типа и ее основные элементы конструкции. Данное исполнение характерно практически для всех КД.

Конструкция универсального коллекторного двигателя

Обозначения:

  • А – механический коммутатор, его также называют коллектором, его функции были описаны выше.
  • В – щеткодержатели, служат для крепления щеток (как правило, из графита), через которые напряжение поступает на обмотки якоря.
  • С – Сердечник статора (набирается из пластин, материалом для которых служит электротехническая сталь).
  • D – Обмотки статора, данный узел относится к системе возбуждения (индуктору).
  • Е – Вал якоря.

У устройств данного типа, возбуждение может быть последовательным и параллельным, но поскольку последний вариант сейчас не производят, мы его не будем рассматривать. Что касается универсальных КД последовательного возбуждения, то типовая схема таких электромашин представлена ниже.

Схема универсального коллекторного двигателя

Универсальный КД может работать от переменного напряжения благодаря тому, что когда происходит смена полярности, ток в обмотках возбуждения и якоря также меняет направление. В результате этого вращательный момент не изменяет своего направления.

Особенности и область применения универсальных КД

Основные недостатки данного устройства проявляются при его подключении к источникам переменного напряжения, что отражается в следующем:

  • снижение КПД;
  • повышенное искрообразование в щеточно-коллекторном узле, и как следствие, его быстрый износ.

Ранее КД широко применялись, во многих бытовых электроприборах (инструмент, стиральные машины, пылесосы и т.д.). На текущий момент производители практически престали использовать данный тип двигателей отдав предпочтение безколлекторным электромашинам.

Теперь рассмотрим коллекторные электромашины, работающие от источников постоянного напряжения.

КД с индуктором на постоянных магнитах

Конструктивно такие электромашины отличаются от универсальных тем, что вместо катушек возбуждения используются постоянные магниты.

Конструкция коллекторного двигателя на постоянных магнитах и его схема

Этот вид КД получил наибольшее распространение по сравнению с другими электромашинами данного типа. Это объясняется невысокой стоимостью вследствие простоты конструкции, простым управлением скорости вращения (зависит от напряжения) и изменением его направления (достаточно изменить полярность). Мощность двигателя напрямую зависит от напряженности поля, создаваемого постоянными магнитами, что вносит определенные ограничения.

Основная сфера применения – маломощные приводы для различного оборудования, часто используется в детских игрушках.

КД на постоянных магнитах с игрушки времен СССР

К числу преимуществ можно отнести следующие качества:

  • высокий момент силы даже на низкой частоте оборотов;
  • динамичность управления;
  • низкая стоимость.

Основные недостатки:

  • малая мощность;
  • потеря магнитами своих свойств от перегрева или с течением времени.

Для устранения одного из основных недостатков данных устройств (старения магнитов) в системе возбуждения используются специальные обмотки, перейдем к рассмотрению таких КД.

Независимые и параллельные катушки возбуждения

Первые получили такое название вследствие того, что обмотки индуктора и якоря не подключаются друг к другу и запитываются отдельно (см. А на рис. 6).

Рисунок 6. Схемы КД с независимой (А) и параллельной (В) обмоткой возбуждения

Особенность такого подключения заключается в том, что питание U и UK должны отличаться, в противном случае н возникнет момент силы. Если невозможно организовать такие условия, то катушки якоря и индуктора подключается параллельно (см. В на рис. 6). Оба вида КД обладают одинаковыми характеристиками, мы сочли возможным объединить их в одном разделе.

Момент силы у таких электромашин высокий при низкой частоте вращения и уменьшается при ее увеличении. Характерно, что токи якоря и катушки независимы, а общий ток является суммой токов, проходящих через эти обмотки. В результат этого, при падении тока катушки возбуждения до 0, КД с большой вероятностью выйдет из строя.

Сфера применения таких устройств – силовые установки с мощностью от 3 кВт.

Положительные черты:

  • отсутствие постоянных магнитов снимает проблему их выхода из строя с течением времени;
  • высокий момент силы на низкой частоте вращения;
  • простое и динамичное управление.

Минусы:

  • стоимость выше, чем у устройств на постоянных магнитах;
  • недопустимость падения тока ниже порогового значения на катушке возбуждения, поскольку это приведет к поломке.
Последовательная катушка возбуждения

Схема такого КД представлена на рисунке ниже.

Схема КД с последовательным возбуждением

Поскольку обмотки включены последовательно, то ток в них будет равным. В результате этого, когда ток в обмотке статора становится меньше, чем номинальный (это происходит при небольшой нагрузке), уменьшается мощность магнитного потока. Соответственно, когда нагрузка увеличивается, пропорционально увеличивается мощность потока, вплоть до полного насыщения магнитной системы, после чего эта зависимость нарушается. То есть, в дальнейшем рост тока в обмотке катушки якоря не приводит к увеличению магнитного потока.

Указанная выше особенность проявляется в том, что КД данного типа непозволительно запускать при нагрузке на четверть меньше номинальной. Это может привести к тому, что ротор электромашины резко увеличит частоту вращения, то есть, двигатель пойдет «в разнос». Соответственно, такая особенность вносит ограничения на сферу применения, например, в механизмах с ременной передачей. Это связано с тем, что при ее обрыве электромашина начинает работать в холостом режиме.

Указанная особенность не распространяется на устройства, чья мощность менее 200 Вт, для них допустимы падения нагрузки вплоть до холостого режима работы.

Преимущества КД с последовательной катушкой, такие же, как у предыдущей модели, за исключением простоты и динамичности управления. Что касается минусов, то к ним следует отнести:

  • высокую стоимость в сравнении с аналогами на постоянных магнитах;
  • низкий уровень момента силы при высокой частоте оборотов;
  • поскольку обмотки статора и возбуждения подключены последовательно, возникают проблемы с управлением скоростью вращения;
  • работа без нагрузки приводит к поломке КД.
Смешанные катушки возбуждения

Как видно из схемы, представленной на рисунке ниже, индуктор на КД данного типа обладает двумя катушками, подключенных последовательно и параллельно обмотке ротора.

Схема КД со смешанными катушками возбуждения

Как правило, одна из катушек обладает большей намагничивающей силой, поэтому она считается, как основная, соответственно, вторая – дополнительная (вспомогательная). Допускается встречное и согласованное включение катушек, в зависимости от этого интенсивность магнитного потока соответствует разности или сумме магнитных сил каждой обмотки.

При встречном включении характеристики КД становятся близкими к соответствующим показателям электромашин с последовательным или параллельным возбуждением (в зависимости от того, какая из катушек является основной). То есть, такое включение актуально, если необходимо получить результат в виде неизменной частоты оборотов или их увеличению при возрастании нагрузки.

Согласованное включение приводит к тому, что характеристики КД будут соответствовать среднему значению показателями электромашин с параллельными и последовательными катушками возбуждения.

Единственный недостаток такой конструкции – самая высокая стоимость в сравнении с другими типами КД. Цена оправдывается благодаря следующими положительными качествами:

  • не устаревают магниты, за отсутствием таковых;
  • малая вероятность выхода из строя при нештатных режимах работы;
  • высокий момент силы на низкой частоте вращения;
  • простое и динамичное управление.

Коллекторный электродвигатель: достоинства, недостатки, область применения

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.

Общее устройство коллекторных двигателей

Как и любой электродвигатель, коллекторный преобразует электрическую энергию в механическую. Он состоит из неподвижной части – статора и подвижной – ротора. В статоре располагаются обмотки возбуждения, ротор отвечает за передачу возникающей механической энергии. Одна из составляющих частей ротора – вал. С одной стороны, на валу размещён коллекторный узел, с помощью которого на обмотки ротора передаётся электрическая энергия.

Коллекторный двигатель: устройство

Статор состоит из корпуса, который защищает компоненты мотора от повреждений. Сверху и снизу корпуса крепятся магнитные полюса. Они необходимы для поддержания магнитного потока между статором и ротором.

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.

Достоинства и недостатки

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.

Универсальный коллекторный двигатель - это... Что такое Универсальный коллекторный двигатель?

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

Универсальный коллекторный двигатель (УКД) — разновидность коллекторной машины постоянного тока, которая может работать и на постоянном, и на переменном токе. Получил большое распространение в ручном электроинструменте и в некоторых видах бытовой техники из-за малых размеров, малого веса, лёгкости регулирования оборотов, относительно низкой цены.

Особенности конструкции

Строго говоря, универсальный коллекторный двигатель 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.

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.

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.

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 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.

Достоинства в сравнении с коллекторным двигателем постоянного тока:

  • 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 в сравнении с коллекторным двигателем постоянного тока:

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

Достоинства в сравнении асинхронным двигателем:

  • 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 в сравнении с асинхронным двигателем:

  • Нестабильность оборотов при изменении нагрузки (где это имеет значение).
  • Наличие щёточно-коллекторного узла и в связи с этим:
    • Относительно малая надёжность (срок службы)
    • 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.

Сравнение с асинхронным двигателем

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 — «жёсткая» характеристика — двигатель поддерживает близкую к номинальной частоту вращения, резко (десятки процентов) увеличивая момент при незначительном снижении оборотов (единицы процентов). При значительном снижении оборотов (до полного торможения) момент двигателя не растёт, а даже падает, что вызывает полную остановку. Обороты холостого хода постоянны и слегка превышают номинальные.

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 без коллекторного узла

Ближайшим аналогом УКД по механической харатеристике 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.

Применение

Ручной электроинструмент:

Бытовая техника:

См. также

  • Вентильный электродвигатель
  • Электродвигатель

Ссылки

Коллекторный двигатель: Устройство, виды и принцип работы

Большое количество оборудования имеет силовые установки, работающие от электрической сети питания. Коллекторный двигатель это силовая установка, преобразующая  электрическую энергию в физическую силу. Отличие коллекторного двигателя от бесколлекторного состоит в наличии коллекторно-щеточного узла.

Виды коллекторных двигателей

В зависимости от источника тока, к которому подключается мотор, коллекторные установки делят на два вида:

  • Работающий от источника постоянного тока. Используются в автомобилях, самоходной технике, детских игрушках и т.д. Отличаются простотой конструкции. Подключаются только к источнику постоянного тока;
  • Универсальный коллекторный двигатель. Работает как от постоянного, так и от переменного тока. Применяется в бытовых электрических приборах.

СПРАВКА: Универсальный коллекторный силовой агрегат  отличается простотой конструкции и небольшими габаритно массовыми параметрами. Благодаря этому может быть использован в качестве силовой установки ручного инструмента.

В зависимости от максимальной мощности силовые установки делятся на три типа:

  1. Небольшой мощности. Используются в детских игрушках, аудио – видеотехнике и т.д. Напряжение питания таких установок составляет от 1.5 до 9 Вольт. Оси якоря устанавливаются на специализированные втулки. Они играют роль подшипников скольжения. Токопроводящие щетки выполнены в виде двух пластин;
  2. Средней мощности. Якорь устанавливается на втулках или подшипниках. Применяются на автомобильной и самоходной технике. Напряжение питания составляет от 12 до 24 вольта;
  3. Высокой мощности. Отличаются высокими показателями мощности и наличием электрических магнитов.

Устройство коллекторного двигателя

Для того чтобы понять как работает коллекторный двигатель, необходимо разобраться в его конструкции. Независимо от вида силового агрегата он состоит из следующих основных элементов:

  • Якорь. Состоит из металлического вала,  на который установлены обмотки. Вал устанавливается на подшипниках скольжения или качения в корпусе мотора. Якорь является движущейся частью мотора, которая передаёт крутящий момент к необходимому оборудованию;
  • Коммутатор (коллектор). Необходим для определения положения якоря. Располагается на роторе. Выполнен в виде медных контактов трапециевидного сечения;
Читайте также:  Двигатель Д 240: Устройство и технические характеристики

  • Щётки. Изготовлены из графита. Щетки используются для подачи напряжения к обмоткам ротора;
  • Держатели щёток. Изготавливаются из металла или пластика. Держатели щёток устанавливаются на корпус мотора при помощи не проводящих ток прокладок. Такая конструкция исключает  подачу напряжения на корпус мотора;

ВАЖНО: Щётки или держатели оснащаются пружинами. Они необходимы для прижимания щетки к коллектору во время работы силовой установки.

  • Подшипники. На небольших моторах используются пластиковые или металлические втулки. Мотор оборудован двумя подшипниками. Они необходимы для нормального вращения вала якоря;
  • Сердечник статора. Изготавливается из большого количества металлических пластин;
  • Обмотки. Необходимы для создания магнитного поля.

Принцип работы коллекторного двигателя

Коллекторный двигатель переменного тока 220 Вольт и мотор постоянного тока, преобразуют электрическую энергию в физическую силу. Создание физической силы осуществляется путём раскручивания якоря, установленного на двух подшипниках в корпусе мотора.

Ротор и статор силового агрегата имеют обмотки. Они изготовлены из провода. Во избежание замыкание витков обмотки между собой провод выполнен в изолирующей оболочке. Напряжение подается на обмотку статора при помощи провода.

Якорь коллекторного мотора подвижный. Для передачи напряжения на обмотку якоря используется коллектор.

Он выполнен в виде медных контактов. На них передаётся напряжение через графитовые щетки. Такая конструкция позволяет передавать напряжение на обмотку якоря независимо от скорости его вращения.

При прохождении электрического тока через обмотки возникает магнитное поле. Обмотка якоря имеет магнитное поле противоположной полярности полю обмотки статора. Под воздействием электромагнитных полей разной полярности якорь двигателя начинает вращаться.

ВНИМАНИЕ: Коллекторный двигатель может быть использован в качестве генератора постоянного тока.

Варианты обмоток возбуждения

Подключить коллекторный двигатель постоянного тока можно несколькими способами. Возбуждение мотора зависит от способа подключения обмоток.

  • Независимое подключение. Обмотки мотора постоянного тока подключаются отдельно. Для подключения используется два источника постоянного тока. Обмотка статора оснащается реостатом. Он необходим для установки необходимой частоты вращения ротора. Обмотка  ротора оборудуется пусковым реостатом. Он нужен для контроля над силой тока в обмотке ротора при запуске силовой установки;
  • Параллельное подключение. Питание обмоток якоря и статора осуществляется от одного и того же источника питания. Обмотки оснащены регуляторами;
  • Последовательно-соединенное. Электродвигатель такой конструкции имеет обмотку статора, последовательно подключенную с обмоткой якоря. Ротор может быть оснащен регулятором, необходимым для ограничения силы тока при запуске. Статор оснащается реостатом, регулирующим в частоту вращения вала.

ВАЖНО: Использование коллекторного мотора с последовательным подключением без нагрузки, может привести  к выходу его из строя.

  • Смешанное возбуждение. Данная конструкция использует две катушки подключенные параллельно, и последовательно одновременно.

Преимущества и недостатки коллекторного двигателя

Однофазный коллекторный двигатель переменного тока или аналогичный работающий от источника постоянного тока имеют плюсы и минусы.

Плюсы

  1. Однофазный мотор коллекторного типа ( универсальный), можно подключить к любой сети питания. Такая конструкция позволяет использовать мотор от источника питания переменного тока, без использования выпрямителей;
  2. В отличие от бесколлекторных двигателей, модели с коллекторами имеют небольшие размеры. Это позволяет использовать силовые установки  для монтажа на электрический инструмент, детские игрушки, и т.п;
  3. Небольшая сила тока при запуске. Позволяет использовать моторы от бытовой сети питания;
  4. Простота регулировки вращения вала ротора. Для управления оборотами применяется реостат. При выходе из строя регулятора, мотор останется работоспособным;

Недостатки

  1. Необходимость регулярного обслуживания. Графитовые щетки при длительной работе стираются. Необходимо вовремя менять щетки на новые. Нарушение этого правила может привести к выходу из строя коллектора;
  2. Отсутствие стабильности показателей мощности. При изменении нагрузки на якорь показатели мощности силового агрегата могут изменяться.

Возможные поломки и способы их ремонта

В результате работы коллекторного двигателя могут возникнуть неисправности. Большинство из них самостоятельно сможет устранить человек не имеющий специализированных технических знаний и оборудования. Ниже представлены наиболее часто возникающие неисправности.

Повышенный шум при работе узла. Сильный уровень шума при работе мотора может свидетельствовать о выходе из строя подшипников, на которые установлен якорь.

При выходе из строя подшипников качения необходимо заменить изношенные детали новыми.

Износ щёток. Критическая изношенность щёток сопровождается повышенным уровнем шума при работе. Несвоевременная замена может привести к поломке коллектора. При возникновении неисправности необходимо заменить графитовые щётки. При выборе щёток необходимо обратить внимание на их толщину. Новые детали не должны застревать в держателях.

Читайте также:  Двигатель 1ZZ: Характеристики двигателя

Отсутствие вращения якоря при подключении мотора к сети питания. Отсутствие вращения может возникнуть в результате обрыва цепи питания. Обрыв может произойти в результате поломки пружины прижимающей щётку к коллектору или при обрыве провода. При поломке пружины необходимо заменить ее новой деталью. При обрыве провода необходимо восстановить его целостность.

Отсутствие вращения ротора может возникнуть в результате выхода из строя предохранителя. Для восстановления работоспособности необходимо установить новый предохранитель. Перед установкой предохранителя необходимо определить причину, по которой старое устройство вышло из строя. После устранения причины можно установить предохранитель и провести испытание двигателя.

Отсутствие регулировки вращения вала якоря. После запуска агрегат работает на максимальных оборотах. Такая неисправность возникает в результате поломки реостата. Для восстановления работоспособности двигателя необходимо заменить регулятор.

Медленное вращение ротора. Снижение частоты вращения вала может возникнуть в результате низкого напряжения в сети питания. Необходимо проверить напряжение. Снижение оборотов якоря может быть спровоцировано высокой нагрузкой. Необходимо снизить нагрузку на якорь.

Из вышеперечисленного следует, что коллекторный мотор  преобразовывает электрическую энергию в физическую силу. Для передачи напряжения к обмоткам якоря используются щётки. Моторы отличаются простотой конструкции и небольшими габаритно массовыми параметрами.



Электродвигатель переменного тока — асинхронный, коллекторный, однофазный и трехфазный

Легкость преобразования напряжения переменного тока сделала его наиболее широко используемым в электроснабжении. В сфере конструирования электродвигателей открылось другое достоинство переменного тока: возможность создания вращающегося магнитного поля без дополнительных преобразований или с их минимальным количеством.

Поэтому, даже несмотря на определенные потери из-за реактивного (индуктивного) сопротивления обмоток, простота создания электродвигателей переменного тока внесла свой вклад в победу над электроснабжением постоянным током в начале XX века.

Принципиально электродвигатели переменного тока можно разделить на две группы:

Асинхронные
B них вращение ротора отличается по скорости от вращения магнитного поля, благодаря чему они могут работать на самых разных оборотах. Этот тип электродвигателей переменного тока наиболее распространен в наше время.
Синхронные
Эти двигатели имеют жесткую связь оборотов ротора и скорости вращения магнитного поля. Они сложнее в производстве и менее гибки в применении (изменение оборотов при фиксированной частоте питающей сети возможно только изменением числа полюсов статора).

Они находят применение только на высоких мощностях в несколько сотен киловатт, где их больший по сравнению с асинхронными электродвигателями КПД значительно снижает тепловые потери.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА АСИНХРОННЫЙ

Наиболее распространенный тип асинхронного двигателя – это электродвигатель с короткозамкнутым ротором типа «беличья клетка», где в наклонные пазы ротора уложен набор токопроводящих стержней, с торцов соединенных кольцами.

История этого типа электродвигателей насчитывает более сотни лет, когда было замечено, что токопроводящий предмет, помещенный в зазор сердечника электромагнита переменного тока, стремится вырваться из него за счет возникновения в нем ЭДС индукции с противонаправленным вектором.

Таким образом, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет каких-либо механических контактирующих узлов, кроме опорных подшипников ротора, что обеспечивает моторам такого типа не только низкую цену, но и высочайшую долговечность.

Благодаря этому электродвигатели такого типа стали наиболее распространенными в современной промышленности.

Однако им присущи и определенные недостатки, которые приходится учитывать при проектировании асинхронных электродвигателей подобного типа:

Высокий пусковой ток – так как в момент включения асинхронного бесколлекторного электродвигателя в сеть на реактивное сопротивление обмотки статора еще не влияет магнитное поле, создаваемое ротором, возникает сильный бросок тока, в несколько раз превосходящий номинальный ток потребления.

Эту особенность работы двигателей подобного типа необходимо закладывать во все проектируемое электроснабжение во избежание перегрузок, особенно при подключении асинхронных электродвигателей к мобильным генераторам с ограниченной мощностью.

Низкий пусковой момент – электродвигатели с короткозамкнутой обмоткой имеют ярко выраженную зависимость крутящего момента от оборотов, поэтому их включение под нагрузкой крайне нежелательно: значительно увеличиваются время выхода на номинальный режим и пусковые токи, обмотка статора перегружается.

Так, например, происходит при включении глубинных насосов – в электроцепях их питания приходится учитывать пяти-семикратный запас по току.

Невозможность непосредственного запуска в цепях однофазного тока — для того, чтобы ротор начал вращаться, необходим стартовый толчок либо введение дополнительных фазных обмоток, сдвинутых по фазе друг относительно друга.

Для запуска асинхронного электродвигателя переменного тока в однофазной сети используется либо вручную коммутируемая пусковая обмотка, отключаемая после раскрутки ротора, либо вторая обмотка, включенная через фазовращательный элемент (чаще всего – конденсатор необходимой емкости).

Особенности подключения электрических двигателей рассматриваются на этой странице.

Отсутствие возможности получения высокой частоты вращения — хотя вращение ротора и не синхронизировано с частотой вращения магнитного поля статора, но и не может его опережать, поэтому в сети 50 Гц максимальные обороты для асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором – не более 3000 об/мин.

Увеличение частоты вращения асинхронного двигателя требует применения частотного преобразователя (инвертора), что делает такую систему дороже, чем коллекторный двигатель. Кроме того, при увеличении частоты возрастают реактивные потери.

Трудность организации реверса — для этого необходима полная остановка двигателя и перекоммутация фаз, в однофазном варианте – смещение фазы в пусковой или второй фазной обмотке.

Наиболее удобно использование асинхронного электродвигателя в промышленной трехфазной сети, так как создание вращающегося магнитного поля при этом осуществляется самими фазными обмотками без дополнительных приспособлений.

Фактически цепь, состоящую из трехфазных генератора и электромотора, можно рассматривать как пример электро трансмиссии: привод генератора создает в нем вращающееся магнитное поле, преобразуемое в колебания электрического тока, в свою очередь возбуждающего вращение магнитного поля в электродвигателе.

Кроме того, именно при трехфазном питании асинхронные электродвигатели имеют наибольший КПД, так как в однофазной сети создаваемое статором магнитное поле по сути может быть разложено на два противофазных, что увеличивает бесполезные потери на перенасыщение сердечника. Поэтому мощные однофазные электродвигатели как правило выполняются по коллекторной схеме.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА КОЛЛЕКТОРНЫЙ

В электромоторах данного типа магнитное поле ротора создается фазными обмотками, подключенными к коллектору. Фактически коллекторный двигатель переменного тока отличается от двигателя постоянного тока только тем, что в его расчет заложено реактивное сопротивление обмоток.

В ряде случаев даже создаются универсальные коллекторные двигатели, где статорная обмотка имеет отвод от неполной части для включения в сеть переменного тока, а к полной длине обмотки может подключаться источник тока постоянного.

Преимущества данного типа двигателей очевидны:

Возможность работы на высоких оборотах позволяет создавать коллекторные электромоторы с частотой вращения до нескольких десятков тысяч оборотов в минуту, знакомые всем по электрическим бормашинам.

Отсутствие необходимости в дополнительных пусковых устройствах в отличие от двигателей с короткозамкнутым ротором.

Высокий пусковой момент, что ускоряет выход на рабочий режим, в том числе и под нагрузкой. Более того, крутящий момент коллекторного электродвигателя обратно пропорционален оборотам и при росте нагрузки позволяет избежать просадки частоты вращения.

Легкость управления оборотами — так как они зависят от напряжения питания, для регулировки частоты вращения в широчайших пределах достаточно иметь простейший симисторный регулятор напряжения. При отказе регулятора коллекторный двигатель может быть включен в сеть напрямую.

Меньшая инерция ротора — он может быть выполнен гораздо более компактным, чем при короткозамкнутой схеме, благодаря чему и сам коллекторный двигатель становится заметно меньше.

Также коллекторный двигатель элементарно может быть реверсирован, что особенно актуально при создании различного рода электроинструмента и ряда станков.

По этим причинам коллекторные двигатели широко распространены во всех однофазных потребителях, где необходимо гибкое регулирование оборотов:

  • в ручном электроинструменте;
  • пылесосах;
  • кухонной технике и так далее.

Однако ряд конструктивных особенностей определяет специфику эксплуатации коллекторного электродвигателя:

Коллекторные двигатели требуют регулярной замены щеток, изнашивающихся со временем. Изнашивается и сам коллектор, в то время как двигатель с короткозамкнутым ротором, как уже писалось выше, при условии нечастой замены подшипников практически вечен.

Неизбежное искрение между коллектором и щетками (причина появления всем знакомого запаха озона при работе коллекторного электродвигателя) не только дополнительно снижает ресурс, но и требует повышенных мер безопасности при работе из-за вероятности воспламенения горючих газов или пыли.

© 2012-2020 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов


асинхронные двигатели переменного тока | Как работают электродвигатели переменного тока Асинхронные электродвигатели переменного тока

| Как работают двигатели переменного тока - объясните это

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 21 апреля 2020 г.

Вы знаете, как работают электродвигатели? Ответ, наверное, да и нет! Хотя многие из нас узнали, как базовые моторные работы, из простых научных книг и веб-страниц, таких как эта, многие из двигатели, которые мы используем каждый день - от заводских машин до электропоезда - вообще-то так не работают.Какие книги рассказывают нам о простых двигателях постоянного тока (DC), которые имеют петля из проволоки, вращающаяся между полюсами постоянного магнита; в реальной жизни, в большинстве двигателей большой мощности используется переменный ток (AC) и работают совершенно по-другому: это то, что мы называем индукцией двигатели, и они очень изобретательно используют вращающееся магнитное поле. Рассмотрим подробнее!

Фотография: Обычный асинхронный двигатель переменного тока со снятыми корпусом и ротором, показывая медные обмотки катушек, составляющих статор (статическая, неподвижная часть двигателя).Эти катушки предназначены для создания вращающегося магнитного поля, которое вращает ротор (подвижную часть двигателя) в пространстве между ними. Фото Дэвида Парсонса любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL.

Как работает обычный двигатель постоянного тока?

Изображение: Электродвигатель постоянного тока основан на проволочной петле, вращающейся внутри фиксированного магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом. Коммутатор (разрезное кольцо) и щетки (угольные контакты к коммутатору) меняют направление электрического тока каждый раз, когда провод перекручивается, что позволяет ему вращаться в одном направлении.

Простые двигатели, которые вы видите в научных книгах, основаны на кусок проволоки, согнутый в прямоугольную петлю, которая подвешена между полюса магнита. (Физики назвали бы это проводник с током сидит в магнитном поле.) вы подключаете такой провод к батарее, через него течет постоянный ток (DC), создавая вокруг него временное магнитное поле. Это временное поле отталкивает исходное поле от постоянного магнита, в результате чего провод перевернуть.Обычно провод останавливался в этой точке, а затем снова переворачивался, но если мы используем оригинальное вращающееся соединение называется коммутатором, мы можем сделать обратный ток каждый раз, когда проволока переворачивается, и это означает, что проволока будет продолжать вращаться в в том же направлении до тех пор, пока течет ток. Это сущность простого электродвигателя постоянного тока, задуманного в 1820-е годы Майкла Фарадея и превратился в практическое изобретение о десять лет спустя Уильям Стерджен. (Более подробную информацию вы найдете в нашей вводной статье об электродвигателях.)

Прежде чем перейти к двигателям переменного тока, давайте быстро резюмируйте, что здесь происходит. В двигателе постоянного тока магнит (и его магнитное поле) фиксируется на месте и образует внешнюю статическую часть двигатель (статор), а катушка с проводом, несущая электрический ток формирует вращающуюся часть двигателя (ротор). Магнитное поле исходит от статора, который постоянного магнита, пока вы подаете электроэнергию на катушку, которая составляет ротор. Взаимодействие между постоянными магнитами поле статора и временное магнитное поле, создаваемое ротором, равно что заставляет мотор крутиться.

Как работает двигатель переменного тока?

В отличие от игрушек и фонариков, большинство домов, офисов, фабрики и другие здания не питаются от маленьких батареек: на них подается не постоянный ток, а переменный ток (AC), который меняет направление примерно 50 раз в секунду. (с частотой 50 Гц). Если вы хотите запустить двигатель от домашней электросети переменного тока, вместо батареи постоянного тока вам нужна другая конструкция двигателя.

В двигателе переменного тока есть кольцо электромагнитов расположены снаружи (составляя статор), которые предназначены для создания вращающегося магнитного поля.Внутри статора находится цельная металлическая ось, проволочная петля, катушка, беличья клетка из металлических стержней и межсоединений (например, вращающиеся клетки, которым иногда удается развлечь мышей), или другая свободно вращающаяся металлическая деталь, которая может проводить электричество. В отличие от двигателя постоянного тока, где вы посылаете энергию во внутренний ротор, в двигателе переменного тока вы посылаете мощность на внешние катушки, которые составляют статор. Катушки запитываются попарно, последовательно, создает магнитное поле, вращающееся вокруг двигателя.

Фото: Статор создает магнитное поле с помощью туго намотанных катушек из медной проволоки, которые известны как обмотки. Когда электродвигатель изнашивается или перегорает, можно заменить его другим электродвигателем. Иногда проще заменить обмотки двигателя новым проводом - это умелая работа, называемая перемоткой, что и происходит здесь. Фото Сета Скарлетта любезно предоставлено ВМС США.

Как это вращающееся поле заставляет двигатель двигаться? Помните, что ротор, подвешенный внутри магнитное поле, является электрическим проводником.Магнитное поле постоянно меняется (потому что оно вращается), поэтому согласно законам электромагнетизма (точнее, закону Фарадея), магнитное поле производит (или индуцирует, если использовать термин Фарадея) электрический ток внутри ротора. Если проводник представляет собой кольцо или провод, ток течет вокруг него по петле. Если проводник представляет собой просто цельный кусок металла, вместо этого вокруг него циркулируют вихревые токи. В любом случае индуцированный ток производит свое собственное магнитное поле и, согласно другому закону электромагнетизма (Закон Ленца) пытается остановить то, что вызывает это - вращающееся магнитное поле - также вращаясь.(Вы можете думать о роторе отчаянно пытается «догнать» вращающееся магнитное поле, пытаясь устранить разница в движении между ними.) Электромагнитная индукция - это ключ к тому, почему такой двигатель вращается, и поэтому он называется асинхронным.

Как работает асинхронный двигатель переменного тока?

Вот небольшая анимация, чтобы подвести итог и, надеюсь, прояснить все:

  1. Две пары катушек электромагнита, показанные здесь красным и синим цветом, поочередно запитываются источником переменного тока (не показан, но подаются к выводам справа).Две красные катушки соединены последовательно и запитаны вместе, а две синие катушки катушки подключаются таким же образом. Поскольку это переменный ток, ток в каждой катушке не включается и не выключается внезапно (как предполагает эта анимация), а плавно повышается и падает в форме синусоидальной волны: когда красные катушки наиболее активны, синие катушки полностью неактивны, и наоборот. Другими словами, их токи не совпадают (не совпадают по фазе на 90 °).
  2. Когда катушки находятся под напряжением, магнитное поле, которое они создают между ними, индуцирует электрический ток в роторе.Этот ток создает собственное магнитное поле, которое пытается противодействовать тому, что его вызвало (магнитное поле от внешних катушек). Взаимодействие между двумя полями заставляет ротор вращаться.
  3. Когда магнитное поле чередуется между красной и синей катушками, оно эффективно вращается вокруг двигателя. Вращающееся магнитное поле заставляет ротор вращаться в одном направлении и (теоретически) почти с одинаковой скоростью.

Асинхронные двигатели на практике

Что контролирует скорость двигателя переменного тока?

В синхронных двигателях переменного тока ротор вращается с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле; в асинхронном двигателе ротор всегда вращается с меньшей скоростью, чем поле, что делает его примером так называемого асинхронного двигателя переменного тока.Теоретическая скорость ротора в асинхронном двигателе зависит от частоты источника переменного тока и количества катушек, составляющих статор, и при отсутствии нагрузки на двигатель приближается к скорости вращающегося магнитного поля. На практике нагрузка на двигатель (независимо от того, что он ведет) также играет роль, замедляя ротор. Чем больше нагрузка, тем больше «пробуксовка» между скоростью вращающегося магнитного поля и реальной скоростью ротора. Чтобы контролировать скорость двигателя переменного тока (чтобы он работал быстрее или медленнее), вам необходимо увеличить или уменьшить частоту источника переменного тока, используя так называемый частотно-регулируемый привод.Поэтому, когда вы регулируете скорость чего-то вроде заводской машины, питаемой от асинхронного двигателя переменного тока, вы на самом деле управляете цепью, которая изменяет частоту тока, приводящего двигатель в движение, вверх или вниз.

Что такое «фаза» двигателя переменного тока?

Нам не обязательно приводить в движение ротор с четырьмя катушками (двумя противоположными парами), как показано здесь. Можно построить асинхронные двигатели с любым другим расположением катушек. Чем больше у вас катушек, тем плавнее будет работать мотор.Количество отдельных электрических токов, возбуждающих питание катушек независимо, вне шага, известно как фаза двигателя, поэтому конструкция, показанная выше, представляет собой двухфазный двигатель (с двумя токами, питающими четыре катушки, которые работают не в шаге в двух парах. ). В трехфазном двигателе мы могли бы иметь три катушки, расположенные вокруг статора в виде треугольника, шесть равномерно расположенных катушек (три пары) или даже 12 катушек (три набора по четыре катушки) с одной, двумя или четырьмя катушками. включается и выключается одновременно тремя отдельными противофазными токами.

Анимация: Трехфазный двигатель, питаемый тремя токами (обозначенными красным, зеленым и синие пары катушек), сдвиг по фазе на 120 °.

Преимущества и недостатки асинхронных двигателей

Преимущества

Самым большим преимуществом асинхронных двигателей переменного тока является их простота. У них есть только одна движущаяся часть, ротор, что делает их недорогими, тихими, долговечными и относительно безотказными. ОКРУГ КОЛУМБИЯ двигатели, напротив, имеют коллектор и угольные щетки, которые изнашиваются. выходят и требуют замены время от времени.Трение между щетками и Коммутатор также делает двигатели постоянного тока относительно шумными (а иногда даже довольно вонючими).

Произведение искусства: Электродвигатели чрезвычайно эффективны, обычно преобразуют около 85 процентов поступающей электроэнергии в полезную исходящую механическую работу. Тем не менее, довольно много энергии теряется в виде тепла внутри обмоток, поэтому двигатели могут сильно нагреваться. Большинство двигателей переменного тока промышленной мощности имеют встроенные системы охлаждения.Внутри корпуса находится вентилятор, прикрепленный к валу ротора (на противоположном конце оси, который приводит в движение любую машину, к которой прикреплен двигатель), показанный здесь красным. Вентилятор всасывает воздух в двигатель, обдувая его снаружи корпуса, минуя ребра вентиляции. Если вы когда-нибудь задумывались, почему электродвигатели имеют эти выступы снаружи (как вы можете видеть на верхнем фото на этой странице), причина в том, что они охлаждают двигатель.

Недостатки

Поскольку скорость асинхронного двигателя зависит от частоты переменного тока, приводящего в действие, он вращается со скоростью постоянная скорость, если вы не используете частотно-регулируемый привод; Скорость двигателей постоянного тока намного проще контролировать, просто повышая или понижая напряжение питания.Хотя асинхронные двигатели относительно просты, они могут быть довольно тяжелыми и громоздкими из-за их катушечной обмотки. В отличие от двигателей постоянного тока, они не могут работать от батарей или любого другого источника постоянного тока (например, солнечных батарей) без использования инвертора (устройства, которое преобразует постоянный ток в переменный). Это потому, что им нужно изменяющееся магнитное поле, чтобы вращать ротор.

Кто изобрел асинхронный двигатель?

Изображение: оригинальный дизайн Николы Теслы для асинхронного двигателя переменного тока. Он работает точно так же, как и на анимации выше, с двумя синими и двумя красными катушками, которые поочередно возбуждаются генератором справа.Это произведение взято из оригинального патента Tesla, депонированного в Бюро патентов и товарных знаков США, с которым вы можете ознакомиться в приведенных ниже ссылках.

Никола Тесла (1856–1943) был физиком. и плодовитый изобретатель, чей огромный вклад в науку и технику никогда не были полностью признаны. Приехав в Соединенные Штаты в возрасте 28 лет, он начал работал на известного пионера электротехники Томаса Эдисона. Но двое мужчин выпали катастрофически и вскоре стали непримиримыми соперниками.Тесла твердо верил что переменный ток (AC) намного превосходил постоянный ток (DC), в то время как Эдисон думал обратное. Со своим партнером Джорджем Westinghouse, Tesla отстаивал AC, а Эдисон был полон решимости управлять миром на DC и придумал всевозможные рекламные трюки, чтобы доказать, что кондиционер слишком опасен для широкого использования (изобретая электрический стул, чтобы доказать, что переменный ток может быть смертельным, и даже зарезал слона Топси током переменного тока, чтобы показать, насколько это было смертельно опасно и жестоко). Битва между этими двумя очень разные взгляды на электроэнергию иногда называют Войной течений.

Несмотря на лучшие (или худшие) усилия Эдисона, Tesla победила, и теперь электричество переменного тока питает большую часть мира. Во многом именно поэтому многие электродвигатели, которые приводить в действие бытовую технику в наших домах, фабриках и офисах переменного тока асинхронные двигатели, работающие от вращающихся магнитных полей, которые Никола Тесла спроектировал его в 1880-х годах (его патент, показанный здесь, был выдан в мае 1888 года). Итальянский физик по имени Галилео Феррарис независимо друг от друга высказал ту же идею примерно в то же время, но история обошлась с ним еще более жестоко, чем Тесла и его имя теперь почти забыты.

Узнать больше

На этом сайте

На других сайтах

Книги

Для читателей постарше
Для младших читателей
  • Электричество для молодых людей: забавные и простые проекты «Сделай сам» Марка де Винка. Maker Media / O'Reilly, 2017. Отличное практическое введение в электричество, включая несколько занятий, связанных с созданием электродвигателей с нуля. Возраст 9–12 лет.
  • Эксперименты с электродвигателем Эда Соби.Enslow, 2011. Это отличное общее введение в электродвигатели с большим научным и технологическим контекстом. Однако по очевидным практическим соображениям и соображениям безопасности он ориентирован только на проекты с двигателями постоянного тока и лучше всего подходит для детей в возрасте от 11 до 14 лет.
  • Сила и энергия Криса Вудфорда. Факты в файле, 2004. Одна из моих книг, рассказывающих об усилиях человека по использованию энергии с древних времен до наших дней. Возраст 10+.
  • Никола Тесла: Разработчик электроэнергии Крисом Вудфордом, в Inventors and Inventions, Volume 5.Нью-Йорк: Маршалл Кавендиш, 2008. Краткая биография Tesla, которую я написал несколько лет назад. На момент написания все это было доступно в Интернете по этой ссылке Google Книги. Возраст 9–12 лет.

Патенты

Patents предлагает более глубокие технические детали и собственные идеи изобретателя о своей работе. Вот очень небольшая подборка многих патентов США, касающихся асинхронных двигателей.

  • Патент США 381968: Электромагнитный двигатель Николы Тесла, 1 мая 1888 г.Патент на оригинальный асинхронный двигатель переменного тока.
  • Патент США 2 959 721: Многофазные асинхронные двигатели, Томас Х. Бартон и др., Lancashire Dynamo & Crypto Ltd, 8 ноября 1960 г. Асинхронный двигатель с улучшенным контролем скорости.
  • Патент США 4311932: Жидкостное охлаждение для асинхронных двигателей, Раймонд Н. Олсон, Sundstrand Corporation, 19 января 1982 г. Эффективный метод жидкостного охлаждения двигателя без чрезмерного гидравлического сопротивления вращающимся компонентам.
  • Патент США 5,751,082: Асинхронный двигатель с высоким пусковым моментом от Umesh C.Gupta, Vickers, Inc. 12 мая 1998 г. Современный двигатель с высоким начальным крутящим моментом.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2012, 2020.Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Следуйте за нами

Поделиться страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2012/2020) Асинхронные двигатели. Получено с https://www.explainthatstuff.com/induction-motors.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Подробнее на нашем сайте...

Теория двигателей переменного тока | Sciencing

Обновлено 8 декабря 2018 г.

Дж. Дайан Дотсон

Никола Тесла изобрел двигатели переменного тока, или двигатели переменного тока, в конце 19 века. Двигатели переменного тока отличаются от двигателей постоянного или постоянного тока тем, что в них используется переменный ток, который меняет направление. Двигатели переменного тока преобразуют электрическую энергию в механическую. Двигатели переменного тока по-прежнему широко используются в современной жизни, и вы можете найти их в бытовой технике и гаджетах в собственном доме.

TL; DR (Слишком долго; не читал)

Двигатели переменного тока или двигатели переменного тока были изобретены Николой Тесла в 19 веке. Теория электродвигателя переменного тока предполагает использование электромагнитов с токами для создания силы и, следовательно, движения.

Каков принцип работы двигателя?

Простейший принцип работы двигателя заключается в использовании электромагнитов с токами для создания силы для перемещения чего-либо, другими словами, для преобразования электрической энергии в механическую энергию вращения.В двигателях установлены электромагниты во вложенных кольцах с чередованием полярности магнитов с севера на юг в кольцах. Магниты ротора движутся, а магниты статора - нет. Полярность север-юг этих электромагнитов должна постоянно меняться.

Как работает двигатель переменного тока?

До изобретений Теслы двигатели постоянного тока были основным типом двигателей. Двигатель переменного тока работает, подавая переменный ток на обмотки статора, которые создают вращающееся магнитное поле.Поскольку магнитное поле вращается таким образом, двигатель переменного тока не нуждается в силе или механической помощи для приложения к ротору. Ротор будет вращаться под действием магнитного поля и создавать крутящий момент на приводном валу двигателя. Скорость вращения зависит от количества магнитных полюсов статора. Эта скорость называется синхронной скоростью. Однако асинхронные двигатели переменного тока работают с задержкой или скольжением, чтобы обеспечить прохождение тока ротора.

Различные двигатели переменного тока имеют разное количество полюсов и, следовательно, разную скорость по сравнению друг с другом.Однако скорость двигателя переменного тока не является переменной, а скорее постоянной. В этом отличие от многих двигателей постоянного тока. Двигатели переменного тока не требуют щеток (силовых контактов) или коммутаторов, которые необходимы двигателям постоянного тока.

Изобретения Теслы радикально изменили ландшафт двигателей, создав более эффективные и надежные устройства. Эти двигатели переменного тока произвели революцию в отрасли и проложили путь для использования во многих устройствах, используемых в 21 веке, таких как кофемолки, вентиляторы для душа, кондиционеры и холодильники.

Сколько типов двигателей существует?

Существует несколько типов двигателей переменного тока, работающих по одному и тому же основному принципу. Многие из этих двигателей представляют собой разновидности асинхронных двигателей переменного тока, хотя более поздние двигатели переменного тока с постоянными магнитами, или PMAC, работают немного иначе.

Наиболее распространенным двигателем переменного тока является универсальный трехфазный асинхронный двигатель. Этот многофазный двигатель работает с задержкой, а не с синхронной скоростью. Эта разница в скорости называется скольжением двигателя.Индуцированные токи, протекающие в роторе, вызывают это скольжение, что приводит к возникновению большого тока при его запуске. Из-за скольжения эти двигатели считаются асинхронными. Трехфазные асинхронные двигатели обладают высокой мощностью и эффективностью с высоким пусковым моментом. Таким двигателям часто требуется механическое пусковое усилие для приведения ротора в движение. Трехфазные асинхронные двигатели - это мощные двигатели, обычно используемые в промышленных устройствах.

Двигатели с короткозамкнутым ротором - это электродвигатели переменного тока, в которых алюминиевые или медные токопроводящие шины на роторе расположены параллельно валу.Размер и форма токопроводящих стержней влияет на крутящий момент и скорость. Название происходит от сходства устройства с клеткой.

Асинхронный двигатель с фазным ротором - это двигатель переменного тока, который состоит из ротора с обмотками, а не стержнями. Асинхронным двигателям с фазным ротором требуется высокий пусковой момент. Сопротивление вне ротора влияет на скорость крутящего момента.

Однофазный асинхронный двигатель представляет собой двигатель переменного тока, в котором пусковая обмотка добавлена ​​под прямым углом к ​​обмотке главного статора.Универсальные двигатели - это однофазные двигатели, которые могут работать как от переменного, так и от постоянного тока. Пылесос в вашем доме, вероятно, оснащен универсальным двигателем.

Конденсаторные двигатели - это двигатель переменного тока, в котором добавляется емкость для создания фазового сдвига между обмотками. Они удобны для машин, требующих высокого пускового момента, таких как компрессоры.

Конденсаторные электродвигатели представляют собой однофазные электродвигатели переменного тока, обеспечивающие баланс хорошего пускового момента и работы. В этих двигателях используются конденсаторы, подключенные к вспомогательным пусковым обмоткам.В некоторых печных вентиляторах вы найдете конденсаторные двигатели. В двигателях с конденсаторным пуском используется конденсатор с пусковой обмоткой, который может создать наибольший пусковой момент. Оба этих типа двигателей требуют двух конденсаторов в дополнение к переключателю, поэтому их части повышают стоимость таких двигателей. Если выключатель убрать, полученный двигатель с постоянным разделенным конденсатором будет работать с меньшими затратами, но также будет использовать более низкий пусковой момент. Эти типы двигателей переменного тока, хотя и являются более дорогими в эксплуатации, хорошо подходят для нужд с высоким крутящим моментом, таких как воздушные компрессоры и вакуумные насосы.

Электродвигатели с расщепленной фазой - это электродвигатели переменного тока, в которых используется пусковая обмотка малого диаметра и разное соотношение сопротивления и реактивного сопротивления. Это дает разность фаз через узкие проводники. Двигатели с разделенной фазой обеспечивают более низкий пусковой момент, чем другие конденсаторные двигатели, и высокий пусковой ток. Поэтому электродвигатели с разделенной фазой обычно используются в небольших вентиляторах, небольших шлифовальных машинах или электроинструментах. Мощность электродвигателей с расщепленной фазой может достигать 1/3 л.с.

Двигатели с расщепленными полюсами - это недорогие однофазные асинхронные двигатели переменного тока с одной обмоткой.Двигатели с экранированными полюсами используют магнитный поток между незатененными и затемненными частями затененной катушки из меди. Их лучше всего использовать в качестве небольших одноразовых двигателей, не требующих длительного времени работы или большого крутящего момента.

Синхронные двигатели названы так потому, что создаваемые ими магнитные полюса вращают ротор с синхронной скоростью. Количество пар полюсов определяет скорость синхронного двигателя. Подтипы синхронных двигателей включают трехфазные и одиночные синхронные двигатели.

Двигатели с гистерезисом представляют собой стальные цилиндры без обмоток и зубьев.Эти двигатели имеют постоянный крутящий момент и работают плавно, поэтому их часто используют в часах.

В большинстве двигателей переменного тока используются электромагниты, потому что они не ослабевают, в отличие от постоянных магнитов. Однако новые технологии сделали двигатели переменного тока с постоянными магнитами жизнеспособными и даже предпочтительными в определенных обстоятельствах. Двигатели переменного тока с постоянными магнитами или PMAC используются в приложениях, требующих точного крутящего момента и скорости. Это надежные, популярные сегодня моторы. Магниты установлены на роторе либо на его поверхности, либо в его пластинах.Магниты, используемые в PMAC, сделаны из редкоземельных элементов. Они производят больше магнитного потока, чем индукционные магниты. PMAC - это синхронные машины, которые работают с высоким КПД и работают независимо от того, является ли потребность в крутящем моменте переменной или постоянной. PMAC работают при более низких температурах, чем другие двигатели переменного тока. Это помогает снизить износ деталей двигателя. Благодаря своей высокой эффективности PMAC потребляют меньше энергии. Более высокие первоначальные затраты в конечном итоге компенсируются длительной работой этого эффективного двигателя.

Может ли любой двигатель переменного тока работать с регулируемой скоростью?

Одно из преимуществ двигателей постоянного тока заключается в том, что их скорость может изменяться. Двигатели переменного тока, однако, не склонны работать с переменной скоростью. Они работают с постоянной скоростью независимо от нагрузки. Это полезно для поддержания точной скорости. Однако для некоторых приложений требуется переменная скорость. Попытки изменить скорость двигателей переменного тока могут привести к их повреждению или перегреву. Однако есть способы обойти эти проблемы и создать двигатель переменного тока с регулируемой скоростью.Существуют механические решения для изменения скорости двигателей переменного тока. В некоторых устройствах это можно сделать с помощью шкивов, например токарного станка. Еще одно механическое решение - использовать промежуточный вал.

Многие современные машины по-прежнему работают на основе оригинальных асинхронных двигателей переменного тока Николы Теслы. Эти двигатели выдержали испытание временем благодаря своей адаптивности и долговечности. Инженеры стремятся сделать двигатели более эффективными, с меньшим износом и тепловыделением, с меньшими затратами и меньшим воздействием на окружающую среду.

Двигатели переменного тока | Однофазный | 3-фазный | Миннеаполис, Миннесота

ISC Компании и дочерняя компания Adams-ISC являются дистрибьюторами деталей механической передачи энергии, включая двигатели переменного тока. Для получения дополнительной информации о брендах, которые мы предлагаем, и / или о ценах, свяжитесь с нами по телефону 763-559-0033, по электронной почте [email protected] или заполнив нашу онлайн-форму для связи.


Переменный ток (AC) - это то, что энергетические компании передают по электрическим проводам.Переменный ток движется в обоих направлениях и используется так, чтобы трансформаторы могли повышать и понижать напряжение. Электрогенераторы производят электричество низкого напряжения, а трансформаторы используются для повышения напряжения при передаче на большие расстояния.

Электропитание в электрических розетках в домах составляет 115 В или 230 В , однофазный . Однофазный означает, что на двигатель подается только одна форма напряжения. Трехфазный , 230 В, 460 В, 575 В или выше, имеет три провода, которые подают сигналы напряжения, каждый из которых подает электричество в разное время.Трехфазный более эффективен и экономичен и предусмотрен на промышленных площадках для тяжелого оборудования с трехфазными двигателями.

Конструкция трехфазного асинхронного двигателя переменного тока

Двигатель переменного тока состоит из двух основных частей: ротора и статора. Статор является внешней оболочкой и остается неподвижным. Он имеет обмотки, которые преобразуют поступающее электричество в магнитное поле. Это заставляет ротор намагничиваться с противоположной полярностью, отталкиваться и вращаться.Статор может быть намотан двумя или более наборами обмоток, называемых полюсами. Количество полюсов определяет частоту вращения двигателя. Доступны стандартные синхронные скорости; 900, 1200, 1800 и 3600 об / мин. Асинхронный двигатель вращается немного медленнее, чем синхронный двигатель, и имеет форму двигателя с короткозамкнутым ротором. Снижение скорости называется проскальзыванием двигателя.

Ротор состоит из продольных алюминиевых или медных стержней. Электрический ток индуцируется в этих стержнях, создавая магнитное поле.Это индуцирование тока и дало имя асинхронному двигателю. Ротор асинхронного двигателя имеет две конструкции: с короткозамкнутым ротором и намотанный.

  • Ротор с короткозамкнутым ротором (наиболее распространенный) представляет собой цилиндр из стали с алюминиевыми или медными проводниками.
  • Ротор с обмоткой имеет обмотки, которые через контактные кольца соединены с внешними сопротивлениями.
Магнитные полюса

Число полюсов в двигателе всегда четное и бывает по два (север и юг). В двигателе переменного тока количество полюсов работает вместе с частотой, чтобы определить синхронную скорость.

Мотор скольжения

Разница между синхронной скоростью и фактической скоростью ротора называется скольжением. Большинство асинхронных двигателей переменного тока имеют скольжение от 3 до 5 процентов при полной нагрузке. В таблицах двигателей и в каталогах производителей указаны значения частоты вращения с учетом скольжения.

Критические уровни крутящего момента

Кривая скорость-крутящий момент (S-T) отображает четыре значения крутящего момента, которые имеют решающее значение для выбора двигателя и его применения. Заторможенный ротор - это крутящий момент, доступный при нулевой скорости для ускорения.Подтягивание - это минимум, доступный при ускорении. Пробойный момент создается двигателем непосредственно перед тем, как он перестает вращаться из-за внезапной нагрузки.

Многофазные двигатели (3-фазные)

Из-за высокой эффективности и низкой стоимости трехфазные асинхронные двигатели переменного тока являются наиболее распространенным типом двигателей, используемых в промышленности.

Типы конструкции трехфазного двигателя
Стандарты

в Северной Америке признают четыре распространенных конструкции асинхронных двигателей: конструкция A, конструкция B, конструкция C и конструкция D.Конструкции A, B и C имеют аналогичные отношения между мощностью и рамой. Двигатели конструкции D больше и дороже.

  • Двигатели конструкции A имеют более высокий ток заторможенного ротора с более высоким моментом пробоя, чем двигатели конструкции B.
  • Конструкция B - стандартный двигатель промышленного назначения. Он имеет приемлемый пусковой момент при умеренном пусковом токе. Обычно применяется к вентиляторам, нагнетателям, насосам, компрессорам и другим легким пусковым устройствам.
  • Конструкция C рассчитана на высокий пусковой момент.Обычно применяется для нагруженных конвейеров, дробилок, миксеров, мешалок, поршневых компрессоров, поршневых насосов и других нагрузок с жестким пуском.
  • Двигатели
  • Design D устанавливаются на пробивные прессы, ножницы, подъемники, насосы для нефтяных скважин и другие машины с высокими пиковыми нагрузками. У них больше всего скольжения.

Многоскоростные двигатели

Трехфазные асинхронные двигатели также доступны для работы на двух или более скоростях. Двигатели этого типа работают только на одно напряжение. Обмотки статора могут быть соединены между собой, чтобы обеспечить разное количество полюсов.

Приводы переменного тока с регулируемой скоростью

Чтобы удовлетворить потребность в регулируемой скорости, был разработан контроллер двигателя (инвертор). Управление процессом и энергосбережение являются основными причинами использования привода с регулируемой скоростью.

Преимущества управления процессом при использовании привода с регулируемой скоростью:
  • Управление ускорением, крутящим моментом и натяжением
  • Отрегулируйте скорость производства с разными рабочими скоростями для каждого процесса
  • Компенсация за изменение переменных процесса
  • Разрешает медленную работу в целях настройки
  • Разрешить точное позиционирование

Однофазные асинхронные двигатели

Однофазный двигатель работает по тому же принципу, что и многофазный двигатель, за исключением того, что эффект вращающегося магнитного поля, создаваемый статором, не существует до тех пор, пока не будет достигнута рабочая частота вращения.Поскольку пусковой крутящий момент недоступен, предусмотрен конструктивный механизм для запуска двигателя. Это различные обозначения:

Кривые крутящего момента для различных однофазных асинхронных двигателей

Затененный полюс: Имеют только одну главную обмотку и без пусковой обмотки. Эта конфигурация вызывает смещение приложенного магнитного поля по отношению к ротору, создавая постоянный крутящий момент. Применения включают вентиляторы и мелкую бытовую технику.

Расщепленная фаза (двигатель с индукционным пуском): Имеет два набора обмоток статора.«Пусковые» обмотки расположены под углом 90 градусов к «рабочим» обмоткам и смещают магнитное поле статора, создавая пусковой момент. Применения включают небольшие измельчители, маленькие вентиляторы и воздуходувки.

Capacitor-Start: Наиболее распространенный однофазный двигатель, используемый в промышленности. Это модифицированный двигатель с расщепленной фазой, в котором конденсатор включен последовательно с пусковой обмоткой для обеспечения пускового ускорения. Применение: небольшие конвейеры, большие нагнетатели, насосы и прямые приводы.

Постоянный разделенный конденсатор (PSC): Используются идентичные основная и вспомогательная обмотки с конденсатором для обеспечения пускового момента. Это самый надежный однофазный двигатель, поскольку не требуется центробежный пусковой выключатель. Применения включают вентиляторы и насосы в HVAC и холодильной промышленности.


Лучшие бренды предлагаемых нами двигателей переменного тока


Контент на этой странице был создан с использованием выдержек из Справочника по передаче электроэнергии (5 издание) , которое написано и продается Ассоциацией дистрибьюторов силовых передач (PTDA).

Закажите копию здесь

Электродвигатели - Restarters Wiki

На этой странице рассказывается об электродвигателях различных типов, о том, как их идентифицировать и понимать их общие режимы отказа, а также как их тестировать.

Сводка

Многие устройства и приборы содержат электродвигатели. Эта страница поможет вам понять, как они работают, что может пойти не так и, возможно, как их исправить.

Безопасность

Двигатели в бытовых приборах могут быть довольно мощными и вместе с соответствующими шестернями и механизмами могут вызывать травмы.Как и все электрические приборы, подключенные к сети, перед началом работы обязательно отключите их от сети. Прибор должен пройти испытание PAT как до, так и после попытки разборки или ремонта.

Типы двигателей

Существует много типов электродвигателей, но почти все они делятся на три основных типа. Все они состоят из двух основных компонентов:

  • The Rotor - бит, который вращается, и
  • Статор - бит, который не вращается.

Все они полагаются на электромагнетизм .Когда электрический ток течет через катушку с проволокой, он создает магнитное поле. Катушка обычно наматывается на железный сердечник, который затем намагничивается, что значительно увеличивает магнетизм.

Двигатели постоянного и универсального (переменного / постоянного) тока

Мотор универсальный, в разобранном виде. Универсальный двигатель с ротором и коммутатором. Универсальный двигатель, показывающий статор со щетками на дальнем конце.

Статор представляет собой постоянный магнит или электромагнит.

В простейших игрушечных двигателях ротор представляет собой другую катушку или целый ряд катушек во всех реальных двигателях, намотанных на многослойный железный сердечник.

Пара угольных щеток подает ток на ротор через коммутатор , который постоянно переключает ток в роторе на те катушки, которые находятся под прямым углом к ​​катушке статора в любой момент времени. Это создает постоянное вращающее усилие.

В электродвигателях с электронной коммутацией или бесщеточных ротор часто представляет собой постоянный магнит. Электронные схемы определяют положение ротора и постоянно переключают ток в серии катушек статора, чтобы вращать ротор.Это устраняет необходимость в электрическом подключении к ротору и повышает надежность.

Двигатели постоянного тока и универсальные двигатели работают одинаково хорошо, как динамо-машины, и генерируют напряжение, противоположное приложенному напряжению. Это известно как «обратная ЭДС (электродвижущая сила)». При небольшой нагрузке эти двигатели разгоняются до тех пор, пока не будут генерировать почти столько же напряжения, сколько приложено. Следовательно, легко изменять скорость, просто изменяя приложенное напряжение.

Коммутатор и щетки (кроме двигателей с электрической коммутацией) подвержены износу и могут образовывать искры.Поэтому такие двигатели не используются там, где требуется высочайшая надежность или существует риск возгорания или взрыва горючих газов.

Эффект динамо минимален при первом запуске двигателя и до того, как он достигнет полной скорости. Это позволяет двигателю потреблять сильный ток и генерировать очень большой пусковой момент (то есть вращающее усилие). Это особенно полезно в электромобилях и поездах, где требуется мощная сила для первоначального приведения их в движение.

Двигатель без сердечника - ротор и корпус с постоянным магнитом, видимым внутри корпуса.

В двигателе без сердечника обмотки ротора сформированы в полый цилиндр, связанный смолой - железный сердечник отсутствует. Он вращается вокруг статического постоянного магнита, расположенного внутри него. Магнитное поле проходит от одного полюса магнита через обмотки ротора, а затем возвращается через стальной корпус двигателя, снова через противоположную сторону ротора и, следовательно, обратно к другому полюсу магнита.

Двигатель без сердечника - Коммутатор и щетки.

Ток подается на ротор через щетки и коммутатор, как в любом другом двигателе постоянного тока или универсальном двигателе.Отсутствие железного сердечника повышает эффективность, снижает вес и снижает инерцию, обеспечивая очень быстрое ускорение и замедление.

Двигатели без сердечника часто используются в небольших квадрокоптерах и других игрушках, а также в медицинском оборудовании, робототехнике и везде, где требуется небольшой высокоэффективный и отзывчивый двигатель.

В большинстве ручных электроинструментов используются универсальные двигатели. Компьютерные вентиляторы, двигатели с жесткими дисками и более крупные модели квадрокоптеров и пультов дистанционного управления обычно используют двигатели с электронной коммутацией.

Есть отличная статья с видео, описывающим и демонстрирующим, как работает двигатель постоянного тока.

Асинхронные двигатели

Они проще по конструкции, но их не так легко понять.

Если вы перемещаете магнит по куску металла, движущееся магнитное поле генерирует циркулирующий электрический ток в металле. Этот ток, в свою очередь, создает магнитное поле, которое взаимодействует с приложенным полем таким образом, что создает сопротивление, препятствующее движению.

Небольшой асинхронный двигатель с экранированными полюсами в разобранном виде.

Статор состоит из двух или более катушек, расположенных для создания вращающегося магнитного поля. Ротор содержит несколько толстых медных петель для максимального сопротивления, создаваемого вращающимся магнитным полем. Ротор ускоряется, пока не начинает вращаться почти так же быстро, как вращающееся магнитное поле.

Асинхронные двигатели работают только от источника переменного тока (который меняет направление 100 раз в секунду), так как таким образом статор может создавать вращающееся магнитное поле.

Поскольку частота переменного тока фиксирована, вы не можете легко изменить скорость асинхронного двигателя. Однако с 4 или 6 (или более) обмотками статора вместо 2 и путем переключения способа подачи питания переменного тока на них можно настроить вращающееся магнитное поле, вращающееся на половину, треть (или другое дробное значение). скорость.

В большинстве асинхронных двигателей статор создает больше восходящего и опускающегося магнитного поля, чем истинное вращающееся магнитное поле, но с небольшим поворотом в одну сторону при движении вверх и в другую при движении вниз.Это означает, что пусковой момент низкий. Следовательно, они обычно используются там, где это не имеет значения, например в вентиляторе, который испытывает небольшое сопротивление воздуха, пока не наберет полную скорость.

Асинхронный двигатель со стартерной обмоткой.

Есть несколько способов получения скрутки. В двигателе с экранированными полюсами толстая медная петля намотана вокруг части каждого полюса (как видно на первой фотографии). Это приводит к некоторой задержке намагничивания этой части полюса из-за нарастания тока в контуре, что дает необходимое скручивание.Медный контур расходует энергию, поэтому этот метод используется только в небольших двигателях, которые очень часто встречаются в настольных вентиляторах.

Двигатели большего размера имеют смещение второй обмотки статора относительно основной, на которую подается противофазный ток. Конденсатор (большой цилиндрический элемент, который нельзя не заметить) или иногда резистор обеспечивает фазовый сдвиг. На рисунке показан пример двигателя ротационной газонокосилки, на котором хорошо видна вторая обмотка, смещенная на 90 градусов.

(Интересной особенностью показанного двигателя является то, что он имел тормозной механизм, останавливающий вращение лезвия после отключения питания.На шпинделе виден металлический диск с пружиной под ним, которая прижимает его к трем тормозным колодкам, видимым вокруг подшипника. Когда подается питание, магнитное поле тянет этот диск вниз и от тормозных колодок. Корозия диска привела к тому, что тормозное действие стало чрезмерно резким. Затем плоские поверхности на шпинделе стерли соответствующие плоские поверхности на пластиковом импеллере, к которому было прикреплено лезвие. Из-за углового момента лезвия его удерживающий болт ослаб.)

Вторая обмотка статора может тратить энергию после запуска двигателя и, следовательно, может быть отключена центробежным переключателем. В качестве альтернативы может быть термистор, который быстро нагревается при протекании тока, и при этом его сопротивление увеличивается, что снижает ток во второй обмотке статора.

Большие промышленные асинхронные двигатели мощностью несколько лошадиных сил часто получают питание от трехфазного источника питания. С 3 обмотками (или кратными 3), питаемыми от 3 фаз, они естественным образом создают вращающееся магнитное поле и поэтому самозапускаются.

Есть отличная статья с видео, описывающим и объясняющим, как работают асинхронные двигатели.

Синхронные двигатели

Они похожи на асинхронные двигатели тем, что статор создает вращающееся магнитное поле. Разница в том, что ротор представляет собой постоянный магнит и, следовательно, вынужден вращаться с той же скоростью, что и магнитное поле, вместо того, чтобы отставать по скорости, как в асинхронном двигателе.

Представьте себе две жестяные банки, одну внутри другой. Если вы заполните пространство между ними патокой и поверните внешнюю банку, она потянет за собой внутреннюю, даже если вы будете сопротивляться ее движению.Разница в скорости будет зависеть от применяемого сопротивления. Это похоже на асинхронный двигатель. Если вместо патоки вы прикрепите внутреннюю банку к внешней с помощью пружин, внутренняя банка будет вынуждена вращаться с той же скоростью, но будет растягивать пружины и отставать в своем положении, хотя и не в скорости, по мере увеличения сопротивления. Это похоже на синхронный двигатель.

Малые синхронные двигатели используются в электромеханических таймерах и часах, где их вращение привязано к частоте сети переменного тока.Крупные промышленные предприятия также иногда используют гораздо более крупные и мощные синхронные двигатели. Автомобильный генератор переменного тока и генераторы на электростанции - это синхронные двигатели, используемые в качестве генераторов.

Поскольку синхронный двигатель не работает должным образом, пока ротор не наберет нужную скорость, необходимо применить некоторые хитрые средства, чтобы запустить его. В небольших часовых и таймерных двигателях это обычно достигается за счет формы железа статора. По мере того, как магнитное поле от катушки статора меняет направление на противоположное с каждым циклом подачи переменного тока, изменение магнетизма постепенно распространяется через железо специальной формы таким образом, что оно скручивается.

Бесщеточный двигатель на самом деле представляет собой просто синхронный двигатель, приводимый в действие электронной схемой для управления обмотками статора и создания таким образом вращающегося магнитного поля.

Шаговые двигатели

Часто требуется двигатель, которому вместо непрерывного вращения можно дать команду на вращение на заранее определенную величину и остановку. Примером может служить двигатель, который приводит в движение ролики подачи бумаги в принтере. Они должны продвигать бумагу на ширину печатающей головки и останавливаться после печати каждого ряда пикселей.Аналогичным образом, аналоговые кварцевые часы или часы обычно включают секундную стрелку на секунду каждую секунду. В обоих случаях используются шаговые двигатели.

Существуют разные конфигурации, но самая простая и легкая для понимания состоит из статора, состоящего из двух катушек, расположенных под прямым углом, и ротора с постоянным магнитом внутри них. Первоначально одна катушка находится под напряжением, и постоянный магнит выравнивается с ее магнитным полем. Если другая катушка также находится под напряжением, магнит повернется на 45 градусов в положение между двумя и завершит поворот на 90 градусов, когда первая катушка выключится.Повторное включение первой катушки в противоположном направлении приведет к тому, что ротор продолжит движение еще на 45 градусов и так далее. Таким образом, вал, прикрепленный к постоянному магниту, можно поворачивать на 45 градусов за один раз по мере необходимости. Путем изменения последовательности его можно повернуть в обратном направлении, если это необходимо.

Диагностика и ремонт

Все типы двигателей могут заклинивать, если подшипники забиваются грязью или пылью, что легко может случиться с электроинструментом. Бритвы, электрические зубные щетки и кухонные приборы могут заклинивать из-за попадания воды и т. Д.Очистка может быть всем, что требуется, но в случае воды предотвратить повторение того же может быть непросто. Выясните, доступны ли сменные уплотнения. Застрявший подшипник часто можно освободить с помощью WD40, а дорожку качения, забитую пылью, можно очистить уайт-спиритом, но в любом случае важно смазать подходящим маслом или консистентной смазкой после очистки и высыхания, поскольку ни WD40, ни уайт-спирит не подходят. хорошие смазки.

Маленькие двигатели, рассчитанные на работу от батарей, часто не предназначены для разборки, хотя это можно сделать, согнув фиксирующие их выступы.Более крупные, например, предназначенные для работы от сети, часто можно разобрать, удалив два длинных болта, проходящих по всей их длине. В случае двигателей постоянного тока и универсальных двигателей при повторной сборке вам нужно будет снять щетки или удерживать их в стороне, чтобы вставить ротор на место с коллектором между ними.

В случае заклинивания двигатель потребляет сильный ток. Он сконструирован так, чтобы делать это мгновенно при запуске, но если его не повернуть, он может перегреться и повредить изоляцию, а в худшем случае - сжечь обмотки.Запах гари - явный признак неисправности, а поврежденная изоляция может привести к нестабильной скорости. Если есть признаки ухудшения изоляции, двигатель следует утилизировать. (Специализированные фирмы перематывают большие промышленные двигатели, но вряд ли это окажется рентабельным для отечественного двигателя или простой задачей, которую можно решить самостоятельно.)

Если нет видимых признаков износа, стоит проверить обмотки мультиметром в диапазоне сопротивлений. Низкое показание является нормальным, поскольку приложенное напряжение ограничивается не сопротивлением обмоток, а динамо-эффектом, который всегда ему противодействует.

Распространенной неисправностью двигателей постоянного тока и универсальных двигателей является износ угольных щеток, контактирующих с коллектором, или грязный коллектор. Чрезмерное искрение - верный признак срочной необходимости обслуживания. Щетки обычно прижимаются к коммутатору с помощью пружины, но они могут перестать поддерживать хороший контакт, если они изнашиваются прямо или если они не могут соскользнуть вниз в их корпусах по мере износа. Замена может быть получена, но вам нужно будет тщательно выбрать правильный размер.Замены могут быть доступны для вашей конкретной марки и модели устройства, в противном случае тщательно измерьте старые щетки и их корпус, и вы сможете найти подходящие замены в Интернете. Если щетка изнашивается вплоть до пружины, искрение может необратимо повредить коммутатор.

В некоторых профессиональных и высококачественных электроинструментах для дома есть щетки, в которые вставлен подпружиненный пластиковый стержень. Когда уголь изнашивается до предела, штифт освобождается, отталкивая изношенную щетку от коллектора, чтобы предотвратить дальнейший износ и необратимые повреждения.Известно, что профессионалы выбрасывают дорогие электроинструменты, которые внезапно перестали работать по этой причине - это простое решение, если вы можете распознать проблему.

Асинхронные двигатели с экранированными полюсами обычно очень надежны, но конденсатор, термистор и центробежные механизмы запуска могут выйти из строя. Если есть конденсатор, он может показать явные признаки неисправности, в противном случае проверьте его, если сможете. По крайней мере, вы можете использовать мультиметр на диапазоне сопротивления, чтобы проверить, что он не закорочен.

Электродвигатель содержит много меди и железа - убедитесь, что вы утилизируете его ответственно!

Какие способы управления скоростью лучше всего?

Универсальный двигатель - это электродвигатель с последовательной обмоткой, который может работать как от переменного, так и от постоянного тока. Это много по сравнению с двигателями серии постоянного тока, но последовательный двигатель развивает меньший крутящий момент при работе от источника переменного тока, чем при работе от эквивалентного источника постоянного тока. Направление вращения можно изменить, поменяв местами соединения с полем относительно якоря, как в двигателе постоянного тока.

Универсальный двигатель работает аналогично последовательному двигателю постоянного тока. С другой стороны, универсальный двигатель рассчитан на работу от переменного тока. Можно работать как на переменном, так и на постоянном токе. Таким образом, его развитие немного своеобразно. Обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно; обе обмотки находятся под напряжением, когда на двигатель подается напряжение. Обмотки возбуждения и якоря создают магнитное поле, которое заставляет якорь вращаться. У скромных универсальных двигателей обычно нет вознаграждения и сменной обмотки; у них есть два выступающих полюса с обмоткой возбуждения.Отклик между магнитными полями вызывается мощностью переменного или постоянного тока.


Универсальный двигатель

Универсальный двигатель создает электрический крутящий момент, пропорциональный квадрату тока питания. Поскольку через обмотку возбуждения и якорь протекает один и тот же ток, из этого следует, что изменение полярности переменного тока с положительного на отрицательное или с отрицательного на положительное одновременно влияет как на полярность потока поля, так и на направление тока через якорь. Это означает, что направление развиваемого крутящего момента останется положительным, и вращение продолжится в том же направлении.Таким образом, универсальный двигатель может работать как от постоянного, так и от переменного тока. Таким образом, электрический крутящий момент имеет одинаковое направление крутящего момента при любой полярности тока, а также при мощности переменного тока. Пусковой момент универсального двигателя определяется током, протекающим через якорь и обмотки возбуждения. Из-за индуктивного сопротивления этих обмоток пусковой переменный ток всегда будет меньше пускового постоянного тока . Следовательно, пусковой крутящий момент от сети переменного тока будет ниже, чем пусковой крутящий момент от источника постоянного тока.Характеристики универсального двигателя очень похожи на характеристики двигателей серии DC, но последовательный двигатель развивает меньший крутящий момент при работе от источника переменного тока, чем при работе от эквивалентного источника постоянного тока.

Универсальные двигатели используются в различных областях, таких как дрели, стиральные машины, воздуходувки, кухонные приборы и т. Д. И они также используются для множества различных целей, где необходимы контроль скорости и высокое качество скорости. Мы также можем найти универсальные двигатели мощностью менее 1000 Вт.Универсальные двигатели с заданной мощностью значительно меньше других двигателей переменного тока, работающих на той же частоте.

Регулирование скорости универсальных двигателей возможно следующими способами.

  1. Регулировка фазового угла
  2. ШИМ-прерыватель управления

В методе контроля фазового угла Регулировка скорости достигается путем изменения угла зажигания для TRIAC. Контроль фазового угла - очень экономичное, но не очень эффективное решение. В методе ШИМ выпрямленное сетевое напряжение переменного тока переключается с высокой частотой с помощью силового MOSFET или IGBT-устройства, чтобы генерировать изменяющееся во времени напряжение для двигателя.В этом методе управления двигателями требуется стабильное управление скоростью, предотвращение больших токов и получение минимального гармонического тока от сети переменного тока. Для удовлетворения этих требований предпочтительно использовать прерыватель переменного тока с обратной связью по току и скорости.

Универсальный моторный привод переменного тока регулирует скорость вращения, используя фазово-угловую частоту. Этот метод заключается в изменении действующего напряжения, подаваемого на двигатель. В этом случае напряжение является функцией угла включения симистора.Непрерывное управление скоростью универсального двигателя, работающего на постоянном токе, очень легко осуществляется с помощью тиристорной схемы. Тиристор питает двигатель во время положительного полупериода сети. И тиристор, и его управление подключены таким образом, что противо-ЭДС двигателя компенсирует колебания нагрузки двигателя для регулировки скорости. Метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ), также известный как привод прерывателя, используется для регулировки напряжения, подаваемого на двигатель. Изменяя рабочий цикл ШИМ, можно изменять эффективное напряжение, воспринимаемое двигателем.Преимущество ШИМ-модуляции в отношении частичного определения угла сдвига фаз заключается в более высокой эффективности, меньшем акустическом шуме и лучшем поведении ЭМС, но это может повлиять на срок службы щетки.

В приведенном ниже примере обмотки возбуждения и якоря двигателя соединены последовательно через коммутатор якоря. Поэтому универсальный двигатель также известен как двигатель серии переменного тока или коллекторный двигатель переменного тока. Универсальным двигателем можно управлять как фазоинвертором. В этом приложении мы использовали технику управления фазовым углом для управления напряжением, подаваемым на двигатель.Фазовый сдвиг импульсов затвора позволяет изменять эффективное напряжение, воспринимаемое двигателем. Для фазового привода требуется только триак. Они являются частью семейства тиристоров и тесно связаны с кремниевыми выпрямителями. Однако, в отличие от SCR, которые являются однонаправленными устройствами, которые могут проводить ток только в одном направлении, TRIAC являются двунаправленными, и поэтому ток может течь в любом направлении, они чаще встречаются в схемах, таких как моторные приводы. TRIAC обычно используются в простых устройствах с низким энергопотреблением, таких как бытовые диммерные переключатели.

MOC3021 - это оптрон. Оптопара соединяет стороны входа и выхода с помощью луча света, модулируемого входным током. Он преобразует полезный входной сигнал в свет, отправляет его через диэлектрический канал, улавливает свет на выходной стороне и преобразует его обратно в электрический сигнал. Обычно они поставляются в небольшом 6-контактном или 8-контактном корпусе ИС, но по сути представляют собой комбинацию состоит из двух различных устройств: оптического передатчика, обычно светодиода из арсенида галлия, и оптического приемника, такого как фототранзистор или диакритический элемент, управляемый светом.Они разделены прозрачным барьером, который блокирует электрический ток между ними, но пропускает свет. Серия MOC3020 состоит из инфракрасных излучающих диодов на основе арсенида галлия, оптически связанных с кремниевым двусторонним переключателем. Они разработаны для приложений, требующих изолированного срабатывания симистора.

Теперь у вас есть представление об универсальных двигателях, если у вас есть дополнительные вопросы по этой теме или электрические и электронные проекты, оставьте в разделе комментариев ниже.

Универсальные проекты на основе двигателей

Кредит на фото

Выбор правильного электродвигателя

Производители все чаще задумываются об энергоэффективности . Более зеленая и экологически чистая экономика - одна из целей Конференции Организации Объединенных Наций по изменению климата 2015 года, которую взяли на себя многие государства. Но прежде всего в целях ограничения потребления и экономии в последние годы промышленность приобретает более энергоэффективное оборудование.Согласно исследованию Европейской комиссии, на двигатели приходится 65% промышленного потребления энергии в Европе. Поэтому принятие мер в отношении двигателей является важным шагом на пути к сокращению выбросов CO2. Комиссия даже прогнозирует, что к 2020 году можно повысить энергоэффективность двигателей европейского производства на 20–30%. В результате будет на 63 миллиона тонн меньше CO2 в атмосфере и 135 миллиардов кВтч.

Если вы также хотите интегрировать энергоэффективные двигатели и получить экономию, внося свой вклад в развитие планеты, вам сначала нужно взглянуть на стандарты энергоэффективности для двигателей в вашей стране или географической области .Но будьте осторожны, эти стандарты распространяются не на все двигатели, а только на асинхронные электродвигатели переменного тока .

Международные стандарты

  • Международная электротехническая комиссия (МЭК) определила классы энергоэффективности для электродвигателей, размещаемых на рынке, известные как код IE, которые кратко изложены в международном стандарте МЭК
  • .
  • IEC определила четыре уровня энергоэффективности, которые определяют энергетические характеристики двигателя:
    • IE1 относится к СТАНДАРТНОЙ эффективности
    • IE2 означает ВЫСОКИЙ КПД
    • IE3 относится к PREMIUM эффективности
    • IE4 , все еще изучается, обещает СУПЕР ПРЕМИУМ эффективность
  • МЭК также внедрила стандарт IEC 60034-2-1: 2014 для испытаний электродвигателей .Многие страны используют национальные стандарты испытаний, а также ссылаются на международный стандарт IEC 60034-2-1.

В Европе

ЕС уже принял несколько директив, направленных на снижение энергопотребления двигателей, включая обязательство производителей размещать на рынке энергоэффективные двигатели:

  • Следовательно, класс IE2 является обязательным для всех двигателей с 2011 г.
  • Класс IE3 является обязательным с января 2015 года для двигателей мощностью 7.От 5 до 375 кВт (или IE2, если эти двигатели оснащены преобразователем частоты)
  • Класс IE3 является обязательным с января 2017 года для двигателей мощностью от 0,75 до 375 кВт (или IE2, если эти двигатели имеют преобразователь частоты).

В США

В США действуют стандарты, определенные американской ассоциацией NEMA (Национальная ассоциация производителей электрооборудования). С 2007 года минимальный требуемый уровень установлен на IE2.
Такая же классификация применяется к Австралия и Новой Зеландии .

Азия

В , Китай, , корейские стандарты MEPS (минимальный стандарт энергоэффективности) применяются к трехфазным асинхронным двигателям малого и среднего размера с 2002 года (GB 18693). В 2012 году стандарты MEPS были согласованы со стандартами IEC, перейдя от IE1 к IE2, а теперь и к IE3.

Япония гармонизировала свои национальные правила с классами эффективности IEC и включила электродвигатели IE2 и IE3 в свою программу Top Runner в 2014 году.Представленная в 1999 году программа Top Runner вынуждает японских производителей постоянно предлагать на рынке новые модели, которые более энергоэффективны, чем предыдущие поколения, тем самым стимулируя эмуляцию и инновации в области энергетики.

Индия имеет знак сравнительной эффективности с 2009 года и национальный стандарт на уровне IE2 с 2012 года.

Руководство инженера по маломасштабным двигателям переменного тока и постоянного тока

Хотя электродвигатели используются в самых разных приложениях, их основная функция остается той же - преобразование электрической энергии в механическую.В многочисленных статьях освещаются характеристики каждого уникального двигателя на рынке, но их можно разделить на две общие категории: двигатели переменного тока (переменного тока) и двигатели постоянного тока (постоянного тока).

У каждого типа есть свои плюсы и минусы, и эта статья предназначена для того, чтобы дать вам четкое представление о том, как двигатель переменного или постоянного тока может лучше всего подойти для вашего приложения. Давайте рассмотрим, как каждый из них преобразует электрическую энергию, различия в их конструкции и лучшие варианты использования для каждого типа.

Мощность

Различие между двумя типами двигателей - это мощность, при которой они работают.

При использовании электричества переменного тока или переменного тока напряжение меняется на противоположное каждые полупериод, что, в свою очередь, изменяет направление тока. Это делается путем изменения полярности на каждом конце провода. Итак, если вы возьмете американский стандарт питания 120 В / 60 Гц, будет примерно 120 полупериодов в секунду.

При использовании электричества постоянного тока или постоянного тока поток тока должен оставаться в одном направлении (от положительного к отрицательному), поэтому напряжение должно оставаться постоянным, чтобы поддерживать постоянный ток.Вы можете представить себе электричество постоянного тока как батарею с четко обозначенными отрицательными и положительными клеммами.

Электроэнергия переменного тока для двигателей

Внутри провода, использующего электричество переменного тока, электроны не движутся с постоянной скоростью в одном направлении, как в случае с постоянным током - они просто покачиваются взад и вперед и передают энергию (подумайте о Колыбели Ньютона).

Переменный ток используется в системах распределения электроэнергии (питание вашего дома / офиса) по той простой причине, что передача энергии намного эффективнее при более высоких напряжениях, и в свое время трансформаторы переменного тока значительно превосходили преобразователи постоянного напряжения. 2.

Так какое же отношение все это имеет к двигателю переменного тока? В общем, электродвигатели переменного тока отлично подходят для приложений, требующих небольшой точности, например для блендера или стиральной машины. Это объекты, которые вам нужно запустить, и они могут увеличивать или уменьшать скорость, но разница между 400 и 420 об / мин, вероятно, не критична.

Электроэнергия постоянного тока для двигателей С другой стороны, двигатели постоянного тока

- это точность и стабильность, потому что питание постоянного тока для этих двигателей подается с постоянным напряжением.Электроны внутри провода могут двигаться только в одном направлении, и они обычно делают это с постоянной стабильной скоростью.

Опять же, это похоже на то, как батарея с тройным А постоянно подает на вашу электронику напряжение 1,5 В (без учета потерь), пока она не разрядится. Это лучше, если у вас есть хрупкие схемы / печатные платы или электроника, которым для правильной работы требуется постоянный источник энергии, например, ноутбук.

Но подождите - если в моем доме подается питание переменного тока, а моему продукту требуется питание постоянного тока, что мне делать ?! Большая часть электроники оснащена преобразователем переменного тока в постоянный.Вот что это за блок на шнуре питания вашего ноутбука.

Фактически, вы можете поблагодарить преобразователь на швейной машине за вдохновение, стоящее за названием группы AC / DC. С двигателем постоянного тока вы можете просто управлять скоростью, регулируя напряжение, поскольку скорость пропорциональна напряжению, приложенному к якорю.

Строительство

Хотя принцип работы двигателей переменного и постоянного тока одинаков (одно магнитное поле преследует другое магнитное поле), и их внешний вид может не сильно отличаться, есть некоторые фундаментальные различия внутри, которые делают каждый из них уникальным.Читая следующую информацию, имейте в виду, что разница обусловлена ​​их вводом / выводом: двигатели переменного тока принимают переменное напряжение для повышения эффективности и мощности, в то время как двигатели постоянного тока поддерживают постоянное напряжение для стабильности.

Двигатель переменного тока Сборка Двигатели переменного тока

очень просты, потому что всю работу выполняет переменный ток. Пропуская ток через неподвижную обмотку в кожухе, окружающем вал, вы создаете переменное магнитное поле, которое индуцирует ток на валу или роторе.Это, наоборот, создает магнитное поле, которое постоянно пытается выровняться с магнитным полем неподвижной обмотки, в свою очередь заставляя вал вращаться.

Таким образом, их скорость связана с величиной проскальзывания или запаздывания их магнитных полей, пытающихся наверстать упущенное, что определяется конструкцией двигателя.

Помните, электричество переменного тока изменяется от «положительного напряжения» до 0 до «отрицательного напряжения» с удвоенной частотой (Гц) каждую секунду. Это означает, что согласно американскому стандарту 60 Гц ток меняет направление 120 раз в секунду.

Простота двигателей переменного тока

делает их долговечными и значительно снижает вероятность механической ошибки. Однако их пусковые токи обычно в шесть-девять раз превышают установившийся ток. Сочетание эффективности и длительного срока хранения делает их популярными в тех случаях, когда вы не хотите слишком больших потерь энергии и не хотите постоянно менять двигатель (например, стиральные машины). Однако я настолько зависим от своей стиральной машины, что, вероятно, буду платить каждый год, чтобы купить новую, если она сломается - не говори в LG!

Двигатель постоянного тока сборки

Поскольку двигателям неизбежно требуется вращающееся магнитное поле, а постоянный ток создает постоянное магнитное поле, их конструкция немного сложнее.Возвращаясь к примеру с батареей, который мы использовали ранее, мы хотим, чтобы батарея подавала постоянное напряжение 1,5 В на нашу печатную плату, вместо безумного переключения с +1,5 на -1,5 В сотни раз в секунду, которое дает нам питание переменного тока. Таким же образом, чтобы двигатель постоянного тока преобразовывал постоянное напряжение, подаваемое на него, нам нужна конструкция двигателя, которая будет точно преобразовывать это напряжение в механическую энергию.

Для этого нам нужно сначала реализовать некоторые механические функции для создания вращающегося магнитного поля, которое приводит в движение двигатель.Опять же, с двигателями переменного тока это было легко, потому что мощность переменного тока естественно колеблется взад и вперед, что изменяет магнитное поле. При постоянном токе магнитное поле останется прежним.

Итак, чтобы противостоять, у нас есть несколько вращающихся катушек в центре двигателя постоянного тока, которые подключаются к «коммутатору». Коммутатор вступает в контакт с неподвижными «щетками» противоположной полярности в тот момент, когда ему необходимо изменить направление тока для вращения вала.

Это может быть очевидным, но основным недостатком здесь является потеря эффективности из-за трения, вызванного контактом между коллектором и щетками.Потеря эффективности уходит в виде тепла, а иногда и искр, если вы перегрузите двигатель.

Функция

Если вам надоело читать все технические детали и вы просто заботитесь о том, какой двигатель лучше всего соответствует вашим потребностям, длинный ответ таков: все сводится к вашему конкретному применению. Вкратце, вот основной список плюсов и минусов для каждого типа двигателя:

Преимущества асинхронных двигателей
  • Обычно более эффективный
  • Более длительный срок службы и меньшая вероятность отказа
  • Вырабатывает меньше тепла
  • Лучше для применения с большой мощностью (стиральные машины, холодильники, оборудование)
  • Может подключаться непосредственно к домашней или офисной розетке без преобразователя

Недостатки асинхронных двигателей

  • Большой пусковой ток
  • Немного громоздко
  • Непрактично для портативных приложений
  • Преимущества двигателей постоянного тока
  • Низкие электромагнитные помехи (отлично подходят для чувствительных электронных устройств)
  • Устойчивость для печатных плат и чувствительной электроники
  • Вы можете работать со своим продуктом от аккумулятора
  • Лучшее управление скоростью

Недостатки двигателей постоянного тока
  • Обычно дороже
  • Менее эффективный
  • Более высокая вероятность отказа (Матовый тип)

Основные выводы

На самом деле, в вашей конструкции, вероятно, будет несколько факторов, которые будут управлять типом двигателя, который вы выберете.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *