Коллекторный электродвигатель что такое


Бесколлекторный двигатель постоянного тока: принцип работы, устройство, применение

Бытовая и медицинская техника, авиамоделирование, трубозапорные приводы газо- и нефтепроводов – это далеко не полный перечень областей применения бесколлекторных двигателей (БД) постоянного тока. Давайте рассмотрим устройство и принцип действия этих электромеханических приводов, чтобы лучше понять их достоинства и недостатки.

Общие сведения, устройство, сфера применения

Одна из причин проявления интереса к БД — это возросшая потребность в высокооборотных микродвигателях, обладающих точным позиционированием. Внутренне устройство таких приводов продемонстрировано на рисунке 2.

Рис. 2. Устройство бесколлекторного двигателя

Как видите, конструкция представляет собой ротор (якорь) и статор, на первом имеется постоянный магнит (или несколько магнитов, расположенных в определенном порядке), а второй оборудован катушками (В) для создания магнитного поля.

Примечательно, что эти электромагнитные механизмы могут быть как с внутренним якорем (именно такой тип конструкции можно увидеть на рисунке 2), так и внешним (см. рис. 3).

Рис. 3. Конструкция с внешним якорем (outrunner)

Соответственно, каждая из конструкций имеет определенную сферу применения. Устройства с внутренним якорем обладают высокой скоростью вращения, поэтому используются в системах охлаждения, в качестве силовых установок дронов и т.д. Приводы с внешним ротором используются там, где требуется точное позиционирование и устойчивость к перегрузкам по моменту (робототехника, медицинское оборудование, станки ЧПУ и т.д.).

Бесколлекторный двигатель в компьютерном дисководе

Принцип работы

В отличие от других приводов, например, асинхронной машины переменного тока, для работы БД необходим специальный контроллер, который включает обмотки таким образом, чтобы векторы магнитных полей якоря и статора были ортогональны друг к другу. То есть, по сути, устройство-драйвер регулирует вращающий момент, действующий на якорь БД. Наглядно этот процесс продемонстрирован на рисунке 4.

Фазы работы бесколлекторного привода

Как видим, для каждого перемещения якоря необходимо выполнять определенную коммутацию в обмотке статора двигателя бесколлекторного типа. Такой принцип работы не позволяет плавно управлять вращением, но дает возможность быстро набрать обороты.

Отличия коллекторного и бесколлекторного двигателя

Привод коллекторного типа отличается от БД как конструктивными особенностями (см. рис 5.), так и принципом работы.

Рис. 5. А – коллекторный двигатель, В – бесколлекторный

Рассмотрим конструктивные отличия. Из рисунка 5 видно, что ротор (1 на рис. 5) двигателя коллекторного типа, в отличие от бесколлекторного, имеет катушки, у которых простая схема намотки, а постоянные магниты (как правило, два) установлены на статоре (2 на рис. 5). Помимо этого на валу установлен коллектор, к которому подключаются щетки, подающие напряжение на обмотки якоря.

Кратко расскажем о принципе работы коллекторных машин. Когда на одну из катушек подается напряжение, происходит ее возбуждение, и образуется магнитное поле. Оно вступает во взаимодействие с постоянными магнитами, это заставляет проворачиваться якорь и размещенный на нем коллектор. В результате питание подается на другую обмотку и цикл повторяется.

Частота вращения якоря такой конструкции напрямую зависит от интенсивности магнитного поля, которое, в свою очередь, прямо пропорционально напряжению. То есть, чтобы увеличить или уменьшить обороты, достаточно повысить или снизить уровень питания. А для реверса необходимо переключить полярность. Такой способ управления не требует специального контролера, поскольку регулятор хода можно сделать на базе переменного резистора, а обычный переключатель будет работать как инвертор.

Конструктивные особенности двигателей бесколлекторного типа мы рассматривали в предыдущем разделе. Как вы помните, их подключение требует наличия специального контролера, без которого они просто не будут работать. По этой же причине эти двигатели не могут использоваться как генератор.

Стоит также отметить, что в некоторых приводах данного типа для более эффективного управления отслеживаются положения ротора при помощи датчиков Холла. Это существенно улучшает характеристики бесколлекторных двигателей, но приводит к удорожанию и так недешевой конструкции.

Как запустить бесколлекторный двигатель?

Чтобы заставить работать приводы данного типа, потребуется специальный контроллер (см. рис. 6). Без него запуск невозможен.

Рис. 6. Контроллеры бесколлекторных двигателей для моделизма

Собирать самому такое устройство нет смысла, дешевле и надежней будет приобрести готовый. Подобрать его можно по следующим характеристикам, свойственным драйверам шим каналов:

  • Максимально допустимая сила тока, эта характеристика приводится для штатного режима работы устройства. Довольно часто производители указывают такой параметр в названии модели (например, Phoenix-18). В некоторых случаях приводится значение для пикового режима, который контролер может поддерживать несколько секунд.
  • Максимальная величина штатного напряжения для продолжительной работы.
  • Сопротивление внутренних цепей контроллера.
  • Допустимое число оборотов, указывается в rpm. Сверх этого значения контроллер не позволит увеличить вращение (ограничение реализовано на программном уровне). Следует обратить внимание, что частота вращения всегда приводится для двухполюсных приводов. Если пар полюсов больше, следует разделить значение на их количество. Например, указано число 60000 rpm, следовательно, для 6-и магнитного двигателя частота вращения составит 60000/3=20000 prm.
  • Частота генерируемых импульсов, у большинства контролеров этот параметр лежит в пределах от 7 до 8 кГц, более дорогие модели позволяют перепрограммировать параметр, увеличив его до 16 или 32 кГц.

Обратим внимание, что первые три характеристики определяют мощность БД.

Управление бесколлекторным двигателем

Как уже указывалось выше, управление коммутацией обмоток привода осуществляется электроникой. Чтобы определить, когда производить переключения, драйвер отслеживает положение якоря при помощи датчиков Холла. Если привод не снабжен такими детекторами, то в расчет берется обратная ЭДС, которая возникает в неподключенных катушках статора. Контроллер, который, по сути, является аппаратно-программным комплексом, отслеживает эти изменения и задает порядок коммутации.

Трёхфазный бесколлекторный электродвигатель постоянного тока

Большинство БД выполняются в трехфазном исполнении. Для управления таким приводом в контролере имеется преобразователь постоянного напряжения в трехфазное импульсное (см. рис.7).

Рисунок 7. Диаграммы напряжений БД

Чтобы объяснить, как работает такой вентильный двигатель, следует вместе с рисунком 7 рассматривать рисунок 4, где поочередно изображены все этапы работы привода. Распишем их:

  1. На катушки «А» подается положительный импульс, в то время как на «В» — отрицательный, в результате якорь сдвинется. Датчиками зафиксируется его движение и подастся сигнал для следующей коммутации.
  2. Катушки «А» отключается, и положительный импульс идет на «С» («В» остается без изменения), далее подается сигнал на следующий набор импульсов.
  3. На «С» — положительный, «А» — отрицательный.
  4. Работает пара «В» и «А», на которые поступают положительный и отрицательный импульсы.
  5. Положительный импульс повторно подается на «В», и отрицательный на «С».
  6. Включаются катушки «А» (подается +) и повторяется отрицательный импульс на «С». Далее цикл повторяется.

В кажущейся простоте управления есть масса сложностей. Нужно не только отслеживать положение якоря, чтобы произвести следующую серию импульсов, а и управлять частотой вращения, регулируя ток в катушках. Помимо этого следует выбрать наиболее оптимальные параметры для разгона и торможения. Стоит также не забывать, что контроллер должен быть оснащен блоком, позволяющим управлять его работой. Внешний вид такого многофункционального устройства можно увидеть на рисунке 8.

Рис. 8. Многофункциональный контроллер управления бесколлекторным двигателем

Преимущества и недостатки

Электрический бесколлекторный двигатель имеет много достоинств, а именно:

  • Срок службы значительно дольше, чем у обычных коллекторных аналогов.
  • Высокий КПД.
  • Быстрый набор максимальной скорости вращения.
  • Он более мощный, чем КД.
  • Отсутствие искр при работе позволяет использовать привод в пожароопасных условиях.
  • Не требуется дополнительное охлаждение.
  • Простая эксплуатация.

Теперь рассмотрим минусы. Существенный недостаток, который ограничивает использование БД – их относительно высокая стоимость (с учетом цены драйвера). К числу неудобств следует отнести невозможность использования БД без драйвера, даже для краткосрочного включения, например, чтобы проверить работоспособность. Проблемный ремонт, особенно если требуется перемотка.

Похожие статьи

www.asutpp.ru

Коллекторный электродвигатель

Московский государственный университет сервиса

Институт гуманитарных технологий

Кафедра: “Сервис бытовой техники”

Контрольная работа

По дисциплине: “Техника и технология в домоведении”

По специальности 2306 “Домашний менеджер”

На тему: “Коллекторный электродвигатель”

Выполнила: студентка 2 курса

группы ДВД-2-1

Варюшина Е.М.

Шифр по номеру зачетной книжки

106/01

Проверил: Крылов В.И.

Москва 2003

Содержание

1. История возникновения коллекторного электродвигателя 2

2. Тенденция развития коллекторного электродвигателя 2

3. Отказы в работе коллекторного электродвигателя 10

4. Используемая литература 13

История возникновения коллекторного электродвигателя

Важнейшие сдвиги в развитии энергетической баз промышленного производства были связаны с изобретением и применением электрических двигателей. В 1831 году английский физик М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, а в 1834 русский ученый Б.С. Якоби создал первый электродвигатель постоянного тока, пригодный для практических целей. Однако только с 70х гг. 19в двигатели постоянного тока получают широкое применение благодаря созданию источников дешевой электроэнергии (генераторов постоянного тока) и усовершенствованию конструкции двигателей электротехниками А. Пачинотти в Италии и З.Граммом в Бельгии. В 1888-89 русский инженер (М.О. Доливо-Добровольский) создал трехфазную короткозамкнутую асинхронную электрическую машину. В последние годы конструкция электрических машин совершенствовалась, были созданы электродвигатели в широком диапазоне мощностей - от долей Вт до десятков МВт. Электродвигатели образуют параллельную систему конечных приемников тока, установленных на предприятиях различных отраслей народного хозяйства. Электродвигатели получают также широкое применение в бытовом обслуживании (швейные, холодильные, электробритвы и.т.п. ).

Тенденции развития коллекторного электродвигателя

Электродвигатели классифицируют по роду питающего напряжения, конструктивному исполнению, принципу действия, способу действия, способу возбуждения, числу фаз питающей сети, наличию коллекторно-щеточного узла и другим признакам.

По конструктивному исполнению двигатели постоянного тока подразделяют на коллекторные и безколлекторные. Также подразделяют асинхронные электродвигатели переменного тока. Бесколлекторные двигатели постоянного тока не имеют коллекторно-щеточного узла и не являются источником радиопомех. Однако стоимость их выше, поэтому в бытовых приборах применяют коллекторные электродвигатели. Такие двигатели бывают с возбуждением от постоянных магнитов и с электромагнитным возбуждением. Последние по способу включения обмотки возбуждения подразделяют на двигатели с независимым, параллельным (шунтовым), последовательным возбуждением.

В тех случаях, когда необходимо регулировать частоту вращения, используют электродвигатели постоянного тока и значительно реже в этих случаях более дорогие и менее надежные коллекторные электродвигатели переменного тока. У последних частота вращения плавно регулируется в широких пределах. Мощность электродвигателя от десятых долей Вт до десятков МВт. Различают электродвигатели в открытом исполнении, в которых вращающиеся и токоведущие части защищены от случайного прикосновения и попадания посторонних предметов; в защищенном исполнении (капле и брызгозащищенные), закрытые (пыле и влагозащищенные) и герметичные; взрывобезопасные, в которых пламя не выходит за пределы двигателя при взрыве внутри него.

Коллекторные двигатели (однофазовые и трехфазовые) в отличие от безколлекторных, имеют гибкие регулировочные характеристики. Однофазовые двигатели малой малой мощности широко используются в бытовых электро приборах. Трехфазовые двигатели мощностью несколько квт применяются главным образом в электроприборах с широким диапазоном регулировки скорости.

Коллекторные электродвигатели могут иметь частоту вращения более 3000 мин. Их целесообразно используют в бытовых приборах, для которых по условиям технологического процесса необходима высокая частота вращения рабочих органов при питании от сети переменного тока промышленной частоты (пылесосы, полотеры, миксеры, смесители, кофемолки, щетки для чистки одежды и обуви).

Стандартные значения номинальных частот вращения электродвигателей постоянного тока, однофазовых коллекторных переменного тока и универсальных коллекторных – 1000, 1500, 2000, 3000, 5000, 8000, 10000, 12000, 15000, и 18000 мин. Для универсальных коллекторных под номинальной понимают частоту вращения при переменном токе. Коллекторные электродвигатели переменного тока отличаются от коллекторных постоянного тока, тем что их магнитную систему (индуктор и якорь) выполняют шихтованной для уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи. В коллекторных электродвигателях переменного тока независимого возбуждения обмотка возбуждения “ОВ” и обмотка якоря “Я” подключены параллельно источнику питания. Если пренебреч потерями на гистерезис и вихревые тока, можно считать, что магнитный поток возбуждения Iв (рис. а). Обмотка якоря “Я” имеет значительно меньшее индуктивное сопротивление, чем обмотка возбуждения. Вследствие этого ток Iа, протекающий в ней, опережает по фазе ток возбуждения Iв, следовательно, и магнитный поток Ф. Вращающий момент развиваемый электродвигателем, зависит от произведения магнитного потока на ток обмотки якоря. Произведя графическое умножение тока обмотки якоря и магнитного потока Ф, получим график зависимости электромагнитного момента М, развиваемого электродвигателем от времени. В момент времени, когда магнитный поток возбуждения и ток якоря совпадают по фазе (имеют одинаковое направление), электродвигатель развивает положительный вращающий момент. В момент времени, когда магнитный поток возбуждения и ток якоря не совпадают по фазе, двигатель развивает отрицательный вращающий момент, который является тормозным. Результирующий вращающий момент будет равен некоторой средней величине Мф. В коллекторных электродвигателях последовательного возбуждения обмотка возбуждения “ОВ” и обмотка якоря включены последовательно. Если пренебречь потерями на гистерезис и вихревые токи, то магнитный поток возбуждения совпадает по фазе с током возбуждения Iв (рис). Вследствие того, что обмотка якоря включена последовательно с обмоткой возбуждения, ток, протекающий в ней, совпадает по фазе с током, протекающим в обмотке возбуждения, а следовательно, и с магнитным потоком Ф. Вращающий момент, развиваемый электродвигателем в любой момент времени будет положительным. Поэтому средний вращающий момент Мср, развиваемый электродвигателем при последовательном вожбуждении, будет выше, чем при независимом возбуждении. Поэтому электродвигатели переменного тока с последовательным возбуждением наиболее распространены. Они имеют более низкие энергетические показатели, чем электродвигатели постоянного тока вследствии потерь на гистерезис и вихревые токи.

Универсальные электродвигатели применяют, когда неизвестно заранее, от какой сети будет осуществляться питание прибора или когда по условиям эксплуатации необходим переход от питания постоянным током к питанию переменным током (электробритвы). Магнитная система выполнена аналогично магнитной системе коллекторных электродвигателей переменного тока.

В универсальных электродвигателях стремятся получить одинаковые характеристики при работе от сети переменного и постоянного тока. Однако, в обычном исполнении коллекторных электродвигателей с последовательным возбуждении не удается получить такого совпадения характеристик, т.к. при питании от сети переменного тока возникает дополнительное сопротивление за счет индуктивности обмоток якоря и возбуждения. Вследствие этого частота вращения универсального электродвигателя при питании от источника переменного тока при заданном моменте нагрузки будет меньше, чем при питании от источника постоянного тока.

Для сближения характеристик двигателя при постоянном и переменном токе предусматривают секционирование обмотки возбуждения. При питании от сети постоянного тока включена вся обмотка возбуждения, а при питании от сети переменного тока включена только ее часть. Однако и в этом случае не удается получить полного совпадения характеристик. Ток, потребляемый универсальным двигателем, при работе от сети переменного тока больше, чем при работе от сети постоянного тока, т.к. переменный ток, кроме активной, имеет еще и реактивную составляющую, обусловленную током намагничивания. У универсального электродвигателя на переменном токе КПД ниже вследствие потерь в стали якоря и индуктора, вызванных переменным магнитным потоком. Условия коммутации на переменном токе хуже, чем на постоянном, что сокращает срок службы электродвигателя. Регулировочные и тормозные характеристики у электродвигателей коллекторного типа аналогичны.

Электродвигатель постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной – статора и вращающейся – якоря, разделенных воздушным зазором.

На внутренней поверхности станины статора расположены сердечники полюсов с катушками возбуждения (для двигателей с электромагнитным возбуждением). Со стороны, обращенной к якорю, сердечники полюсов имеют полюсные наконечники, которые обеспечивают необходимое распределение магнитной индукции в воздушном зазоре. Якорь представляет собой цилиндрическое тело, вращающееся в пространстве между полюсами и состоящее из сердечника, жестко закрепленного на валу, обмотки, коллектора и щеточного узла. Сердечник якоря собирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, покрытых изолирующим лаком, что уменьшает потери от вихревых токов, которые возникают при вращении якоря в магнитном поле полюсов. На наружной поверхности сердечника якоря имеются пазы, в которых расположена обмотка якоря. Часть сердечника якоря, занятую пазами (зубцами), называют зубцовой зоной и валом – ярмом. Коллектор набирают из отдельных изолированных друг от друга коллекторных пластин клиновидного сечения, изготовленных из меди, с которыми соединена обмотка якоря. Коллектор совместно со щеточным узлом служит для подведения тока в обмотку якоря. Обмотка якоря представляет собой замкнутую систему проводников, уложенных в пазы и соединенных по определенной схеме. Основным элементом обмотки является секция, состоящая из одного или нескольких витков. Начало и конец секции присоединены к двум коллекторным пластинам. Каждая секция состоит из активных сторон, которые расположены в пазах сердечника якоря, и лобовых частей, посредством которых активные части секции соединяются между собой и с коллекторными пластинами. Для лучшего использования материала обмотки якоря активные стороны каждой секции располагают под разноименными полюсами, так что ширина секции равна приблизительно полюсному делению

mirznanii.com

Устройство коллекторного двигателя переменного тока

 Коллекторные двигатели переменного тока  нашли свое широкое применение в различных видах бытовой техники:

  • пылесосы;
  • стиральные машины;
  • шуруповерты;
  • электродрели;
  • строительные фены

и так далее.   Полученные Вами элементарные знания об устройстве таких электрических машин, помогут Вам в дальнейшем находить различные причины таких поломок и соответственно, находить способы их устранения.

Устройство коллекторного двигателя — переменного тока

Общее представление об устройстве коллекторного двигателя переменного тока наглядно можно получить из данного схематического изображения \рис.1\.

 

 рис.1

К характерным неисправностям данного типа электродвигателей можно отнести следующие причины:

  • износ графитовых щеток;

  • износ коллектора;

  • износ щеткодержателей;

  • повреждение изоляции

и износ подшипников.  

фото 1

Всем нам известные коллекторные электродвигатели переменного тока — от пылесоса \фото 1\ и другой бытовой техники \с наличием таких двигателей\, — подвергаются:

и тепловым перегрузкам, и в ряде случаев детали подлежат ремонту либо их полной замене.

Схема коллекторного двигателя — переменного тока

В данном рисунке представлена универсальная  схема коллекторного двигателя \рис.2\.   Схема имеет три вывода проводов от двух обмоток статора,  для подключения как к переменному так и к постоянному напряжениям, то-есть, двигатель способен работать как от постоянного так и от переменного тока. рис.2

На схеме даны следующие обозначения:

  • Е1, F2 — начала обмоток статора;

  • F1  E2 — концы обмоток статора;

  • A1  A2 — контакты графитовых щеток с коллектором;

  • N — нейтраль;

  • М — ротор электродвигателя;

  • L — фаза.

Два  конца провода из трех выводов обмоток  статора необходимы  так-же для подключения сглаживающего фильтра \конденсатора\.

Сопротивление обмоток — коллекторного двигателя

Для замера сопротивлений обмоток статора коллекторного двигателя нужно соединить поочередно щупы измерительного прибора с выводами проводов \фото 2\.

 фото 2

Замеры сопротивлений обмоток статора выполняются с целью определения их целостности либо разрыва \перегорания\ провода в обмотке.

 фото 3

Чтобы измерить сопротивление обмоток ротора коллекторного двигателя, — выполняется замер сопротивления ламелей \начала и концы обмоток ротора, соединенные с металлическими пластинами\ — на коллекторе \фото 3, рис. 3\.

 рис. 3

И чтобы проверить отсутствие либо замыкание обмотки  на корпус магнитопровода ротора, нужно соединить один конец щупа прибора с пластиной коллектора и второй щуп соединить с магнитопроводом \рис. 4\.

рис. 4

При замыкании обмотки ротора на корпус магнитопровода — сопротивление для данного участка приймет нулевое значение.

В данной теме Вы ознакомились с устройством и способами проведения диагностики коллекторного электродвигателя, и это далеко еще не все.

Следите за рубрикой сайта.

 

 

 

zapiski-elektrika.ru

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.

 

zapiski-elektrika.ru

Как работает бесколлекторный мотор - HPI Racing

HPI предлагает для всех типов радиоуправляемых электроавтомоделей великолепную бесколлекторную систему  Flux Brushless System! Бесколлекторная система Flux идеально подходит для шоссейных автомоделей, моделей багги и внедорожников в масштабе 1/10 и позволяет разогнать эти машины до скорости почти 100 километров в час!

 

Flux Brushless System состоит из электронного регулятора скорости и бесколлекторного двигателя. 

Бесколлекторный двигатель - это лучший выбор почти для всех электроавтомоделей в масштабе 1/10. С таким мотором ваша модель станет сверхбыстрой на трассе и сможет развивать бешенную скорость! Со стандартным никель-металлогидридным аккумулятором, состоящим из 6-и элементов, или с 2S LiPo (7,4 вольт) аккумулятором вы можете получить до 60 км/ч даже со стандартным редуктором! Мощность бесколлекторного мотора Flux эквивалентна высокофорсированным коллекторным  9 – 10 витковым  двигателям, работающих от шести элементных NiMH батарей, а это огромная мощность!

Особенности бесколлекторных двигателей Flux:

  1. Мощный, высокоскоростной бесколлекторныый мотор – эквивалент  коллекторного  9,5 виткового двигателя.
  2. Отлично сочетание огромной мощности и необычайной эффективности.
  3. Такой же размер, как у стандартного мотора  540-го типа.
  4. Необслуживаемая конструкция.
  5. Внешние контакты для легкой перепайки проводов.
  6. Крупногабаритные шарикоподшипники.
  7. Высокий крутящий момент, термостойкий неодимовый ротор.
  8. Специальная конструкция статора обеспечивает плавное линейное увеличение крутящего момента.
  9. Простой и удобный монтаж через 4 точки.
  10.  Ресурс в разы больше, чем в сопоставимых коллекторных моторах.
  11. Легко заменяемые подшипники и ротор.
  12. Совместим с любым бездатчиковым регулятором скорости для бесколлекторных двигателей.

 

Электронный регулятор скорости - «мозг» системы Flux. Регулятор скорости серии Fluxимеет разъемы для подключения мотора, разъем типа Dean для подключения и трехжильный кабель с разъемом для соединения с приемником, так что вы сможете легко установить регулятор в любом удобном месте на вашей модели. Регулятор способен работать с бесколлекторными двигателями разных размеров и мощности, а так же совместим как с NiMH аккумуляторами, так и LiPo батареями, что позволяет получить максимальную мощность от вашей системы Flux Brushless System! Регулятор Flux - небольшой по размеру, но огромный по допустимой мощности! На сайте HPI вы можете получить рекомендации по программированию регулятора скорости с помощью компьютера!

Особенности регулятора скорости Flux:

  1. Программируемый электронный регулятор скорости с функцией заднего хода для бесколлекторных  / коллекторных электродвигателей.
  2. Отсечка при низком напряжении для LiPo аккумуляторов**
  3. Эффективный алюминиевый радиатор.
  4. Пропорциональный тормоз с контролем усилия.
  5. Огромная рабочая мощность (70A * непрерывно / 380A в пике).
  6. Плавный старт бездатчиковых двигателей (патенты находятся на рассмотрении)
  7. Dean's разъем для подключения батареи.
  8. Надежный выключатель.
  9. Просто программируется.
  10. Возможность легко настроить параметры с помощью кабеля HPI link (в комплект не входит).
  11. Работает с бесколлекторными и стандартными коллекторными двигателями.

 Система Flux Brushless System, разработанная HPI, предназначена для любителей и спортсменов, которые хотят иметь мощную, универсальную и доступную бесколлекторную систему. Двигатели Flux чрезвычайно мощные, очень надежные и эффективные, а это самой легкий путь к победе! У бездатчиковых двигателей HPI гораздо меньше проводов, которые можно повредить во время гонки, и это избавляет вас от лишних забот. Вы можете приобрести двигатель в комплекте с регулятором скорости или купить их по отдельности!

Перспективы модернизации

 Владельцы Flux Motiv могут обновлять параметры регулятора с помощью компьютера и бесплатного программного обеспечения! Программисты постоянно делают обновления программного обеспечения Flux Motive и вы можете загружать их, используя набор HPI PC USB programming kit. Этот комплект позволяет подключить регулятор скорости прямо к компьютеру, работающему под Windows, и сохранить настройки профиля, внести изменения в настройки, обновить прошивку и многое другое!

 

Давайте сначала узнаем, как работает коллекторный двигатель.

Чтобы узнать, почему бесколлекторные двигатели настолько эффективны и имеют высокую мощность, необходимо знать, как работает стандартный коллекторный мотор.

Обычные коллекторные  электродвигатели, которые вы можете найти в машинахSprint 2 или E-Firestorm  имеют всего два провода  (положительный и отрицательный), которыми двигатель подключается к регулятору скорости. Внутри корпуса двигателя можно увидеть два изогнутых постоянных магнита, а по центру установлен вал с якорем, на котором намотаны обмотки из медной проволоки. С одной стороны вала якоря устанавливается моторная шестерня, с другой стороны вала расположен так называемый коллектор из медных пластин, через который с помощью угольных щеток ток подается к обмоткам якоря.

Две угольные щетки постоянно скользят по вращающемуся медному коллектору. Как вы можете видеть на рисунке выше, напряжение по проводам через щетки и коллектор поступает к обмоткам якоря, возникает электромагнитное поле, которое взаимодействует с постоянными магнитами статора и заставляет якорь вращаться.

 

Как начинает вращаться стандартный коллекторный двигатель.Когда на обмотки якоря поочередно поступает постоянный электрический ток, в  них возникает электромагнитное поле, которое с одной стороны имеет «северный» а с другой «южный» полюс. Поскольку «северный» полюс любого магнита автоматически отталкиваются от «северного»  полюса другого магнита, электромагнитное поле одной из обмоток якоря, взаимодействуя с полюсами постоянных магнитов статора, заставляет якорь вращаться. Через коллектор и щетки ток поступает на следующую обмотку якоря, что заставляет якорь вместе с валом мотора продолжать вращение, и так до тех пор, пока  к мотору подается напряжение. Как правило, якорь коллекторного мотора имеет три обмотки (три полюса) - это не позволяет двигателю застревать в одном положении.

 

Недостатки стандартных коллекторных двигателейНедостатки коллекторных двигателей выявляются, когда нужно получить огромное количество оборотов от них. Поскольку щетки должны постоянно находиться в контакте с коллектором, в месте их соприкосновения возникает трение, которое значительно увеличивается, особенно на высоких оборотах. Любой дефект коллектора приводит к значительному износу щеток и нарушению контакта, что в свою очередь снижает эффективность мотора.  Именно поэтому серьезные гонщики протачивают и полируют коллектор двигателя и меняют щетки почти после каждого заезда. Коллекторный узел  стандартного мотора так же является источником радиопомех и требует особого внимания и обслуживания.

 

Теперь посмотрим, как работает бесколлекторный двигатель. Основной особенностью конструкции бесколлекторного двигателя является то, что он по принципу работы похож на коллекторный мотор, но все устроено как бы  "наизнанку", и в нем отсутствуют коллектор и щетки. Постоянные магниты, которые в коллекторном моторе установлены на неподвижном статоре, у бесколлекторного мотора расположены вокруг вала, и этот узел называется ротор. Проволочные обмотки бесколлекторного мотора размещены вокруг ротора и имеют несколько различных магнитных полюсов. Датчиковые бесколлекторные моторы имеют на роторе сенсор, который посылает сигналы о положении ротора в процессор электронного регулятора скорости.

Почему бесколлекторный двигатель эффективней, чем коллекторный моторИз-за отсутствия коллектора и щеток в бесколлекторном моторе нет изнашивающихся деталей, кроме шарикоподшипников ротора, а это автоматически делает его более эффективным и надежным. Наличие сенсора контроля вращения ротора также значительно повышает эффективность. У коллекторных двигателей не возникает искрения щеток, что резко снижает возникновение помех, а отсутствие узлов с повышенным трением благоприятно сказывается на температуре работающего мотора, что так же повышает его эффективность.

Существуют ли недостатки у бесколлекторных двигателей?Единственный возможный недостаток бесколлекторной системы – это несколько более высокая стоимость, однако каждый, кто испытал высокую мощность бесколлекторной системы, почувствовал прелесть отсутствия необходимости периодической замены щеток, пружин, коллекторов и якорей, тот быстро оценит общую экономию и не вернется к коллекторным моторам ... никогда!

Действительно ли бесколлекторный двигатель не требует "никакого обслуживания?Да! Они таковы, экономят время, поэтому гонщики всего мира теперь с удовольствием могут передохнуть между заездами. Вам больше не придется после каждой гонки демонтировать двигатель, разбирать его, шлифовать коллектор, менять щетки, вновь собирать и заново устанавливать ... отсутствие этих забот - это огромное удовольствие!

Единственное, что вам возможно потребуется делать, это содержать двигатель в чистоте, и при необходимости менять подшипники. Эти процедуры выполняются редко, так что их нельзя классифицировать как регулярное техническое обслуживание.

Почему без датчика?Помимо базовых размеров и различных параметров, бесколлекторные двигатели могут подразделяться по типу: с датчиком и без датчика. Двигатель с датчиком используют очень маленький сенсор на роторе и кроме трех толстых кабелей, по которому мотор получает питание, имеют дополнительный шлейф из тонких проводов, которые соединяют двигатель с регулятором скорости. Дополнительные провода передают информацию с датчика о положении ротора сотни раз в секунду. Эта информация обрабатывается электронным регулятором скорости, что позволяет мотору работать плавно и эффективно, насколько это возможно. Такие моторы используют профессиональные гонщики, однако такие двигатели намного дороже и сложнее в использовании.

Бездатчиковая бесколлекторная система, как можно догадаться, не имеет датчиков и дополнительных проводов, а ротор таких двигателей вращается без точной регистрации его положения и оборотов регулятором скорости. Это позволяет сделать двигатель и регулятор скорости проще в изготовлении, проще в установке и в целом дешевле. Бездатчиковые системы способны обеспечить такую же мощность, как датчиковые, просто с чуть-чуть меньшей точностью, а это идеальное решение для любителей и начинающих спортсменов.

В HPI пришли к выводу, что нашим клиентам не нужна точность, которая доступна для датчиковых систем, для них важнее надежность, и мы решили использовать популярную бездатчиковую систему для комплектов серии Flux.

Мы надеемся, что данная статья объяснит все, что вам нужно знать о системе HPI Flux Brushless.

www.hpiracing.com

Бесколлекторный электродвигатель - это... Что такое Бесколлекторный электродвигатель?

Принцип работы трёхфазного вентильного двигателя

Вентильный электродвигатель — это синхронный двигатель, основанный на принципе частотного регулирования с самосинхронизацией, суть которого заключается в управлении вектором магнитного поля статора в зависимости от положения ротора. Вентильные двигатели (в англоязычной литературе BLDC или PMSM) ещё называют бесколлекторными двигателями постоянного тока, потому что коллектор такого двигателя обычно питается от постоянного напряжения.

Описание ВД

Этот тип двигателя создан с целью улучшения свойств электродвигателей постоянного тока. Высокие требования к исполнительным механизмам (в частности, высокооборотных микроприводов точного позиционирования) обусловили применение специфических двигателей постоянного тока: бесконтактных трехфазных двигателей постоянного тока (БДПТ или BLDC). Конструктивно они напоминают синхронные двигатели переменного тока: магнитный ротор вращается в шихтованом статоре с трехфазными обмотками. Но обороты являются функцией от нагрузки и напряжения на статоре. Эта функция реализована с помощью переключения обмоток статора в зависимости от координат ротора. БДПТ существуют в исполнении с отдельными датчиками на роторе и без отдельных датчиков. В качестве отдельных датчиков применяются датчики Холла. Если выполнение без отдельных датчиков, то в качестве фиксирующего элемента выступают обмотки статора. При вращении магнита, ротор наводит в обмотках статора ЭДС, в результате чего возникает ток. При выключении одной обмотки измеряется и обрабатывается сигнал, который был в ней наведен. Этот алгоритм требует процессора обработки сигналов. Для торможения и реверса БДПС не нужна мостовая схема реверса питания - достаточно подавать управляющие импульсы на обмотки статора в обратной последовательности.

В вентильном двигателе (ВД) индуктор находится на роторе (в виде постоянных магнитов), якорная обмотка находится на статоре (синхронный двигатель). Напряжение питания обмоток двигателя формируется в зависимости от положения ротора. Если в двигателях постоянного тока для этой цели использовался коллектор, то в вентильном двигателе его функцию выполняет полупроводниковый коммутатор (датчик положения ротора (ДПР) с инвертором).

Основным отличием ВД от синхронного двигателя является его самосинхронизация с помощью ДПР, в результате чего у ВД, частота вращения поля пропорциональна частоте вращения ротора.

Статор

Статор бесколлекторного электродвигателя

Статор имеет традиционную конструкцию и похож на статор асинхронной машины. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки,уложенной в пазы по периметру сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. Для самозапуска и вращения достаточно двух фаз — синусной и косинусной. Обычно ВД трёхфазные, реже- четырёхфазные.

По способу укладки витков в обмотки статора различают двигатели имеющие обратную электродвижущую силу трапецеидальной (BLDC) и синусоидальной (PMSM) формы. По способу питания фазный электрический ток в соответствующих типах двигателя также изменяется трапецеидально или синусоидально.

Ротор

Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до восьми пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов.

Вначале для изготовления ротора использовались ферритовые магниты. Они распространены и дёшевы, но им присущ недостаток в виде низкого уровня магнитной индукции. Сейчас получают популярность магниты из сплавов редкоземельных элементов, так как они позволяют получить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.

Датчик положения ротора

Датчик положения ротора (ДПР) реализует обратную связь по положению ротора. Его работа может быть основана на разных принципах — фотоэлектрический, индуктивный, на эффекте Холла, и т. д. Наибольшую популярность приобрели датчики Холла и фотоэлектрические, так как они практически безинерционны и позволяют избавиться от запаздывания в канале обратной связи по положению ротора.

Фотоэлектрический датчик, в классическом виде, содержит три неподвижных фотоприёмника, которые поочерёдно закрываются шторкой вращающейся синхронно с ротором. Это показано на рисунке 1 (желтая точечка). Двоичный код, получаемый с ДПР, фиксирует шесть различных положений ротора. Сигналы датчиков преобразуются управляющим устройством в комбинацию управляющих напряжений, которые управляют силовыми ключами, так, что в каждый такт (фазу) работы двигателя включены два ключа и к сети подключены последовательно две из трёх обмоток якоря. Обмотки якоря U, V, W расположены на статоре со сдвигом на 120° и их начала и концы соединены так, что при переключении ключей создаётся вращающийся градиент магнитных полей.

Система управления ВД

Система управления содержит силовые ключи, часто тиристоры или силовые транзисторы с изолированным затвором. Из них собирается инвертор напряжения или инвертор тока. Система управления ключами обычно реализуется на основе использования микроконтроллера, в связи с большим количество вычислительных операций по управлению двигателем.

Принцип работы ВД

Принцип работы ВД основан на том, что контроллер ВД коммутирует обмотки статора так, чтобы вектор магнитного поля статора всегда был ортогонален вектору магнитного поля ротора. С помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) контроллер управляет током, протекающим через обмотки ВД, т.е. вектором магнитного поля статора, и таким образом регулируется момент, действующий на ротор ВД. Знак у угла между векторами определяет направление момента действующего на ротор.

Коммутация производится так, что поток возбуждения ротора — Ф0 поддерживается постоянным относительно потока якоря. В результате взаимодействия потока якоря и возбуждения создаётся вращающий момент M, который стремится развернуть ротор так, чтобы потоки якоря и возбуждения совпали, но при повороте ротора под действием ДПР происходит переключение обмоток и поток якоря поворачивается на следующий шаг.

В этом случае и результирующий вектор тока будет сдвинут и неподвижен относительно потока ротора, что и создаёт момент на валу двигателя.

В двигательном режиме работы МДС статора опережает МДС ротора на угол 90°, который поддерживается с помощью ДПР. В тормозном режиме МДС статора отстаёт от МДС ротора, угол 90° так же поддерживается с помощью ДПР.

Управление двигателем

Контроллер ВД регулирует момент, действующий на ротор, меняя величину ШИМ.

В отличие от щёточного электродвигателя постоянного тока, коммутация в ВД осуществляется и контролируется с помощью электроники.

Распространены системы управления, реализующие алгоритмы широтно-импульсного регулирования и широтно-импульсной модуляции при управлении ВД.

Система, обеспечивающая самый широкий диапазон регулирования скорости — у двигателей с векторным управлением. С помощью преобразователя частоты осуществляется регулирование скорости двигателя и поддержание потокосцепления в машине на заданном уровне.

Особенность регулирования электропривода с векторным управлением — контролируемые координаты, измеренные в неподвижной системе координат преобразуются к вращающейся системе, из них выделяется постоянное значение, пропорциональное составляющим векторов контролируемых параметров, по которым осуществляется формирование управляющих воздействий, далее обратный переход.

Недостатком этих систем является сложность управляющих и функциональных устройств для широкого диапазона регулирования скорости.

Достоинства и недостатки ВД

В последнее время, этот тип двигателей быстро приобретает популярность, проникая во многие отрасли промышленности. Находит применение в различных сферах использования: от бытовых приборов до рельсового транспорта.

ВД с электронными системами управления часто объединяют в себе лучшие качества бесконтактных двигателей и двигателей постоянного тока.

Достоинства:

  • Широкий диапазон изменения частоты вращения
  • Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих техобслуживания — бесколлекторная машина
  • Возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде
  • Большая перегрузочная способность по моменту
  • Высокие энергетические показатели (КПД более 90 %)
Проверить информацию.

Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье.На странице обсуждения должны быть пояснения.

  • Большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов

Недостатки:

  • Относительно сложная система управления двигателем
  • Высокая стоимость двигателя, обусловленная использованием дорогостоящих постоянных магнитов в конструкции ротора
  • Во многих случаях более рациональным оказывается применение асинхронного двигателя с преобразователем частоты.

Для применений, комбинирующих максимально достижимый КПД с предельно простыми и надёжными блоками управления (ключевой коммутатор, не использующий ШИМ), можно также выделить следующую особенность: Несмотря на то, что обороты могут широко варьироваться управляющим блоком, приемлемый КПД можно получить лишь в относительно узком интервале угловых скоростей. Это определяется индуктивностью обмоток. Если скорость будет ниже оптимальной, продолжающаяся подача тока в данную фазу, после достижения предела магнитного потока, будет приводить лишь к ненужному нагреву. На скоростях выше оптимальной, магнитный поток в полюсе не достигнет максимума из-за ограниченного индуктивностью времени нарастания тока. Примерами таких двигателей являются модельные бесколлекторные комплекты. Они должны быть эффективными, лёгкими и надёжными, а для того чтобы обеспечить оптимальную угловую скорость при заданной нагрузочной характеристике, производители выпускают модельные ряды с различными индуктивностями (числом витков) обмоток. При этом, меньшее число витков соответствует более быстроходному двигателю.

См. также

Ссылки

dic.academic.ru

Коллекторный электродвигатель - Gpedia, Your Encyclopedia

Колле́кторный электродви́гатель — электрическая машина, в которой датчиком положения ротора и пере­к­лю­ча­те­лем тока в обмотках является одно и то же устройство — щёточно-коллекторный узел.

Разновидности

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Самые маленькие двигатели данного типа (единицы Ватт) содержат в корпусе:

  • трёхполюсной ротор на подшипниках скольжения;
  • коллекторный узел из двух щёток — медных пластин;
  • двухполюсной статор из постоянных магнитов.

Применяются, в основном, в детских игрушках (рабочее напряжение 3-9 вольт).

Более мощные двигатели (десятки Ватт), как правило, имеют

  • многополюсный ротор на подшипниках качения;
  • коллекторный узел из четырёх графитовых щёток;
  • четырёхполюсный статор из постоянных магнитов.

Именно такой конструкции большинство электродвигателей в современных автомобилях (рабочее напряжение 12 или 24 Вольт): привод вентиляторов систем охлаждения и вентиляции, «дворников», насосов омывателей.

Способы возбуждения коллекторных двигателей

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

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

Электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением

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

Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением

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

Электродвигатель постоянного тока с последовательным возбуждением

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

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

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

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

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

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

Электродвигатель постоянного тока со смешанным возбуждением

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

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

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

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

Универсальный коллекторный электродвигатель

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

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

Особенности конструкции

Строго говоря, универсальный коллекторный электродвигатель является коллекторным электродвигателем постоянного тока с последовательно включенными обмотками возбуждения (статора), оптимизированным для работы на переменном токе бытовой электрической сети. Такой тип двигателя независимо от полярности подаваемого напряжения вращается в одну сторону, так как за счёт последовательного соединения обмоток статора и ротора смена полюсов их магнитных полей происходит одновременно и результирующий момент остаётся направленным в одну сторону. На самом деле там есть небольшой фазовый сдвиг, обуславливающий появление против направленного момента, но он невелик, симметрирование обмоток не только улучшает условия коммутации, но и уменьшает этот момент. (М. П. Костенко, «Электрические машины»). Для нужд железных дорог строились специальные подстанции переменного тока низкой частоты — 16 Гц в Европе, в США же частота 25 Гц была одной из стандартных (наряду с 60 Гц) до 50-х годов XX века. В 50-х годах XX века германо-французскому консорциуму производителей электрических машин удалось построить однофазную тяговую машину промышленной частоты (50 Гц). По данным М. П. Костенко «Электрические машины», электровоз с однофазными коллекторными машинами на 50 Гц испытывался в СССР, где получил восторженно-отрицательную оценку специалистов.[источник не указан 1868 дней]).

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

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

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

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

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

Достоинства и недостатки

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

Сравнение с коллекторным двигателем постоянного тока

Достоинства:

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

Недостатки:

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

Достоинства:

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

Недостатки:

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

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

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

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

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

Таким образом, в однофазных сетях КМПТ не знает себе конкурентов.

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

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

Аналоги бесколлекторного узла

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

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

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

См. также

Ссылки, примечания

www.gpedia.com


Смотрите также

  • Что такое электродвигатель
  • Вибрация электродвигателя
  • Диагностика электродвигателя
  • Подшипник электродвигателя чем смазать
  • Вращение электродвигателя
  • Электродвигатель состоит из
  • Разнос электродвигателя
  • Электродвигатель для чего нужен
  • Как установить электродвигатель на велосипед
  • Как проверить исправность электродвигателя
  • Польща автосайти