Коллекторный электродвигатель принцип работы: Принцип работы коллекторного двигателя

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.

характеристика, конструкция электродвигателя переменного тока, ремонт

Практически все виды электрооборудования оснащены мощными элементами с механической коммутацией. Их слаженная работа зависит от универсального коллекторного двигателя, который прекрасно справляется с различными нагрузками. Но чтобы такой агрегат исправно служил, нужно тщательно изучить не только его конструктивные особенности, но и принцип действия.

Краткая характеристика устройства

Специалисты привыкли называть коллекторным двигателем те электрические машины, где переключатель тока и датчик ротора — это один и тот же элемент. Именно он обеспечивает надёжное соединение разных цепей в неподвижном отсеке агрегата с ротором.

Его конструкция состоит из мощных щёточек (это специфические контакты скользящего типа, которые расположены возле вращающейся части мотора) и коллектора (эта деталь установлена производителем на движимом узле механизма).

К основным преимуществам такого элемента можно смело отнести то, что высококачественный двигатель прост в уходе и эксплуатации, поддаётся ремонту и имеет большой рабочий ресурс. Среди недостатков сами производители выделяют то, что агрегат имеет небольшой вес и большой процент КПД. Конечно, чаще всего два этих показателя являются положительными, но не в этой ситуации.

Сочетание быстроходности (может достигать нескольких тысяч оборотов в минуту) и низкой массы чревато тем, что для нормальной эксплуатации потребителю нужно дополнительно приобретать хороший редуктор. Если же машина будет перестроена на меньшую скорость, то уровень КПД может серьёзно упасть, из-за чего возникают проблемы с качественным охлаждением.

Разновидности модельного ряда

Коллекторный мотор — это вращающаяся электрическая машина переменного тока, которая легко преобразует постоянный ток в механическую энергию. Минимум одна обмотка, которая участвует в этом процессе соединена с главным коллектором.

Практически каждая модель состоит из таких элементов:

1. Качественный статор двухполюсного типа на постоянных магнитах.
2. Профессиональный трёхполюсной ротор на специфических подшипниках с эффектом скольжения.
3. Медные пластины, которые используются в качестве щёток для коллекторного мотора.

Стоит отметить, что этот набор является минимальным, из-за чего часто встречается в бюджетных моделях. Это касается и детских игрушек, где не нужна большая рабочая мощность.

В комплектацию более качественных изделий обычно добавляют ещё несколько элементов:

• Многополюсной ротор на специальных подшипниках качения.
• Четыре щётки из графита, которые представлены в виде коллекторного агрегата.
• Статор с четырьмя полюсами, который состоит из постоянных магнитов.

Такие агрегаты принято использовать в современных автомобилях для обустройства высококачественного привода для вентилятора системы охлаждения и вентиляции, дворников и насосов омывателей лобового стекла. Конечно, в продаже можно встретить и более сложные агрегаты, которые отличаются не только эксплуатационными характеристиками и сферой применения, но и ценой.

Если мощность электродвигателя находится в пределах нескольких сотен ватт, то в его комплектацию обязательно входит четырехполюсной статор, который изготовлен из специальных магнитов. А вот качественное подключение обмотки может быть выполнено по одному из следующих способов:

• Параллельно. В условиях колеблющейся нагрузки все обороты остаются стабильными, но вот максимальный момент немного снижен.
• Последовательно с ротором. Этот вариант отличается тем, что максимальный момент приобретает довольно внушительные показатели, но присутствует большой риск поломки мотора, так как агрегат эксплуатируется пользователем на больших оборотах.
• Независимое возбуждение от отдельного источника питания. Для этой ситуации используются те же самые характеристики, которые свойственны параллельному типу подключения. Стоит отметить, что этот вариант применяется специалистами крайне редко.
• Смешанный тип возбуждения, когда определённая часть имеющейся обмотки подключается последовательно, а вторая часть — параллельно. В этой конфигурации удачно совмещены все преимущества предыдущих вариантов. Такой тип подключения идеально подходит для автомобильных стартеров.

Но известные производители предусмотрели наличие универсальных коллекторных двигателей. Ключевая их особенность состоит в том, что они отлично работают как на постоянном, так и на переменном токе. Их активно эксплуатируют в бытовой технике, электроинструментах, а также в составах железнодорожного транспорта.

Такая популярность обусловлена тем, что они имеют достаточно небольшой вес и размер. Помимо этого, их цена более чем доступна и каждый пользователь может самостоятельно установить необходимое для работы количество оборотов. За счёт этого коллектор электродвигателя относится к категории устройств переменного тока, он показывает отличные результаты и с нестабильными источниками энергии.

Составляющие элементы конструкции

Чтобы максимально правильно разобраться с особенностями устройства коллекторного электродвигателя, нужно изучить все комплектующие детали этого агрегата. Ведь само устройство представлено в виде прибора постоянного тока, где присутствуют последовательно включённые обмотки возбуждения. Они предназначены для работы на переменном токе бытовой электросети.

В независимости от полярности двигатель всегда вращается только в одну сторону. Такая особенность связана с тем, что последовательное соединение обмоток ротора и статора приводит к одновременной смене магнитных полюсов. В результате этого результирующий момент направляется исключительно в одну и ту же сторону.

Высокая эффективность использования коллекторного электродвигателя обусловлена наличием следующих элементов:

• Статор — это неподвижная часть установки.
• Якорь — неотъемлемая деталь коллекторного агрегата, в котором происходит индуктирование электродвижущей силы и протекает ток нагрузки. Стоит отметить, что в качестве якоря может выступать как статор, так и ротор.
• Индуктор — специализированная система возбуждения. Эта деталь создаёт магнитный поток для своевременного образования крутящегося момента. Индуктор обязательно оснащается обмоткой возбуждения или же постоянными магнитами. Сама деталь может выступать в качестве неотъемлемой части статора или ротора.
• Ротор — вращающийся элемент машины.
• Коллектор — базовая часть мотора, которая контактирует со щётками (две эти детали распределяют электрический ток по катушкам обмотки якоря).
• Щётки — это составляющая часть цепи, по которой передаётся электроэнергия от источника питания к якорю. Эти элементы выпускаются из прочного графита. Двигатель постоянного тока может содержать от одной пары щёток и более.

Функциональные возможности мотора

Схема устройства коллекторного двигателя прекрасно демонстрирует, как этот агрегат преобразует электричество в механическую энергию и в обратном порядке. Это говорит о том, что такое устройство может использоваться даже в качестве генератора. Когда ток проходит сквозь проводник, который расположен в магнитном поле, то на него воздействуют определённые силы. При этом активно работает правило правой руки, оказывающее непосредственное влияние на итоговую мощность двигателя. Коллекторный агрегат функционирует именно по такому принципу.

В стандартной схеме чётко показано, что в магнитное поле помещена одна пара проводников, ток которых направлен в разные стороны так же, как и силы. Образуемая ими сумма даёт необходимый для оборудования крутящийся момент. В коллекторном двигателе производители добавили ещё и целый комплекс дополнительных узлов, которые гарантируют идентичное направление тока над полюсами.

За счёт того, что на якоре расположено ещё несколько катушек, полностью устранилась неравномерность хода. Помимо этого, у мастеров больше нет необходимости задействовать постоянный ток, так как обычные магниты были заменены на более мощные катушки. На финальном этапе производства крутящийся момент принял единое направление.

Плюсы и минусы эксплуатации

Для сравнения квалифицированные специалисты использовали следующие параметры: оба агрегата подключили к домашней электросети с частотой 50 Гц и напряжением 220 В. Мощность мотора устройств полностью идентична. Итоговая разность в механических параметрах может выступать как огромный плюс, так и как минус (всё зависит только от того, какие требования предъявляет пользователь к приводу).

Коллекторный двигатель обладает следующими преимуществами над агрегатом постоянного тока:

1. Меньший показатель пускового тока, что особенно важно для той техники, которая используется потребителями в быту.
2. Агрегат можно включать напрямую в сеть, полностью отсутствует необходимость в установке вспомогательных приспособлений. А вот агрегат с постоянным током нуждается в непрерывном выпрямлении.
3. Быстроходность и полное отсутствие зависимости от сетевой частоты.
4. Если есть управляющая схема, то устройство коллектора получается более простым — тиристор и реостат. Когда электронная деталь выходит из строя, то сам агрегат остаётся в рабочем состоянии (но будет эксплуатироваться на полную мощность).

Не стоит забывать о недостатках, которые должны быть тщательно изучены каждым потребителем ещё до покупки агрегата. Только в этом случае можно быть уверенным в соответствии устройства всем предъявленным требованиям.

Коллекторный электродвигатель обладает следующими минусами:

1. Общий процент КПД существенно снижен, так как присутствует индуктивность и потери на перемагничивание статора.
2. Существенно уменьшен максимальный крутящийся момент.
3. Относительно небольшая надёжность и непродолжительный эксплуатационный срок.

Любые изменения в настройках возможны только в том случае, если в агрегате предусмотрено наличие регулятора оборотов. Разное количество подаваемой электроэнергии может менять этот показатель всего на 10%. В то время как качественный регулятор оборотов позволяет уменьшить их количество в несколько раз. Сделать такое приспособление можно самостоятельно или купить в специализированном магазине. Но нужно проверить, сможет ли оно работать в коллекторе с определённой мощностью и количеством оборотов. Если же регулятор будет слабым, то он просто сломается.

Ремонт двигателя в домашних условиях

Как и любое другое устройство, коллектор может выйти из строя в самый неподходящий момент. Если электродвигатель не набирает заданное количество оборотов или же после старта не начинает крутиться вал, тогда нужно проверить работоспособность предохранителей. Проблема также может быть вызвана обрывом в цепи якоря и перегрузкой устройства. Довольно часто нерациональное использование агрегата приводит к потреблению силы тока повышенного значения. Устранить эту неисправность можно только после осмотра тормоза и механической части.

Если во время работы агрегат не выдаёт номинальное количество оборотов, то это может быть вызвано недостаточным сетевым напряжением, перегрузкой, а также большим возбуждающим током. Если пользователь заметил неработоспособность обратного типа, тогда необходимо проверить электрическую цепь, а также устранить все образовавшиеся дефекты. В некоторых случаях агрегат начинает функционировать только после перемотки двигателя.

Когда устройство не работает из-за ошибочного сопряжения параллелей и последовательной обмотки возбуждения, тогда пользователю необходимо восстановить правильный порядок соединений.

Не стоит забывать о регулярной проверке величины напряжения в электросети, так как обороты двигателя могут существенно возрастать.

Коллекторный двигатель постоянного тока | АВИ Солюшнс

В отечественной классификации двигатели, о которых пойдёт речь ниже, обычно называют двигателями постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Вообще говоря, двигатели постоянного тока могут иметь различную конструкцию (например, с возбуждением от обмотки возбуждения), но среди двигателей малой мощности, массово применяемых в сервоприводах в основном применяются именно двигатели с постоянными магнитами.

Как работает коллекторный двигатель?

Коллекторный двигатель постоянного тока имеет обмотку на роторе и постоянный магнит на статоре. Обмотка ротора состоит из нескольких сегментов, которые подключены к пластинам коллектора. Щётки, перемещающиеся по коллектору, обеспечивают передачу электрического тока между статором и ротором, а также переключение сегментов обмотки при вращении ротора. При подаче постоянного напряжения к выводам двигателя электрический ток протекает через щётки и коллектор в сегменты обмотки, подключённые к пластинам коллектора на которых в настоящий момент стоят щётки. Ток, протекающий по обмотке ротора, взаимодействует с магнитным полем постоянных магнитов, создавая крутящий момент, который поворачивает ротор. При вращении ротора сегменты коллектора переключаются, позволяя току протекать через  другие участки обмотки. Ток, протекающий через постоянно поворачивающиеся секции обмотки ротора, постоянно создаёт крутящий момент. При приложении к обмотке постоянного напряжения коллекторный двигатель вращается с постоянной скоростью.

Возможные варианты и специальные случаи

Выпускаемые сейчас бесколлекторные двигатели могут иметь самую разную конструкцию. 
Коллекторные двигатели постоянного тока могут выпускаться с различной технологией изготовления обмотки. Есть двигатели с классической обмоткой, намотанной на стальной сердечник, и двигатели с полой цилиндрической обмоткой без стального сердечника. С точки зрения параметров имеется определённая разница между обмотками различных типов. Во-первых, классическая обмотка имеет существенно большую индуктивность, чем полая цилиндрическая обмотка, и соответственно большую постоянную времени. По этой причине, полая цилиндрическая обмотка допускает более динамичное изменение тока (момента), однако при работе от контроллера двигателя с невысокой частотой ШИМ модуляции для сглаживания пульсаций тока требуются фильтрующие дроссели большей индуктивности (а соответственно и большего размера). Во-вторых, классическая обмотка имеет большой момент инерции. При расположении обмотки на роторе, момент инерции ротора увеличивается, что отрицательно сказывается на динамике двигателя, особенно в случае работы на малоинерционную нагрузку. Кроме того, классическая обмотка, как правило, имеет заметно больший момент магнитной фиксации, а также меньший КПД, чем полая цилиндрическая обмотка.

Коллекторные двигатели могут также отличаться материалом, использованным при изготовлении щёток. В настоящее время при изготовлении коллекторных двигателей  малой мощности применяются главным образом две технологии – графитовые и металлические щётки. Графитовые щётки изготавливаются из медно-графитового сплава и представляют собой бруски сложной формы, прижимаемые к коллектору пружинами. Коллектор в этом случае изготавливается из меди. Такие щётки хорошо работают с большими токами и в тяжёлых режимах (старт-стоп, реверс). При этом они создают больше помех и приводят к большим значениям тока холостого хода двигателя и к несколько более высоким потерям. Металлические щётки изготавливаются с использованием благородных металлов. В качестве материала для щёток применяется бронза с напылением в области контакта с коллектором. Щётки имеет форму плоской пластины, которая пружинит при прижатии к коллектору. В качестве материала для коллектора используется сплавы благородных металлов. Эти щётки плохо выдерживают большие токи и резкие броски тока, но хорошо работают на постоянных нагрузках и имеют низкие шумы.

Отличия от других типов двигателей

Одно из основных отличий коллекторного двигателя от бесколлекторных ДПТ и от синхронных двигателей с постоянными магнитами – это наличие щёточно-коллекторного узла. Эта часть двигателя отличается повышенным износом, поскольку представляет собой электрическое соединение подвижных частей. Щёточно-коллекторный узел – это один из факторов ограничивающих срок службы и скорость коллекторного двигателя. С другой стороны, коллекторные двигатели выгодно отличаются простотой управления. 

Когда нужен коллекторный двигатель?

Несмотря на срок службы и удельную мощность меньшие, чем у бесколлекторных двигателей, коллекторные двигатели по-прежнему представлены в каталогах производителей и продолжают применяться в различных проектах.

В тех случаях, когда в системе предполагается использование управления двигателем без использования обратной связи, коллекторный двигатель имеет очевидные преимущества: для его работы в таком случае можно обойтись без специализированного контроллера – достаточно обычного источника питания. Если двигатель подключается к управляющей электронике более или менее длинным кабелем, то будет существенна разница по количеству проводов, требуемых для подключения двигателя: 2 у коллекторного против 8 у бесколлекторного (с учётом датчиков Холла). В проектах, где пользователь управляющую электронику разрабатывает самостоятельно, может быть существенно то, что для коллекторного двигателя структура её программной части и аппаратная часть могут быть несколько проще.  

Щеточный двигатель принцип работы

Коллекторный и бесколлекторный двигатели. Недостатки и преимущества каждого.

В ассортименте продукции Greenworks есть инструменты с коллекторным (щёточным) и бесколлекторным (бесщёточным) двигателями. Но везде делается акцент только на бесколлекторном электродвигателе. Почему только на нём, и для чего тогда устройства с щёточным? Расскажем в данной статье преимущества и недостатки каждого электродвигателя и ответим на эти два вопроса.

Коллекторный двигатель

Начнём с того, что двигатель — это устройство, которое преобразует какой-либо вид энергии в механический и наоборот. Эффективность данного процесса зависит от внутренней конструкции двигателя, которая в свою очередь зависит от источника тока (постоянного или переменного).

Устройство коллекторного двигателя

Якорь. Стержнем всей конструкции является якорь, он же металлический вал. Вал является движущимся элементом, от которого зависит крутящий момент. На нём также располагается ротор.

Ротор. Связан с ведущим валом. Его внешняя конструкция напоминает барабан, который вращается внутри статора. Задача ротора получать или отдавать напряжение рабочему телу.

Подшипники. Они расположены на противоположных концах якоря для его сбалансированного вращения.

Щётки. Выполнены обычно из графита. Их задача предавать напряжение через коллектор в обмотки.

Коллектор (коммутатор). Он выполнен в виде соединенных между собой медных контактов. Во время процесса вращения он принимает на себя энергию с щёток и направляет её в обмотки.

Обмотки. Расположены на роторе и статоре разных полярностей. Их функция в генерировании собственного магнитного поля под воздействием разных полярностей, за счёт чего якорь приходит в действие.

Сердечник статора. Выполнен из металлических пластин. Может иметь катушку возбуждения с полярным напряжением обмотки ротора. Или — постоянные магниты. Данная конструкция зависит от источника напряжения. Является статичным элементом всего механизма.

• Стоимость меньше, чем у бесколлекторных двигателей (БД).
• Конструкция относительно проще конструкции БД.
• В виду этого, техническое обслуживание проще.

На высоких оборотах увеличивается трение щёток. Отсюда вытекает:

• Быстрый износ щёток.
• Снижение мощности инструмента.
• Появление искр.
• Задымление инструмента.
• Выход из строя инструмента раньше его «жизненного цикла».

Вывод: Если рассматривать бытовую сферу применения, то коллекторный двигатель является традиционным и бюджетным вариантом эксплуатации (и самым часто используемым). Инструменты на данном типе двигателя преданно и верно справятся с любой повседневной задачей в пределах своих возможностей. Т.к. такие инструменты по стоимости значительно дешевле инструментов на бесколлекторном двигателе, их рассматривает категория потребителей, которая придерживается мнения: «ничто не вечно». Зачем переплачивать, если любой агрегат в может выйти из строя? Мы же считаем, что при надлежащих условиях эксплуатации любой инструмент может прослужить верой и правдой довольно долгий срок. Но выбор за Вами.

Бесколлекторный двигатель

Если в коллекторном двигателе всё приходит в действие за счёт механики, то в бесщёточном — чистая электроника. Также позиции некоторых элементов в конструкции меняются местами. В коллекторном двигателе обмотки находились на роторе, а постоянные магниты — на статоре. У бесколлекторного — постоянные магниты переносятся на ротор, а катушки с обмоткой располагаются на статоре. Также ротор и статор могут менять свои позиции: есть модели двигателей с внешним ротором. Здесь отсутствуют щётки и коллектор, вместо них добавлен микропроцессор (контроллер) и кулер для охлаждения системы. Микропроцессор контролирует положение ротора, скорость вращения, равномерное распределение напряжения по катушкам обмотки.

Основные типы бесщёточного двигателя :

• Асинхронный — это двигатель, который преобразовывает электроэнергию переменного тока в механическую. Название происходит от разной скорости вращения магнитного поля и ротора. Частота вращения ротора меньше, чем у магнитного поля, создаваемого обмотками статора (Например, двигатель DigiPro, который используется в продукции Greenworks).
• Синхронный — это двигатель переменного тока, у которого частота вращений ротора равна частоте вращений магнитного поля.

• Из-за отсутствия щёток меньше трения.
• Меньше подвержены износу.
• Отсутствие искр и возможного возгорания.
• Упрощенная регулировка крутящего момента в больших пределах.
• Экономия расходуемой энергии.
• У инструментов с реверсом одинаковая мощность в обоих направлениях вращения.
• Быстрый запуск с больших скоростей.
• Могут разгоняться до предельных показателей.
• Некоторые модели при сильной нагрузке оснащены системой защиты двигателя.

• Значительно дороже в цене, чем коллекторные двигатели.
• Техническое обслуживание более узкоспециализированное.

Вывод: Несомненно бесколлекторные двигатели ориентированы на профессиональные работы с приличной нагрузкой. Несмотря на высокие показатели усовершенствованного типа двигателя, его единственный недостаток бьёт по кошельку. И перед тем, как приобретать инструмент на том или ином двигателе, прежде всего надо поставить перед собой вопрос: для каких целей он нужен. Уже исходя из ответа делать свой выбор.

Сколько людей — столько и мнений. Компания Greenworks старается делать качественную продукцию на разных типах двигателя, чтобы каждый мог подобрать себе инструмент по предпочтениям, функционалу и необходимой мощности под конкретные задачи, которые у каждого клиента свои. Какой лучше? Выбор за Вами!

Источник

Бесщеточный двигатель принцип работы

Как устроен бесщеточный двигатель

Работа бесщеточного электродвигателя основывается на электрических приводах, создающих магнитное вращающееся поле.

В настоящее время существует несколько типов устройств, имеющих различные характеристики.

С развитием технологий и использованием новых материалов, отличающихся высокой коэрцитивной силой и достаточным уровнем магнитного насыщения, стало возможным получение сильного магнитного поля и, как следствие, вентильных конструкций нового вида, в которых отсутствует обмотка на роторных элементах или стартере.

Обширное распространение переключателей полупроводникового типа с высокой мощностью и приемлемой стоимостью ускорило создание подобных конструкций, облегчило исполнение и избавило от множества сложностей с коммутацией.

Использование

Бесщеточный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами встречается в основном в устройствах с мощностью в пределах 5 кВт.

В более мощной аппаратуре их применение нерационально.

Магниты в двигателях данного типа отличаются особой чувствительностью к высоким температурам и сильным полям.

Двигатели активно используются в электрических мотоциклах, автомобильных приводах благодаря отсутствию трения в коллекторе.

Описание и принцип работы

Бесщеточный (бесколлекторный) двигатель постоянного тока очень похож на двигатель постоянного тока с постоянными магнитами, но не имеет щеток для замены или износа из-за искрения коммутатора.

Поэтому в роторе выделяется мало тепла, что увеличивает срок службы двигателей.

Конструкция бесщеточного двигателя устраняет необходимость в щетках благодаря более сложной схеме привода, в которой магнитное поле ротора является постоянным магнитом, который всегда синхронизирован с полем статора, что позволяет более точно контролировать скорость и крутящий момент.

Управление бесщеточными двигателями постоянного тока очень отличается от обычного щеточного двигателя постоянного тока тем, что этот тип двигателя включает в себя некоторые средства для определения углового положения роторов (или магнитных полюсов), необходимые для получения сигналов обратной связи, необходимых для управления переключением полупроводников. Появление процессорной техники и силовых транзисторов позволило конструкторам отказаться от узла механической коммутации и изменить роль ротора и статора в электромоторе постоянного тока.

Принцип работы БДКП

В бесколлекторном электродвигателе роль механического коммутатора выполняет электронный преобразователь. Это позволяет осуществить «вывернутая наизнанку» схема БДКП — его обмотки расположены на статоре, что исключает необходимость в коллекторе.

Иными словами, основное принципиальное различие между классическим двигателем и БДКП в том, что вместо стационарных магнитов и вращающихся катушек последний состоит из неподвижных обмоток и вращающихся магнитов. Несмотря на то что сама коммутация в нём происходит похожим образом, её физическая реализация в бесщёточных приводах гораздо более сложна.

Как работает коллекторная машина

Чтобы произвести запуск коллекторного двигателя, потребуется подать напряжение на обмотку возбуждения, которая расположена непосредственно на якоре. При этом образуется постоянное магнитное поле, которое взаимодействует с магнитами на статоре, в результате чего проворачиваются якорь и коллектор, закрепленный на нём. При этом подается питание на следующую обмотку, происходит повтор цикла.

Как осуществляется управление

Электронный блок управления позволяет провести коммутацию обмоток привода. Для определения момента переключения при помощи драйвера отслеживается положение ротора по датчику Холла, установленном на приводе.

В том случае, если нет таких устройств, необходимо считывать обратное напряжение.

Оно генерируется в катушках статора, не подключенных на данный момент времени.

Контроллер — это аппаратно-программный комплекс, он позволяет отслеживать все изменения и максимально точно задавать порядок коммутации.

Трехфазные бесколлекторные электродвигатели

Очень много бесколлекторных электродвигателей для авиамоделей выполняется под питание постоянным током.

Но существуют и трехфазные экземпляры, в которых устанавливаются преобразователи.

Они позволяют из постоянного напряжения сделать трехфазные импульсы.

Работа происходит следующим образом:

1. На катушку «А» поступают импульсы с положительным значением. На катушку «В» — с отрицательным значением. В результате этого якорь начнет двигаться. Датчики фиксируют смещение и подаётся сигнал на контроллер для осуществления следующей коммутации.
2. Происходит отключение катушки «А», при этом импульс положительного значения поступает на обмотку «С». Коммутация обмотки «В» не претерпевает изменений.
3. На катушку «С» попадается положительный импульс, а отрицательный поступает на «А».
4. Затем вступает в работу пара «А» и «В». На них и подаются положительные отрицательные значения импульсов соответственно.
5. Затем положительный импульс опять поступает на катушку «В», а отрицательный на «С».
6. На последнем этапе происходит включение катушки «А», на которую поступает положительный импульс, и отрицательный идет к С.

И после этого происходит повтор всего цикла.

Преимущества использования

Изготовить своими руками бесколлекторный электродвигатель сложно, а реализовать микроконтроллерное управление практически невозможно. Поэтому лучше всего использовать готовые промышленные образцы.

Но обязательно учитывайте достоинства, которые получает привод при использовании бесколлекторных электродвигателей:

1. Существенно больший ресурс, нежели у коллекторных машин.
2. Высокий уровень КПД.
3. Мощность выше, нежели у коллекторных моторов.
4. Скорость вращения набирается намного быстрее.
5. Во время работы не образуются искры, поэтому их можно использовать в условиях с высокой пожарной опасностью.
6. Очень простая эксплуатация привода.
7. При работе не нужно использовать дополнительные компоненты для охлаждения.

Источник

Как работает коллекторный двигатель со щеточным механизмом в бытовой технике

Пылесос, кофемолка, дрель, перфоратор, триммер — далеко не полный перечень оборудования, в котором используется преобразование электрической энергии в механическую для работы бытовых устройств.

Они содержат сложные технические узлы, требуют умелого обращения, периодического осмотра, правильного обслуживания. При небрежной работе возникают различные поломки.

Материал статьи представляет советы домашнему мастеру, работающему с электрическими инструментами или планирующему самостоятельный ремонт электродвигателя с щеточным механизмом и коллектором. Текст наглядно дополняется схемами, картинками и видеороликом.

Предоставленная информация собрана с целью привлечь внимание пользователей к правилам эксплуатации бытовых приборов с коллекторным двигателем. Она поможет осознанно фиксировать возникающие дефекты работающей схемы, оперативно устранять их.

Компоновка и принцип работы

Подвижная часть коллекторного двигателя, как и любого другого, механически сбалансирована и закреплена в подшипниках вращения, вмонтированных в неподвижную станину.

Стационарный статор и вращающийся ротор имеют собственные обмотки из изолированного провода. По ним протекает электрический ток, создающий магнитные поля со своими полюсами: северным N и южным S.

При взаимодействии этих двух электромагнитных полей создается вращение ротора.

Поскольку к обеим обмоткам необходимо постоянно подводить напряжение, а ротор вращается, то для него смонтировано специальное устройство: коллектор с щеточным механизмом.

Электрическая схема

Для практических работ удобно пользоваться двумя видами ее представления:

Упрощенное отображение

Способ позволяет очень просто представить подключение всех обмоток двигателя к схеме электрической сети.

Выключатель разрывает оба потенциала фазы и нуля или один из них. Через щетки с коллектором создается цепь тока по обмоткам ротора.

Принципиальная схема

В зависимости от конструктивных особенностей обмотки статора и ротора могут иметь дополнительные отводы для питания различных устройств управления и автоматики коллекторного двигателя или обходиться без них.

Термозащита исключает перегревание изоляции обмоток двигателя. Она снимает напряжение питания при срабатывании датчика, останавливая вращение ротора и исполнительного механизма.

Тахогенератор позволяет судить о скорости вращения ротора. У отдельных двигателей его заменяют датчиком Холла. Для передачи сигналов к этим устройствам тоже используются контакты коллекторных пластин.

Проблемные места конструкции

Чаще всего неисправности могут возникнуть в:

• подшипниках:
• щеточном коллекторном узле;
• слое изоляции обмоток и проводов.

Подшипники

Их расположение выполняется по краям ротора с таким условием, чтобы максимально передавать осевую нагрузку крутящего момента.

У обычного бытового инструмента они могут повреждаться по двум основным причинам:

1. от неправильного приложения нагрузки:
2. в результате загрязнения.

Направления приложенных усилий

Подшипники бытового электроинструмента, как правило, не предназначены для восприятия боковых нагрузок. От частого их приложения, например, когда при работе дрелью нагружают не конец сверла, а прорезают щелевые отверстия его боком, на подшипниковый механизм передаются биения вала, создающие дополнительные люфты шариков в обоймах.

Работа в загрязненной среде

Коллекторный двигатель имеет воздушную систему охлаждения. Крыльчатка, надетая на ротор, забирает воздух через специальные щели в кожухе двигателя и прогоняет его по всему корпусу для отвода излишнего тепла от нагревающихся обмоток. Теплые потоки выбрасываются через специальные отверстия.

Если в помещении создана пыльная среда, то она будет засасываться внутрь корпуса и проникнет на подшипники и коллекторно-щеточный механизм. Возникнет абразивное воздействие на соприкасающихся при вращении частях, их преждевременный износ, а также нарушение электрической проводимости на контактах щеток.

Использование коллекторного двигателя не по назначению, например, сбор потока строительной пыли бытовым пылесосом вместо строительного, наиболее частая причина его поломки.

Отчего искрят щетки

Конструктивные особенности

При работе двигателя происходит постоянное трение щеток о контактные пластины коллектора, что требует периодического осмотра.

На рабочих поверхностях медных площадок появляется незначительный слой угольной пыли, как показано на фотографии. Это связано с расходом материала и износом щеток.

Этот процесс идет всегда при работе коллекторного двигателя. Даже при нормальном скольжении щетки создается незначительный разрыв цепи электрического тока. А это всегда связано с искрообразованием из-за возникновения переходных процессов и появлением микроскопических дуг. К тому же обмотки обладают высоким индуктивным сопротивлением.

Поэтому полностью исправный щеточный механизм при номинальной работе искрит, что не заметно взглядом, но ощущают чувствительные электронные приборы: телевизоры, компьютеры и другая техника. В схему их питания всегда устанавливают помехоподавляющие фильтры. Примером служит приведенная на сайте электрическая схема микроволновой печи с выделенным фрагментом зеленого цвета.

Износ материала щеток

Прижимаемая к коллекторной пластине токоведущая часть выполнена из угля. Ее объём изнашивается, а длина уменьшается. При этом ослабляется усилие нажима, создаваемое расправляемой пружиной.

Этот процесс может учитывается или не приниматься во внимание в разных конструкциях коллекторных двигателей.

Раритетные образцы

На старом двигателе выпуска 1960 года, приведенном в качестве примера, сжатие пружины осуществляется усилием завинчивания диэлектрической крышки.

Процесс установки щетки показан ниже.

Двигатель пылесоса

Описанная в статье об изготовлении самодельного триммера конструкция щеточного механизма имеет винт фиксации корпуса щетки.

Его установка показана на очередной фотографии. Обратите внимание, что сама щетка неоднократно стачивалась в процессе длительной работы и заменялась выточенным из угольного электрода батарейки по форме предыдущей.

При самостоятельном изготовлении щеток обращайте внимание на плотность ее входа в гнездо и перпендикулярное положение к оси вала. Если она будет меньшего размера, то при работе возникнет перекос. Он приведет к излишнему искрению и снижению ресурса двигателя.

Поэтому желательно использовать заводские щетки от производителя.
Существуют и другие технические решения этого вопроса.

Как проверить степень износа щетки

Основной метод связан с визуальным осмотром. В интернете можно встретить советы, рекомендующие прижать при работе двигателя щетку отверткой и оценить изменение оборотов ротора.

Это опасная операция, выполнять которую может только обученный и опытный персонал потому, что:

• необходимо пользоваться защитными средствами: работа выполняется под напряжением;
• существует вероятность создания короткого замыкания, ибо проверять придется обе щетки по очереди или одновременно и использовать отвертки с изолированными стержнями и наконечниками.

Если внешний осмотр показал, что длина щетки сильно уменьшена или рабочая поверхность имеет сколы, то ее необходимо просто заменить.

Загрязненный коллектор

Образование излишнего слоя угольной пыли с хорошими токопроводящими свойствами на пластинах может стать причиной их замыкания. Необходимо ее удалять не только с внешней поверхности, но и из промежутков между ними.

Графитовую пыль можно стереть слегка смоченной в спирте или бензине мягкой ветошью или убрать тонкой деревянной палочкой.

Когда коллекторные пластины потеряли первоначальную форму и стали с выемками, то их восстанавливают наждачной шкуркой с самым мелким зерном на токарных станках. Это сложная операция, требующая специального оборудования, но она способна продлить ресурс коллекторного двигателя.

Межвитковые замыкания в обмотках

Их образование на статоре или роторе резко снижает индуктивное сопротивление, ведет к появлению дополнительных искр между различными секциями коллектора и щеток. Возникает дополнительный перегрев.

Обмотка ротора

Поврежденную секцию в отдельных случаях можно наблюдать визуально по изменению цвета. Для выполнения электрических замеров потребуется точный омметр. Технологию проверки демонстрирует видео владельца altevaa TV “Проверка якоря коллекторного двигателя”.

Ремонт поврежденной обмотки ротора — операция сложная. Иногда проще купить новый.

Обмотка статора

Неисправность можно выявить замером активной составляющей электрического сопротивления по мостовой схеме у каждой полуобмотки. Но это тоже довольно сложно.

Пробой диэлектрического слоя изоляции

Кратко коснемся причин образования дефектов и защитных устройств, которыми необходимо пользоваться.

Как возникают неисправности

Медные провода жил всех обмоток покрыты слоем лака, который может повреждаться от:

• неосторожно приложенных механических нагрузок;
• при повышенной температуре.

От этих же факторов возникают дефекты изоляции питающих проводов с полихлорвиниловым покрытием.

В результате этих воздействий появляются следующие неисправности электрической схемы:

• межвитковое замыкание, создающее дополнительный путь для протекания тока утечек, который значительно снижает рабочие характеристики двигателя;
• короткое замыкание, способное выжечь провода.

Защитные устройства

Термореле

Встроенная во многие коллекторные двигатели функция защиты от перегрева работает автоматически. Когда оборудование отключается от его частой работы, то необходимо искать причину завышения температуры. К сожалению, часть пользователей старается заблокировать термореле. Это приводит к поломке с трудно восстанавливаемым ремонтом.

Автоматический выключатель

Ликвидация короткого замыкания и перегруза внутри электрической схемы двигателя возложена на бытовой автомат, питающий силовую розетку. Он устанавливается в квартирном щитке и по своим техническим характеристикам должен соответствовать рабочему и аварийному режиму коллекторного двигателя.

Без защиты налаженным автоматическим выключателем пользоваться инструментом с коллекторным двигателем опасно для жизни.

УЗО предотвращает стекание потенциала фазы через тело человека на землю. Оно тоже устанавливается в квартирном щитке.

Для закрепления материала рекомендуем посмотреть ролик владельца slavnatik “Почему искрит болгарка”.

Напоминаем, что сейчас вам удобно задать вопросы в комментариях и поделиться статьей с друзьями в соц сетях.

Источник

Принцип работы универсального коллекторного двигателя

Коллекторный двигатель постоянного и переменного тока

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 U_K 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.

Применение универсального коллекторного двигателя 220В

Практически все виды электрооборудования оснащены мощными элементами с механической коммутацией. Их слаженная работа зависит от универсального коллекторного двигателя, который прекрасно справляется с различными нагрузками. Но чтобы такой агрегат исправно служил, нужно тщательно изучить не только его конструктивные особенности, но и принцип действия.

Краткая характеристика устройства

Специалисты привыкли называть коллекторным двигателем те электрические машины, где переключатель тока и датчик ротора — это один и тот же элемент. Именно он обеспечивает надёжное соединение разных цепей в неподвижном отсеке агрегата с ротором.

Его конструкция состоит из мощных щёточек (это специфические контакты скользящего типа, которые расположены возле вращающейся части мотора) и коллектора (эта деталь установлена производителем на движимом узле механизма).

К основным преимуществам такого элемента можно смело отнести то, что высококачественный двигатель прост в уходе и эксплуатации, поддаётся ремонту и имеет большой рабочий ресурс. Среди недостатков сами производители выделяют то, что агрегат имеет небольшой вес и большой процент КПД. Конечно, чаще всего два этих показателя являются положительными, но не в этой ситуации.

Сочетание быстроходности (может достигать нескольких тысяч оборотов в минуту) и низкой массы чревато тем, что для нормальной эксплуатации потребителю нужно дополнительно приобретать хороший редуктор. Если же машина будет перестроена на меньшую скорость, то уровень КПД может серьёзно упасть, из-за чего возникают проблемы с качественным охлаждением.

Разновидности модельного ряда

Коллекторный мотор — это вращающаяся электрическая машина переменного тока, которая легко преобразует постоянный ток в механическую энергию. Минимум одна обмотка, которая участвует в этом процессе соединена с главным коллектором.

Практически каждая модель состоит из таких элементов:

1. Качественный статор двухполюсного типа на постоянных магнитах.
2. Профессиональный трёхполюсной ротор на специфических подшипниках с эффектом скольжения.
3. Медные пластины, которые используются в качестве щёток для коллекторного мотора.

Стоит отметить, что этот набор является минимальным, из-за чего часто встречается в бюджетных моделях. Это касается и детских игрушек, где не нужна большая рабочая мощность.

В комплектацию более качественных изделий обычно добавляют ещё несколько элементов:

• Многополюсной ротор на специальных подшипниках качения.
• Четыре щётки из графита, которые представлены в виде коллекторного агрегата.
• Статор с четырьмя полюсами, который состоит из постоянных магнитов.

Такие агрегаты принято использовать в современных автомобилях для обустройства высококачественного привода для вентилятора системы охлаждения и вентиляции, дворников и насосов омывателей лобового стекла. Конечно, в продаже можно встретить и более сложные агрегаты, которые отличаются не только эксплуатационными характеристиками и сферой применения, но и ценой.

Если мощность электродвигателя находится в пределах нескольких сотен ватт, то в его комплектацию обязательно входит четырехполюсной статор, который изготовлен из специальных магнитов. А вот качественное подключение обмотки может быть выполнено по одному из следующих способов:

• Параллельно. В условиях колеблющейся нагрузки все обороты остаются стабильными, но вот максимальный момент немного снижен.
• Последовательно с ротором. Этот вариант отличается тем, что максимальный момент приобретает довольно внушительные показатели, но присутствует большой риск поломки мотора, так как агрегат эксплуатируется пользователем на больших оборотах.
• Независимое возбуждение от отдельного источника питания. Для этой ситуации используются те же самые характеристики, которые свойственны параллельному типу подключения. Стоит отметить, что этот вариант применяется специалистами крайне редко.
• Смешанный тип возбуждения, когда определённая часть имеющейся обмотки подключается последовательно, а вторая часть — параллельно. В этой конфигурации удачно совмещены все преимущества предыдущих вариантов. Такой тип подключения идеально подходит для автомобильных стартеров.

Но известные производители предусмотрели наличие универсальных коллекторных двигателей. Ключевая их особенность состоит в том, что они отлично работают как на постоянном, так и на переменном токе. Их активно эксплуатируют в бытовой технике, электроинструментах, а также в составах железнодорожного транспорта.

Такая популярность обусловлена тем, что они имеют достаточно небольшой вес и размер. Помимо этого, их цена более чем доступна и каждый пользователь может самостоятельно установить необходимое для работы количество оборотов. За счёт этого коллектор электродвигателя относится к категории устройств переменного тока, он показывает отличные результаты и с нестабильными источниками энергии.

Составляющие элементы конструкции

Чтобы максимально правильно разобраться с особенностями устройства коллекторного электродвигателя, нужно изучить все комплектующие детали этого агрегата. Ведь само устройство представлено в виде прибора постоянного тока, где присутствуют последовательно включённые обмотки возбуждения. Они предназначены для работы на переменном токе бытовой электросети.

В независимости от полярности двигатель всегда вращается только в одну сторону. Такая особенность связана с тем, что последовательное соединение обмоток ротора и статора приводит к одновременной смене магнитных полюсов. В результате этого результирующий момент направляется исключительно в одну и ту же сторону.

Высокая эффективность использования коллекторного электродвигателя обусловлена наличием следующих элементов:

• Статор — это неподвижная часть установки.
• Якорь — неотъемлемая деталь коллекторного агрегата, в котором происходит индуктирование электродвижущей силы и протекает ток нагрузки. Стоит отметить, что в качестве якоря может выступать как статор, так и ротор.
• Индуктор — специализированная система возбуждения. Эта деталь создаёт магнитный поток для своевременного образования крутящегося момента. Индуктор обязательно оснащается обмоткой возбуждения или же постоянными магнитами. Сама деталь может выступать в качестве неотъемлемой части статора или ротора.
• Ротор — вращающийся элемент машины.
• Коллектор — базовая часть мотора, которая контактирует со щётками (две эти детали распределяют электрический ток по катушкам обмотки якоря).
• Щётки — это составляющая часть цепи, по которой передаётся электроэнергия от источника питания к якорю. Эти элементы выпускаются из прочного графита. Двигатель постоянного тока может содержать от одной пары щёток и более.

Функциональные возможности мотора

Схема устройства коллекторного двигателя прекрасно демонстрирует, как этот агрегат преобразует электричество в механическую энергию и в обратном порядке. Это говорит о том, что такое устройство может использоваться даже в качестве генератора. Когда ток проходит сквозь проводник, который расположен в магнитном поле, то на него воздействуют определённые силы. При этом активно работает правило правой руки, оказывающее непосредственное влияние на итоговую мощность двигателя. Коллекторный агрегат функционирует именно по такому принципу.

В стандартной схеме чётко показано, что в магнитное поле помещена одна пара проводников, ток которых направлен в разные стороны так же, как и силы. Образуемая ими сумма даёт необходимый для оборудования крутящийся момент. В коллекторном двигателе производители добавили ещё и целый комплекс дополнительных узлов, которые гарантируют идентичное направление тока над полюсами.

За счёт того, что на якоре расположено ещё несколько катушек, полностью устранилась неравномерность хода. Помимо этого, у мастеров больше нет необходимости задействовать постоянный ток, так как обычные магниты были заменены на более мощные катушки. На финальном этапе производства крутящийся момент принял единое направление.

Плюсы и минусы эксплуатации

Для сравнения квалифицированные специалисты использовали следующие параметры: оба агрегата подключили к домашней электросети с частотой 50 Гц и напряжением 220 В. Мощность мотора устройств полностью идентична. Итоговая разность в механических параметрах может выступать как огромный плюс, так и как минус (всё зависит только от того, какие требования предъявляет пользователь к приводу).

Коллекторный двигатель обладает следующими преимуществами над агрегатом постоянного тока:

1. Меньший показатель пускового тока, что особенно важно для той техники, которая используется потребителями в быту.
2. Агрегат можно включать напрямую в сеть, полностью отсутствует необходимость в установке вспомогательных приспособлений. А вот агрегат с постоянным током нуждается в непрерывном выпрямлении.
3. Быстроходность и полное отсутствие зависимости от сетевой частоты.
4. Если есть управляющая схема, то устройство коллектора получается более простым — тиристор и реостат. Когда электронная деталь выходит из строя, то сам агрегат остаётся в рабочем состоянии (но будет эксплуатироваться на полную мощность).

Не стоит забывать о недостатках, которые должны быть тщательно изучены каждым потребителем ещё до покупки агрегата. Только в этом случае можно быть уверенным в соответствии устройства всем предъявленным требованиям.

Коллекторный электродвигатель обладает следующими минусами:

1. Общий процент КПД существенно снижен, так как присутствует индуктивность и потери на перемагничивание статора.
2. Существенно уменьшен максимальный крутящийся момент.
3. Относительно небольшая надёжность и непродолжительный эксплуатационный срок.

Любые изменения в настройках возможны только в том случае, если в агрегате предусмотрено наличие регулятора оборотов. Разное количество подаваемой электроэнергии может менять этот показатель всего на 10%. В то время как качественный регулятор оборотов позволяет уменьшить их количество в несколько раз. Сделать такое приспособление можно самостоятельно или купить в специализированном магазине. Но нужно проверить, сможет ли оно работать в коллекторе с определённой мощностью и количеством оборотов. Если же регулятор будет слабым, то он просто сломается.

Ремонт двигателя в домашних условиях

Как и любое другое устройство, коллектор может выйти из строя в самый неподходящий момент. Если электродвигатель не набирает заданное количество оборотов или же после старта не начинает крутиться вал, тогда нужно проверить работоспособность предохранителей. Проблема также может быть вызвана обрывом в цепи якоря и перегрузкой устройства. Довольно часто нерациональное использование агрегата приводит к потреблению силы тока повышенного значения. Устранить эту неисправность можно только после осмотра тормоза и механической части.

Если во время работы агрегат не выдаёт номинальное количество оборотов, то это может быть вызвано недостаточным сетевым напряжением, перегрузкой, а также большим возбуждающим током. Если пользователь заметил неработоспособность обратного типа, тогда необходимо проверить электрическую цепь, а также устранить все образовавшиеся дефекты. В некоторых случаях агрегат начинает функционировать только после перемотки двигателя.

Когда устройство не работает из-за ошибочного сопряжения параллелей и последовательной обмотки возбуждения, тогда пользователю необходимо восстановить правильный порядок соединений.

Не стоит забывать о регулярной проверке величины напряжения в электросети, так как обороты двигателя могут существенно возрастать.

Принцип работы универсального коллекторного двигателя

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.

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;

• 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.

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;

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.

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.

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.

Универсальные коллекторные двигатели

Универсальные коллекторные двигатели — это электродвигатели малой мощности последовательного возбуждения с секционированной обмоткой возбуждения, благодаря чему они могут работать как на постоянном, так и на переменном стандартных напряжениях примерно с одинаковыми свойствами и характеристиками. Такие электродвигатели используют для привода маломощных быстроходных устройств и многих бытовых приборов. Они допускают простое, широкое и плавное регулирование скорости.

По своему устройству эти двигатели отличаются от двигателей постоянного тока общего применения конструкцией статора, магнитную систему которого собирают из топких изолированных друг от друга листов электротехнической стали с выступающими полюсами, на которых размещают по две секции обмотки возбуждения. Эти секции соединяют последовательно с якорем и располагают по обе стороны от его выводов, что снижает радиопомехи от ценообразования на коллекторе под щетками, которое при питании двигателя от сети переменного напряжения особенно усиливается из-за существенного ухудшения условий коммутации.

В зависимости от конструкции двигателя обмотка возбуждения может быть соединена с якорем внутри машины или может иметь самостоятельные наружные зажимы, что удобнее для изменения направления вращения якоря путем перемены мест проводов, подходящих к его зажимам или к зажимам обмотки возбуждения. Якорь универсальных двигателей устроен так же, как и якорь машин постоянного тока, а обмотка его присоединена к коллекторным пластинам, к которым прижаты щетки.

Пуск этих двигателей выполняют непосредственным включением в сеть постоянного или переменного напряжения, которое соответствует номинальному напряжению, указанному в ее табличке.

Скорость якоря универсального коллекторного двигателя последовательного возбуждения прямо пропорциональна напряжению на его зажимах и обратно пропорциональна амплитуде магнитного потока, зависящей от нагрузки на валу электродвигателя.

Механические характеристики у таких электродвигателей отличаются в зависимости от того на каком напряжении (переменном или постоянном) работает электродвигатель, так как при питании от сети постоянного напряжения присутствует только падение напряжения, созданное сопротивлениями обмоток возбуждения и якоря постоянному току, в то время как при присоединении к сети переменного напряжения возникает еще значительное индуктивное падение напряжения на обмотках возбуждения и якоря. Кроме этого, при переменном токе при малой скорости якоря имеет место значительный сдвиг фаз между напряжением и током, что резко снижает момент на валу двигателя.

Для получения примерно одинаковых механических характеристик на переменном и постоянном токе включают секционированную обмотку возбуждения двигателя на постоянный ток полностью, а при включении на переменный ток — частично, для чего двигатель присоединяют к соответствующей сети зажимами с обозначениями «+» и » — » или зажимами с обозначениями «

При номинальных режимах, отвечающих питанию от сети постоянного и переменного напряжений, номинальная скорость якоря одинакова. Однако при перегрузке двигателя, присоединенного к сети переменного напряжения, скорость якоря уменьшается сильнее, а при разгрузке возрастает быстрее, чем при работе его от сети постоянного напряжения.

При холостом ходе скорость якоря может превысить номинальную в 2,5 — 4 раза и выше, а это не допустимо из-за значительных центробежных сил, которые могут разрушить якорь. По этой причине режим холостого хода допустим только для двигателей малой номинальной мощности с относительно большими механическими потерями, ограничивающими скорость якоря. Двигатели с незначительными механическими потерями всегда должны нести нагрузку не менее 25% номинальной.

Регулирование скорости якоря осуществляют изменением напряжения на зажимах машины, а также шунтированием обмотки возбуждения или обмотки якоря резистором. Из этих способов полюсное регулирование, осуществляемое параллельным включением обмотки возбуждения регулируемого резистора, является наиболее экономичным.

Основным преимуществом универсальных коллекторных двигателей по сравнению с асинхронными и синхронными двигателями является то, что они развивают значительный начальный пусковой момент благодаря последовательной обмотке возбуждения и позволяют без применения повышающего редуктора получить скорость якоря значительно выше синхронной.

Быстроходность универсальных коллекторных двигателей ограничивает их размеры и массу.

Номинальный к. п. д. этих машин зависит от их номинальной мощности, быстроходности и рода тока. Так, у двигателей номинальной мощностью от 5 до 100 Вт он составляет от 0,25 до 0,55, а в машинах номинальной мощностью до 600 Вт его значение доходит до 0,70 и выше, причем работа двигателей на переменном токе всегда сопровождается пониженным к. п. д., что вызвано повышенными магнитными и электрическими потерями. Номинальный коэффициент мощности этих двигателей составляет 0,70 — 0,90.

Устройство и принцип работы электроинструмента

Содержание:

1. 1. Коллекторный электродвигатель постоянного тока
1. 1.1. Принцип действия
2. 1.2. Недостатки
2. 2. Бесколлекторный двигатель
3. 3. Редуктор
1. 3.1. Особенности редукторов
4. 4. Устройства управления
5. 5. Для безопасной работы

Двигатель, редуктор, устройства управления и детали для безопасной работы — вот основные узлы каждого электроинструмента. Для ручной машины важно, что бы она была как можно легче и меньше. Кроме того, от нее требуется высокая скорость, которую можно регулировать. Этим условиям отвечают двигатели постоянного тока. Они подразделяются на коллекторные и вентильные.

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Что бы понять, как электрическая энергия превращается в механическую, познакомимся с устройством двигателя. Его основные узлы: статор (индуктор), ротор (якорь) и примыкающий к нему щеточноколлекторный узел.

Статор — неподвижная стальная деталь, к которой прикрепляются главные и добавочные полюсы. Обмотка главных полюсов создает магнитное поле, а добавочная улучшает работу коллектора.

Вращающийся ротор устанавливается на валу. Он состоит из сердечника и обмотки. Ее концы соединяются с пластинами коллектора, к которому, в свою очередь, примыкают щетки — через них обмотка якоря соединяется с внешней цепью. Щетки занимают определенное положение по отношению к полюсам двигателя. В некоторых электроинструментах имеется поворотный щеткодержатель-траверса, благодаря ему положение щеток можно изменять. Это позволяет сохранить мощность при работе в режиме реверса. В остальных случаях вращение в обратном режиме включают электронные магнитные пускатели.

Принцип действия

Двигатель работает за счет электромагнитной индукции. При подаче напряжения на графитовые щетки, они замыкаются с ротором. По его обмотке проходит электрический ток. Так как ротор находится внутри магнитного поля статора, на него начинают действовать силы Ампера. На концах якоря они направлены в противоположные стороны, что создает крутящий момент. Ротор поворачивается на 180°. В этот момент крутящий момент становится равным нулю. Что бы вращение продолжалось необходимо переключить направление тока — провести коммутацию. По коллектору, который начал вращаться вместе с ротором, скользят щетки, в нужный момент они переходят с одной пластины на другую, меняя направление тока в обмотках ротора.

Частота вращения двигателя регулируется за счет изменения магнитного поля статора, которое в свою очередь генерируется током возбуждения двигателя. На этот ток можно повлиять реостатом, транзистором, т. е. любым устройством с активным сопротивлением. Таким образом, осуществляется электронная регулировка скорости.

Недостатки

Слабое место коллекторного двигателя — графитовые щетки, в процессе эксплуатации они истираются. При интенсивной нагрузке их приходится часто заменять. Кроме того, такой двигатель шумит и вибрирует во время работы, особенно на больших скоростях. Бороться с этими недостатками помогает использование в конструкциях качественных деталей и внешних антивибрационных элементов.

Бесколлекторный двигатель

Существует вид двигателей постоянного тока, в которых отсутствует щеточно-коллекторный узел. Ток в них изменяется с помощью электронных переключателей, что избавляет конструкцию от наличия щеток. Такие моторы называют вентильными. Принцип их работы аналогичен описанному выше. От коллекторных их отличает конструкция: магниты размещены на роторе, а обмотка на статоре.

Датчик углового положения ротора указывает электронному блоку, когда нужно менять направление тока. Единственный недостаток вентильного двигателя — дорогостоящие детали. По этой причине в ручных электроинструментах в основном используются коллекторные двигатели, с вентильным — лишь единичные модели: компании Makita и Hitachi предлагают аккумуляторные ударные шуруповерты, называя их инструментами будущего.

Редуктор

Механическую энергию, которую вырабатывает двигатель, нужно передать на рабочий орган машины (шпиндель). Эту функцию выполняет редуктор. Часто его называют понижающим. Скорость вращения входного вала высокая, механическая передача (одна или несколько) преобразует ее так, что на выходном валу получается меньшее число оборотов, но высокий крутящий момент.

В ручных машинах применяют разнообразные виды механических передач: зубчатая, ременная, цепная, планетарная. В большинстве случаев на выходе получается вращение. Но есть инструменты, в которых этот вид движения преобразуется в другой.

Ударный механизм перфоратора работает следующим образом. На валу установлен «пьяный» подшипник — качающийся привод, которой преобразует вращательное движение от двигателя в поступательное — цилиндра. В пространстве между цилиндром, поршнем и бойком, находится воздух. Он сжимается и заставляет поршень перемещаться сначала вперед к бойку, а затем возвращает его в исходное положение.

Редуктор электролобзика преобразует вращение вала двигателя в возвратно-поступательное движение ползуна. Расположенный вертикально ползун перемещает пилку вниз и вверх. Пилка опирается на опорный ролик. Наличие функции маятникового хода означает, что опорный ролик и вилка, на которой он держится, могут отклоняться назад. В результате пилка, кроме основного, совершает движение вперед и назад. Это увеличивает скорость прямолинейного реза. Ступени маятникового хода задаются степенью отклонения ролика.

В вибрационных шлифмашинах эксцентрик, установленный на валу, так преобразует вращательное движение, что подошва всего лишь колеблется с маленькой амплитудой. В эксцентриковых шлифовальных машинах вращательное движение рабочего органа сохраняется, но эксцентрик добавляет ему колебания. Такие преобразования позволяют выполнять с помощью этих инструментов тонкую шлифовку.

Особенности редукторов

Для пользователя имеет значение, из каких деталей изготовлен редуктор, от этого зависит его надежность и срок службы всего электроинструмента. В моделях бытового класса часто используются шестерни из пластмассы, в профессиональных — редуктор полностью металлический. Преимуществом считается, если и корпус то же выполнен из металла. В этом случае инструмент лучше выдерживает большие нагрузки и удары.

Важной функцией, которую может выполнять редуктор, является ступенчатое изменение частоты вращения выходного вала. Она доступна на отдельных моделях дрелей, шуруповертов. Механическое переключение скоростей позволяет работать с меньшей скоростью и большим крутящим моментом на первой передаче и с более высоким числом оборотов — на второй. Если сравнить технические характеристики в цифрах, то можно сразу заметить, что инструменты с двухскоростным (трехскоростные встречаются редко) редуктором отличаются большим числом оборотов по сравнению с обычными моделями, в которых обороты регулируются только электроникой. Эта особенность обеспечивает высокую производительность и оптимальный подбор режима работы.

Устройства управления

Для питания двигателя в электроинструментах используются различные схемы, в том числе микропроцессорные электроприводы. Обязательным элементом любой системы является выпрямитель. Он преобразует переменный ток сети в постоянный, который подается на электродвигатель. В аккумуляторных инструментах, которые питаются от батарей, выпрямитель не требуется.

Скорость вращения регулирует преобразователь частоты. Самый простой его вариант — это несколько реле, с помощью которых число оборотов можно установить вручную. В систему так же могут входить магнитные пускатели с кнопкой для изменения направления вращения двигателя (функция реверса). Устройство управления двигателем размещают под рукояткой или вблизи нее, где на корпус выводятся курок-выключатель, колесико регулировки скорости, кнопка реверса.

Для безопасной работы

К ручным инструментам предъявляются особые требования, связанные с безопасностью работы. Электропроводящие детали покрывают специальным материалом для защиты пользователя от поражения током. Многие производители, кроме основной изоляции, на случай ее повреждения, применяют дополнительную, получая, таким образом, двойную. Остальные защитные устройства, такие как муфты, фиксаторы применяются в зависимости от вида инструмента.

Трехфазный коллекторный электродвигатель с питанием со стороны ротора

Количество типов коллекторных электродвигателей переменного тока довольно значительно. В этой статье мы рассмотрим только трехфазные коллекторные электродвигатели с питанием со стороны ротора (Шраге).

Трехфазный коллекторный двигатель с питанием со стороны ротора фактически является индукционным электродвигателем (асинхронным) с вращающимся магнитным потоком, во вторичный контур которого вводят добавочную ЭДС.

Как происходит регулирование скорости можно понять из следующего. При постоянном статическом моменте нагрузки М_с = const и при постоянном напряжении в сети U₁ магнитный поток будет постоянен. В таком случае ток ротора асинхронной машины будет равен:

Если ввести добавочную ЭДС в цепь ротора, то его ток будет определятся суммой алгебраической ЭДС роторной цепи:

Для простоты расчета предполагаем, что ЭДС Е_доб действует либо согласно с ЭДС ротора, либо встречно ей. В первый момент времени после введения дополнительного Е_доб ток ротора возрастет, соответственно возрастет и момент, который станет больше М_с. Электродвигатель начнет ускоряться. При увеличении скорости вращения будет падать ток ротора и уменьшатся скольжение. Как следствие – падение момента развиваемого коллекторным электродвигателем. При достижении равенства момента нагрузки и двигателя разгон последнего прекратится. Если пренебречь изменением индуктивного сопротивления обмотки ротора, то при увеличении скорости значение результирующей ЭДС Е_рез будет примерно равна начальному значению ЭДС Е₂S. При введении ЭДС Е_доб встречной  Е₂S произойдет обратный эффект – момент и ток уменьшатся, вследствие чего коллекторный электродвигатель начнет замедляться. Это, в свою очередь, вызовет увеличение скольжения и, вслед за ним, увеличение тока и момента.

Если в ротор ввести Е_доб, которая совпадает по направлению с Е₂S, а по величине превосходит ее, то есть Е_доб> Е₂S, то при увеличении скорости равновесие моментов может иметь место при отрицательном скольжении, то есть на скорости выше синхронной. Векторные диаграммы роторной цепи для всех трех случаев показаны ниже:

При введении в ротор добавочной ЭДС Е₂ под углом 90⁰ она будет оказывать влияние на фазовый сдвиг тока статора:

На фигуре а) показана векторная диаграмма без добавочных ЭДС в цепи ротора, φ₁ – угол сдвига тока статора относительно его напряжения. На фигуре б) показана векторная диаграмма при введении Е_доб, опережающей Е₂S на 90⁰. При этом в роторе вместо Е₂S будет Е_рез, опережающий по фазе Е₂S. Ток ротора немного возрастет, но будет сдвинут на прежний угол φ₂ относительно Е_рез и, как мы можем видеть из диаграммы, уменьшает реактивную часть тока статора. Схема трехфазного коллекторного электродвигателя с питанием со стороны ротора показана ниже:

Первичную обмотку W₁ располагают на роторе и подключают к сети с помощью контактных колец. В верхней части пазов ротора укладывают вспомогательную обмотку W_р, выведенную на коллектор. Вторичную обмотку W_c размещают на статоре. Концы каждой обмотки присоединяют к щеткам коллектора.

Щетки всех трех фаз могут одновременно симметрично сближаться и раздвигаться с помощью специального механизма. Именно с помощью щеток во вторичную обмотку W_c подается Е_доб., индуктируемая магнитным потоком в обмотке W_р. Назначением коллектора в данном случае будет автоматическое преобразование добавочной ЭДС Е₂, индуктируемой  в обмотке W_р частоты сети f₁, в частоту вторичной цепи f₂ = f₁S. Магнитный поток Ф, созданный обмоткой W₁, вращается относительно ротора с синхронной скоростью.  При вращении магнитный поток пересекает витки обмоток W₁, W_p и W_c. В каждой из них будет индуктироваться ЭДС. Е₂, индексирующаяся в обмотке W_c, вызовет появление в ней тока I₂, который, взаимодействуя с магнитным потоком, создает вращающий момент. Под действием этого момента ротор начнет вращаться со скоростью ω_c(1-S) в направлении, обратном вращению магнитного потока. При вращении скорость движения магнитного потока относительно обмотки W_c будет равна:

А частота ЭДС, индуктированной в обмотке W_c, будет f₁S. Частота Е_доб., вводимой во вторичную обмотку W_c, будет определяться разностью скоростей перемещения потенциальной волны Е_доб относительно коллектора и скорости перемещения коллектора относительно неподвижных щеток. Эта разность будет равна:

А частота f_доб = f₁S.

Таким образом, всегда, автоматически, Е_доб будет иметь частоту вторичной цепи.

При симметричном раздвижении щеток относительно оси вторичной обмотки (фигура а)) Е_доб будет направлена встречно ЭДС вторичного контура E₂S, что соответствует снижению скорости.

Для перехода на сверхсинхронную скорость необходимо изменить полярность Е_доб, что достигается раздвижением от оси симметрии обмотки W_c перекрещенных щеток (фигура б)).

При несимметричном сдвиге щеток по коллектору Е_доб будет повернута относительно E₂S на угол α, образованный осью симметрии обмотки W_c, и биссектрисой угла между щетками. В случае, показанном на фигуре в), Е_доб опережает Е₂S на угол α.

Что такое двигатель постоянного тока. Коллекторный двигатель постоянного тока

Доброго времени суток уважаемые читатели! В предыдущих статьях электродвигатели считались переменным током. В этой же статье я расскажу о двигателях, работающих на постоянном токе. Будет рассмотрено их устройство и, немного, история и принцип работы. Давайте начнем.

Принцип действия электродвигателя постоянного тока этих машин основан на отталкивающем эффекте подобного и притягивании противоположных полюсов магнита. Первое подобное устройство придумал русский инженер Якоби.В 38-м году 19 века появилась первая модель промышленного масштаба и с тех пор серьезных изменений в конструкции не происходило.

Коллекторные двигатели постоянного тока

Если брать моторы малой мощности, то в них обязательно присутствует один из магнитов (монтируется непосредственно на кузове автомобиля).

Вторая появляется после подачи питания на обмотку якоря. Для этого используется специальный тип устройства, именуемый узлом коллекторной щетки. Коллектор представляет собой токопроводящее кольцо, которое закреплено на валу двигателя.К нему подключаются выводы обмоток якоря.

Для возникновения крутящего момента необходима постоянная смена полюсов якорного магнита. Это нужно делать в тот момент, когда якорь проходит через «магнитную нейтраль». Конструктивно это осуществляется разделением коллекторного кольца на части (секторы) с помощью непроводящих пластин.

Выводы обмоток якоря цепляются за сектора по очереди. Для соединения коллектора и источника питания используются щетки — стержни из графита с высокой электропроводностью и малым коэффициентом трения о скольжении.

Двигатели большой мощности не поставляются с физическими магнитами из-за того, что это сильно утяжелит их конструкцию.

В этих машинах для создания постоянного магнитного поля используются металлические стержни с обмотками, подключенные к положительной или отрицательной силовой шине. Полюса одного типа подключаются поочередно (последовательно).

Двигатель может иметь одну или четыре пары полюсов. Количество щеток токосъемника должно соответствовать количеству пар полюсов.Для моторов с большой мощностью предусмотрены некоторые конструкторские хитрости. Один из них — переместить щеточный узел на определенный угол по отношению к вращению против пуска двигателя и изменения нагрузки на него.

Это сделано для того, чтобы компенсировать эффект «якорной реакции», который приводит к торможению вала, что приводит к снижению КПД двигателя.

Бесщеточные двигатели постоянного тока

Мы рассмотрели двигатели коллекторного типа. Однако, кроме них, есть еще устройства, не имеющие коллекторов.Двигатели этого типа имеют ротор, на котором установлены постоянные магниты, и статор с обмотками. Есть два типа таких двигателей: Inrunner (с магнитами внутри ротора) и Outrunner (у них есть магниты снаружи, вращающиеся вокруг статора с обмотками).

Автомобили первого типа, как правило, используются в двигателях с большим числом оборотов и малым числом полюсов. Второй тип используется, если вы хотите заполучить двигатель с большим крутящим моментом и низкой скоростью.По конструкции двигатели Inrunner являются наиболее простыми, поскольку их статор может одновременно служить кожухом, и, следовательно, на нем можно устанавливать крепежные устройства.

В двигателях Outrunner вращающаяся часть является внешней частью. Двигатель установлен на неподвижном валу или других частях статора. Если такой двигатель используется как мотор-колесо, то он фиксируется с помощью неподвижной оси и введения проводов статора через его полую ось.

Число полюсов ротора всегда четное.Магниты, используемые в этих двигателях, обычно имеют прямоугольную форму. Иногда, конечно, используются цилиндрические магниты, но это гораздо реже. Магниты устанавливают так, чтобы их полюса чередовались.

Не всегда бывает совпадение количества магнитов и полюсов (может случиться так, что несколько магнитов образуют один полюс).

Размеры магнитов, установленных в двигателях, разные и зависят от самого двигателя и его характеристик. Мощность используемых магнитов зависит от момента силы, развиваемой на валу.

Магниты крепятся к ротору с помощью специального клея (есть, конечно, варианты с магнитными держателями, но гораздо реже). Сам ротор может быть выполнен как из магнитопроводящего материала (сталь), так и из немагнитопроводящего (алюминиевые сплавы, пластмасса и т. Д.), А также из комбинированного.

Обмотки трехфазных двигателей без коллектора намотаны медным проводом. Проволока бывает одножильной и многожильной. Статоры этих двигателей изготовлены из гнутых листов стали, которая является токопроводящей.

У статора должно быть столько зубцов, чтобы их количество делилось на количество рабочих фаз. Статор может иметь такое количество зубцов, что оно больше и меньше полюсов ротора.

Самый простой двигатель с тремя полюсами статора. Однако такая конструкция используется очень редко (так как в любой момент времени работает всего пара фаз, в результате чего возникает вибрация и искажения). Чтобы избавиться от этих неприятных явлений, делается много полюсов, а обмотки между ними равномерно распределяются.В этом случае дисбаланса магнитных сил нет.

Кроме того, такие двигатели могут быть оснащены или не оснащены датчиками положения ротора. Датчики в большинстве своем работают по принципу эффекта Холла. Они реагируют на магнитные поля и расположены на статоре так, что магниты ротора действуют на них (то есть под углом 120 градусов между собой). Естественно, это 120 электрических градусов.

Датчики могут располагаться как внутри, так и снаружи двигателя. Второй способ можно укомплектовать двигателями, изначально не имеющими датчиков.

Иногда датчики надеваются на специальное устройство, допускающее небольшое перемещение датчиков. При этом, если требуется реверс такого двигателя, то устанавливается второй комплект датчиков Холла, настроенных на противоположное направление вращения.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что то упустил. Загляните, буду рад, если найдете на моем еще что-нибудь полезное. Всего наилучшего.

Характерной особенностью коллекторных машин является наличие в них коллектора — механического преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот.Необходимость такого преобразователя объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, поскольку только в этом случае в машине происходит непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии.

К коллекторным машинам постоянного тока относятся двигатель постоянного тока dpt и генератор постоянного тока , которые имеют одинаковую конструкцию и могут заменять друг друга, то есть DPT может работать как GPT и наоборот. Разберем устройство коллекторной машины на примере двигателя постоянного тока.

Коллекторная машина постоянного тока состоит из:

Конструктивно статор может быть двух типов:

• сборные — состоит из одинарной вытянутой трубы и прикрепленной к ней внутри опор. Сердечник опоры изготавливается в виде стального прутка или из многослойных пластин 0,5-1 мм. Обмотка полюса наматывается на сердечник. Обмотки полюсов соединены последовательно и образуют обмотку возбуждения, которая при подключении к источнику постоянного тока создает магнитное поле в магнитной системе двигателя.
• твердые смешанные — применяется в машинах мощностью от 600 Вт и более. Он состоит из пакета пластин электротехнической стали сложной конфигурации толщиной 0,35 — 0,5 мм.

Устройство щеточно-коллекторное разветвленное.

Самым сложным и ненадежным местом коллекторной машины является щетка коллекторного узла , который состоит из щеток (которые прикреплены к держателям щеток) и коллектора, который состоит из набора трапециевидных пластин коллектора, разделенных миканитовыми прокладками.Пластины из меди и миканита удерживаются в сжатом состоянии внизу, имеющим форму «ласточкин хвост», с помощью стальных конических колец 1 (рис. 13.2). Выступающая часть пластин коллектора 6, называемая «петушком», служит для крепления секций обмотки якоря к пластинам коллектора. Пластины коллектора изолированы от конических колец миканитовыми манжетами 3, а от втулки 5 — изолирующим цилиндром из миканита 4.

Поверхность медных пластин коллектора в процессе работы станка постепенно истирается щетками.Чтобы миканитовые прокладки не выступали над рабочей поверхностью медных пластин, что могло привести к нарушению электрического контакта коллектора со щетками, необходимо периодически проводить «продороживание» коллектора. Эта операция заключается в фрезеровании канавок (дорожек) между рабочими поверхностями пластин коллектора на глубину 1,5 мм (рис. 13.4).

Достоинства и недостатки коллекторных машин постоянного тока.

Электрические машины постоянного тока используются как в качестве генераторов, так и в качестве двигателей.Наибольшее распространение получили электродвигатели постоянного тока, диапазон мощности которых достаточно широк: от долей ватта (для привода устройств автоматики) до нескольких тысяч киловатт (для привода прокатных станов, шахтных подъемников и других крупных механизмов).

Двигатели постоянного тока

широко используются для привода подъемных устройств, таких как двигатели и приводы кранов. автомобиль, а также тяговые двигатели.

Основные преимущества двигателей dC по сравнению с бесщеточными двигателями переменного тока — хорошие пусковые и регулировочные свойства, возможность получения частоты вращения более 3000 об / мин, и ограничения — относительно высокая стоимость, некоторая сложность изготовления, пониженная надежность.Эти недостатки машин постоянного тока связаны с щетками щетками разрывной узел , который также является источником радиопомех и пожароопасности. Но, несмотря на отмеченные недостатки, двигатели постоянного тока в некоторых случаях пока незаменимы, поскольку обладают большой перегрузочной способностью, хорошими пусковыми и регулировочными свойствами.

Исторически первый электродвигатель работал на постоянном токе, поскольку на момент его изобретения в 1834 году Борисом Якоби единственным источником тока были гальванические батареи.

Принцип работы двигателя постоянного тока прост: в простейшем случае он имеет одну пару полюсов на статоре и роторе, а направление тока в обмотке ротора дважды за оборот меняют с помощью специального устройства — коллектор, представляющий собой набор пластин, соответствующий количеству обмоток ротора.

При вращении ротора различные секции обмотки соединяются последовательно через щетки с внешним источником постоянного тока. Поскольку электродвигатель с биполярным ротором имеет две мертвые точки, в которых запуск без внешнего импульса невозможен (полюса ротора находятся точно напротив полюсов статора, и результирующая сила отталкивания равна нулю), на практике используются только многополюсные роторы. .Кроме того, увеличение числа полюсов увеличивает равномерность вращения ротора.

Подключение обмотки якоря может быть различным:

Независимое.

Обмотка ротора не имеет прямого соединения со статором, это соединение используется в схемах с регулированием скорости.

Серийный.

Обмотка якоря последовательно соединена со статором. При увеличении нагрузки на серийно-электродвигатель обороты у него резко падают (но увеличивается крутящий момент), при уменьшении нагрузки возможен междурядье.По этой причине последовательное возбуждение не используется там, где возможен холостой ход двигателя. Классический пример серийного двигателя — автомобильный электростартер.

Шунт

Якорь подключается параллельно статору. В случае перегрузки крутящий момент на роторе не меняется, при отсутствии нагрузки разъединение не происходит.

Смешанный.

Якорь имеет две обмотки, соединенные последовательно со статором и параллельно ему. По электромеханическим характеристикам составные электродвигатели находятся между последовательными и параллельными — они способны повышать крутящий момент при увеличении нагрузки и в то же время не склонны к холостому ходу.

Составное возбуждение часто используется в электроинструментах, где необходимо ограничить максимальную скорость и сопротивление росту нагрузки.

В зависимости от взаимного направления магнитных потоков обеих обмоток различают прямое и обратное смешение: при обратном включении и правильной конструкции ротора можно поддерживать стабильные обороты при изменении нагрузки, но эта схема склонна к периодическим колебания скорости вращения.

Магнитное поле статора постоянно, поэтому статор может быть выполнен из мощных магнитов без обмотки.Это снижает стоимость меди для производства электродвигателя и снижает его стоимость.

Сфера применения двигателей постоянного тока — это в первую очередь устройства и системы с батарейным питанием: от микромоторов карманных игроков до мощных автомобильных электростартеров, тяговых двигателей легких электромобилей и электромобилей, а также электроинструментов с батарейным питанием.

При всех своих достоинствах (простота устройства, высокий КПД, простота реверса) двигатели постоянного тока имеют ряд серьезных недостатков:

1. При вращении ротора в цепи питания возникает импульсный шум в момент приращения ламели коллектора. проходит мимо щеток, к которым добавляются радиопомехи из-за искрения на коллекторе.
2. Сам коллектор и токопроводящие щетки неизбежно изнашиваются. Неравномерный износ ламелей коллектора и изолятора между ними может привести к нарушению контакта между щетками и коллектором, снижению мощности и прогоранию ламелей.
3. В некоторых случаях искрение щеток увеличивается настолько, что возникает так называемое «кольцевое пламя» — непрерывная область ионизированного воздуха, окружающая коллектор, с разрушительными последствиями. Чтобы противодействовать этому, чаще всего применяется принудительная вентиляция зоны коллектора, выводящая ионизированный воздух наружу.

УПРАВЛЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Наиболее очевидный способ управления скоростью двигателя постоянного тока — это изменение тока в его обмотках и, следовательно, магнитного потока. Изначально в силовую цепь ротора был включен мощный реостат, но этот способ управления имел очевидные недостатки:

Сложность автоматического поддержания оборотов.

Двигатель на реостате приводился в действие вручную или с центробежным регулятором.В любом случае резкое увеличение нагрузки не удалось быстро компенсировать.

Большие потери мощности.

На мощных электродвигателях значительно разогревался реостат, что снижало КПД двигательной установки и требовало введения дополнительного охлаждения.

Применение линейного стабилизатора для управления двигателем — это, по сути, замена механического реостата на электронный: путем изменения мощности, рассеиваемой линейным стабилизатором, изменяется ток в обмотках двигателя.

Основным преимуществом данной схемы является возможность создания устройств для поддержания скорости с высокой скоростью реакции. Как известно, при вращении коллектора возникают скачки тока в момент подключения следующей секции обмотки ротора.

Частота этих импульсов строго пропорциональна частоте вращения двигателя, что широко используется в устройствах управления коллекторными двигателями. Например, автомобильный стеклоподъемник автоматически отключает питание мотора, перестая фиксировать пульсации тока в цепи питания стеклоподъемника (обнаружение момента остановки мотора).

Совершенствование силовой электроники и, в частности, создание ключей с низким собственным падением напряжения в открытом состоянии (IGBT, MOSFET) позволило создать электронные системы управления широтно-импульсной модуляцией. Суть широтно-импульсной модуляции (сокращенно ШИМ) заключается в изменении длительности импульсов тока при сохранении их постоянной частоты.

Этот метод регулировки имеет гораздо большую эффективность, поскольку отсутствует элемент, на котором рассеивается чрезмерная мощность, как в случае с реостатом или линейным регулятором напряжения.

Основной проблемой широтно-импульсных цепей является индуктивность обмоток двигателя. Это делает невозможным мгновенное увеличение и уменьшение тока, искажая форму прямоугольного сигнала, подаваемого на электродвигатель. В свою очередь, если каскад питания ШИМ-контроллера неправильно спроектирован, это может привести к перегреву переключателей питания и резкому падению КПД.

ЗАПУСК ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В момент включения двигателя постоянного тока в сеть питания происходит значительный скачок тока, так как пусковой ток электродвигателя в несколько раз (при мощностях, измеряемых в киловаттах — до 20) превышает номинальный.По этой причине прямой пуск электродвигателей используется только на малой мощности.

Распространенный способ снизить нагрузку на сеть при запуске электродвигателей большой мощности — это запуск с реостатом. В этом случае в момент включения двигателя цепь ротора запитывается через мощный резистор или набор резисторов, так как набор оборотов закорачивается специальными контакторами. При этом осциллограмма тока якоря становится близкой к пилообразной, а амплитуда пульсаций зависит от количества ступеней пускового реостата.

В случаях, когда нагрузка на двигатель находится в определенном заранее определенном диапазоне, запуск реостата выполняется в автоматическом режиме с использованием реле времени. Эта схема используется на ряде электропоездов, но также распространены ручные контроллеры, управляемые машинистами.

Отсутствие реостатного пуска — это большие тепловые потери для реостатов, из-за чего они должны иметь большую мощность и в некоторых случаях искусственное охлаждение.

Это лишено запуска за счет изменения напряжения питания, которое используется в тех случаях, когда источником тока можно управлять, например, в электрических передачах постоянного тока: в момент запуска двигатель, приводящий в действие генератор, работает на минимальная скорость, постепенно набирая их по мере разгона.

Управляемые выпрямители также могут использоваться, но этот метод больше применим к двигателям малой мощности.

© 2012-2017. Все права защищены.

Все материалы, представленные на сайте, носят ознакомительный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих или нормативных документов.

Бесщеточные двигатели постоянного тока

в зарубежной литературе также называются клапанными двигателями BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) или PMSM (Синхронный двигатель с постоянными магнитами).
Конструктивно бесщеточный двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками.Обращаю ваше внимание на то, что в коллекторном двигателе, наоборот, обмотки находятся на роторе.

коллекторный и бесщеточный

Давайте сначала узнаем, как работает коллекторный двигатель.

Чтобы понять, почему бесщеточные двигатели настолько эффективны и обладают большой мощностью, вам необходимо знать, как работает стандартный коллекторный двигатель.

Обычные коллекторные двигатели имеют только два провода (положительный и отрицательный), которые соединяют двигатель с регулятором скорости.Внутри корпуса двигателя можно увидеть два изогнутых постоянных магнита, а в центре — вал с якорем, на который намотаны обмотки из медной проволоки. С одной стороны вала якоря установлена ​​шестерня двигателя, с другой стороны вала — так называемый коллектор из медных пластин, через который с помощью угольных щеток подается ток на обмотки якоря.

Коллекторный двигатель

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

Как стандартный коллекторный двигатель начинает вращаться.
Когда обмотки якоря попеременно получают постоянное электричество, в них возникает электромагнитное поле, которое с одной стороны имеет «северный» полюс, а с другой — «южный» полюс.Поскольку «северный» полюс любого магнита автоматически отталкивается от «северного» полюса другого магнита, электромагнитное поле одной из обмоток якоря, взаимодействуя с полюсами постоянных магнитов статора, заставляет якорь вращаться. Ток протекает через коллектор и направляется к следующей обмотке якоря, в результате чего якорь вместе с валом двигателя продолжает вращаться, и так далее, пока на двигатель не будет подано напряжение. Как правило, якорь коллекторного двигателя имеет три обмотки (три полюса) — это не позволяет двигателю застрять в одном положении.
Недостатки коллекторных двигателей выявляются тогда, когда от них нужно получить огромное количество оборотов. Поскольку щетки всегда должны контактировать с коллектором, в точке контакта возникает трение, которое значительно увеличивается, особенно на высоких скоростях. Любой дефект коллектора приводит к значительному износу щеток и выходу из строя контактов, что, в свою очередь, снижает КПД двигателя. Вот почему серьезные гонщики шлифуют и полируют коллектор двигателя и меняют щетки почти после каждой гонки.Коллектор в сборе стандартного двигателя также является источником радиопомех и требует особого внимания и обслуживания.

Теперь посмотрим, как работает бесщеточный двигатель.
Основная особенность конструкции девоколлекторного двигателя в том, что он принципиально похож на коллекторный, но все устроено как бы «наизнанку», и в нем нет коллектора и щеток. Постоянные магниты, которые установлены на коллекторном двигателе на неподвижном статоре, расположены вокруг вала бесщеточного двигателя, и этот блок называется ротором.Проволочные обмотки бесщеточного двигателя расположены вокруг ротора и имеют несколько различных магнитных полюсов. Бессенсорные бесщеточные двигатели имеют датчик на роторе, который отправляет сигналы о положении ротора на процессор электронного регулятора скорости.

бесщеточный двигатель

Из-за отсутствия коллектора и щеток в бесщеточном двигателе отсутствуют изнашиваемые детали, кроме шарикоподшипников ротора, что автоматически делает его более эффективным и надежным.Наличие датчика контроля вращения ротора также значительно повышает эффективность. В коллекторных двигателях отсутствует искрение щеток, что резко снижает возникновение помех, а отсутствие узлов с повышенным трением благоприятно сказывается на температуре работающего двигателя, что также увеличивает его КПД.
Единственный возможный недостаток бесщеточной системы — это немного более высокая стоимость, но любой, кто испытал высокую мощность бесщеточной системы, почувствовал красоту отсутствия необходимости периодически заменять щетки, пружины, коллекторы и анкеры, он быстро оценит общую экономия и никогда не возвращаются к коллекторным моторам… никогда!

Помимо основных размеров и различных параметров, бесщеточные двигатели можно разделить по типам: с датчиком и без датчика. Двигатель с датчиком использует очень маленький датчик на роторе и, помимо трех толстых кабелей, по которым двигатель получает питание, имеет дополнительную петлю из тонких проводов, соединяющих двигатель с регулятором скорости. Дополнительные провода передают информацию от датчика о положении ротора сотни раз в секунду.Эта информация обрабатывается электронным регулятором скорости, что позволяет двигателю работать максимально плавно и эффективно. Такие моторы используют профессиональные гонщики, однако такие моторы намного дороже и сложнее в использовании.

Бессенсорная бесщеточная система, как нетрудно догадаться, не имеет датчиков и дополнительных проводов, а ротор таких двигателей вращается без точной регистрации своего положения и оборотов регулятором скорости. Это упрощает изготовление, установку и в целом удешевление двигателя и регулятора скорости.Бессенсорные системы способны обеспечивать такую ​​же мощность, что и сенсорные системы, только с немного меньшей точностью, и это идеальное решение для любителей и новичков.

Принцип действия коллекторного электродвигателя (рис.) Основан на следующем: если между полюсами постоянного магнита (или электромагнита) поместить проводник с током — прямоугольную рамку с осью вращения — эта рамка начнет вращаться. Направление вращения будет зависеть от направления тока в кадре.Подача тока в рамку от источника постоянного тока может осуществляться через полукольцевые контакты, закрепленные на концах рамки, и через упругие скользящие контакты — щетки (рис. 1а). Обратите внимание, что вращающаяся часть двигателя называется якорем, а неподвижная часть — статором.
Полукольцевые контакты обеспечивают переключение тока в рамке через каждые пол-оборота, т.е. непрерывное вращение рамки в одном направлении. В реальных коллекторных двигателях таких рамок много, поэтому весь контактный круг делится уже не на два, а на большее количество контактов.

Рис. Коллекторный двигатель: а — принцип работы; б — учебный коллекторный двигатель; в — якоря тренировочных коллекторных двигателей; g — якорь настоящего электродвигателя
Эти контакты образуют коллектор — отсюда и название этого электродвигателя. Контакты коллектора изготовлены из меди, а щетки — из графита. Самый простой ремонт электродвигателя — замена щеток, запасной набор которых часто прилагается при продаже устройств с такими двигателями.
Коллекторные двигатели получили широкое распространение.

Коллекторные двигатели. Они названы в честь одного из узлов ротора — коллектора (цилиндра из изолированных медных пластин, к которым припаяны концы проводов обмотки). Щетки статора соприкасаются с коллектором. Коллектор подает ток на обмотку ротора, включенную последовательно с обмоткой статора.

Коллекторные электродвигатели

имеют высокую скорость вращения ротора, поэтому используются в таких изделиях и машинах, как пылесосы, кухонные машины и др. Имеют небольшую массу и габаритные размеры.Для бытовых машин в основном применяется универсальный встраиваемый коллекторный электродвигатель.

Коллекторные двигатели, работающие от источника переменного и постоянного тока, называют универсальными. Есть двигатели для работы на низком напряжении от источников тока. Коллекторные двигатели развивают высокие скорости вращения без нагрузки, поэтому их запуск в бытовых машинах чаще всего осуществляется под нагрузкой, для чего непосредственно на валу двигателя монтируются ведомые части машины, например вентилятор в пылесосе. .

При эксплуатации коллекторных двигателей их недостатки проявляются в повышенном уровне шума, помехах радиоприему, искрению и выходу из строя угольных щеток, сложности обслуживания. Такие двигатели менее надежны, сложны в производстве и дороги. Однако они обладают рядом существенных преимуществ перед асинхронными, благодаря чему используются в бытовых машинах. Это хорошие стартовые данные, возможность получения высоких скоростей вращения (до 25000 об / мин) и плавная регулировка скорости в широком диапазоне, универсальность.

КПД двигателя в бытовой технике зависит от соблюдения требований к режиму работы изделия, что обязательно указывается в эксплуатационном документе. Особенно важно соблюдение этих требований для изделий и машин с кратковременным и многократно кратковременным режимами работы (фены, миксеры и т. Д.), Чтобы не допустить перегрева двигателя и его выхода из строя.

По способу охлаждения двигатели делятся на двигатели с естественным и искусственным охлаждением.Кроме того, необходимо обслуживать и обслуживать вентиляционное устройство, особенно независимое.

Асинхронные двигатели с экранированными полюсами: принципы работы, конструкция

Асинхронный двигатель с экранированными полюсами представляет собой однофазный асинхронный двигатель с расщепленной фазой. Двигатель с экранированными полюсами очень популярен для номиналов ниже 0,05 л.с. (~ 40 Вт) из-за своей чрезвычайно простой конструкции. Этот двигатель самозапускается, когда один из полюсов закрашен медным кольцом. Этот простой, не требующий обслуживания и недорогой двигатель обычно используется в самых разных приложениях малой мощности.В этой статье мы находим лучший ответ на вопрос о том, что такое асинхронные двигатели с экранированными полюсами, и обсуждаем обзор этого типа однофазных асинхронных двигателей переменного тока. Подпишитесь на этот новый блог в Linquip, чтобы узнать больше.

Строительство

Чтобы ответить на вопрос, что такое асинхронные двигатели с экранированными полюсами, сначала давайте посмотрим, каковы различные части этого двигателя. Двигатель с экранированными полюсами может иметь два или четыре полюса. Мы обсуждаем двухполюсный двигатель, который имеет более простую конструкцию.Как и любые другие двигатели, асинхронный двигатель с экранированными полюсами также состоит из статора и ротора. Конструкция мотора очень проста. Асинхронный двигатель с экранированными полюсами не имеет коммутатора, щеток, коллекторных колец, контакторов, конденсаторов, движущихся частей переключателя. Отсутствие центробежного переключателя исключает возможность выхода из строя двигателя из-за неисправных механизмов центробежного переключателя.

• Статор: Статор — это неподвижная часть, которая несет главную обмотку и затененную обмотку двигателя.У каждого полюса своя возбуждающая катушка. Конструируя большее количество полюсов, увеличивайте сложность двигателя. Полюса статора неравномерно разделены на две половины, причем меньшая часть — это заштрихованная часть, на которой находится медная полоса. На меньшей части установлено медное кольцо, также известное как затеняющая катушка. Затеняющая катушка, установленная на главном полюсе, называется затеняющей стойкой. Выбор 2-полюсного статора дает синхронную скорость 3000 об / мин, тогда как скорость 4-полюсного статора будет 1500 об / мин для источника питания 50 Гц.
• Медная полоса: Одна часть каждого основного полюса обычно на 1/3 окружена медной лентой с низким сопротивлением. Это называется растушевкой или растушеванной катушкой. Оба конца медной ленты будут закорочены, образуя замкнутую цепь. Он действует как вторичная обмотка трансформатора. На индивидуальной опоре имеется цветовая полоса.
• Ротор: Конструкция ротора такая же, как у обычного однофазного асинхронного двигателя. Ротор асинхронных двигателей с экранированными полюсами представляет собой ротор типа «беличья клетка».Штанги ротора имеют наклон на 60 градусов. Это необходимо для получения оптимального пускового момента и ограничения провала крутящего момента во время разгона. Длина воздушного зазора между статором и ротором составляет порядка 0,25-0,5 мм. Слишком короткий воздушный зазор может привести к колебаниям пускового момента из-за прорезания ротора.

Принцип работы

Принцип работы асинхронного двигателя с экранированными полюсами прост: основная обмотка проводит переменный ток и создает магнитный поток в обмотке статора.Тот же магнитный поток, отсекаемый медной заштрихованной полосой. Из-за этого в медной полосе будет наведена ЭДС. Эта ЭДС обеспечивает циркуляцию тока, и этот ток создает собственный магнитный поток в заштрихованной полосе. По закону линз поток в полосе затенения противодействует потоку основного статора. Это вызывает небольшой магнитный дисбаланс и создает вращающееся магнитное поле.

Характеристики

Некоторые важные характеристики асинхронных двигателей с экранированными полюсами приведены ниже.

• Скорость асинхронного двигателя с экранированными полюсами обратно пропорциональна количеству полюсов, используемых в двигателе.
• Асинхронный двигатель с экранированными полюсами создает очень маленький пусковой крутящий момент, составляющий около 50% крутящего момента полной нагрузки.
• Эффективность двигателя с экранированными полюсами низкая из-за постоянных потерь мощности в экранирующей катушке.
• Подходит для небольших устройств, требующих низкого пускового момента.
• Направление вращения электродвигателя с экранированным полюсом зависит от положения затеняющей катушки, то есть от того, какая половина полюса обернута затеняющей катушкой. Следовательно, направление вращения не может быть изменено на противоположное, если машина не сконструирована таким образом, что затеняющая катушка может быть смещена на другую половину полюса.

Номинальная мощность

Двигатель с экранированными полюсами имеет низкий пусковой момент, очень высокие потери мощности и очень низкий пусковой коэффициент мощности. Следовательно, двигатель дает нам низкий КПД для конструкции с более высокой номинальной мощностью. Вот почему двигатель рассчитан на низкую мощность, обычно 1/20 л.с. Его конструкция остается небольшой, а мощность двигателя невысока.

Типы

Наиболее распространенным типом двигателей с расщепленными полюсами при использовании дробной мощности является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.Ротор состоит из многослойного стального цилиндра с токопроводящими медными или алюминиевыми стержнями, продольно встроенными в его поверхность и соединенными на концах.

Преимущества

• Простая конструкция
• Надежный
• Длинная жизнь
• Низкая стоимость
• Чрезвычайно прочный
• Не требует центробежного переключателя
• Возможность самозапуска
• Надежный по своей природе
• Легко перематываемые двигатели, не требующие обслуживания
• Не требует специальных методов пуска
• Меньше пусковой ток
• Не вызывает падения напряжения на ближайшем фидере

Недостатки

• Низкий пусковой момент
• Не подходит для приложений с высоким пусковым моментом
• Реверс невозможно
• Низкий коэффициент мощности при запуске
• Низкий коэффициент мощности
• Высокие потери
• Меньшая эффективность
• Очень ограниченная перегрузочная способность
• КПД очень низкий из-за потерь меди в затеняющем кольце
• Изменение скорости также сложно и дорого, так как для этого требуется еще один набор медных колец.

Приложение

Применяется, как правило, в небольших электрических приборах, которым требуется всего несколько ватт энергии, например, для приведения в действие вентиляторов нагревателя или вентиляторов слайд-проектора.На рынке бытовой техники двигатели с расщепленными полюсами в больших количествах используются в стиральных машинах в качестве двигателей сливных насосов, а в кухонных плитах — в качестве двигателей вентиляторов. В гладильных машинах эти двигатели используются с понижающей передачей для привода роликов. Он находит применение для запуска электронных часов и однофазных синхронных двигателей.

Двигатель также используется в торговых автоматах для приведения в движение вентиляторов и в сочетании с зубчатой ​​передачей и рычагами для выбора и доставки товаров.

Ниже приведены некоторые примеры применения двигателя с экранированными полюсами.

• Реле, вентиляторы и другие мелкие устройства из-за их низкой стоимости
• Вытяжные вентиляторы
• Вентиляторы настольные
• Вентиляторы охлаждения
• Увлажнители
• Фены
• Вентиляторы
• Циркуляторы
• Холодильное оборудование
• Кондиционеры
• Малые водяные насосы
• Нагнетатели горячего воздуха
• Электродвигатели для душа
• Игрушки
• Проекторы
• Рекордсмены
• Магнитофоны
• Рекламные дисплеи
• Копировальные аппараты и многое другое.

Итак, вот вам все факты по вопросу о том, что такое асинхронные двигатели с экранированными полюсами. Если вам понравилась эта статья в Linquip, дайте нам знать, оставив ответ в разделе комментариев. Есть ли вопросы, с которыми мы можем вам помочь? Не стесняйтесь зарегистрироваться на нашем веб-сайте, чтобы получить самую профессиональную консультацию от наших экспертов.

Что такое контактные кольца и почему они используются в некоторых двигателях?

Контактные кольца — также называемые вращающимися электрическими соединениями, электрическими вертлюгами и коллекторными кольцами — это устройства, которые могут передавать мощность, электрические сигналы или данные между неподвижным и вращающимся компонентами.Конструкция контактного кольца будет зависеть от его применения — например, для передачи данных требуется контактное кольцо с более высокой пропускной способностью и лучшим подавлением EMI (электромагнитных помех), чем то, которое передает мощность, — но основными компонентами являются вращающееся кольцо и неподвижные щетки. .

Полный узел контактного кольца включает торцевые крышки, подшипники и другие конструктивные элементы. Но основными компонентами контактного кольца являются кольцо и щетки.
Изображение предоставлено: Moog Inc.

Если вращение одного компонента включает фиксированное число оборотов, можно использовать катушки с достаточной длиной кабеля и скоростью вращения, чтобы обеспечить требуемые обороты, хотя управление кабелем в этом настройка может быть довольно сложной.Но если один компонент вращается непрерывно, использование кабелей для передачи сигналов между вращающимися и неподвижными компонентами во многих случаях нецелесообразно и не надежно.

Контактные кольца в электродвигателях переменного тока

Изображение предоставлено: brighthubengineering.com

В версии асинхронного двигателя переменного тока, называемой двигателем с фазным ротором, контактные кольца используются не для передачи энергии, а для создания сопротивления в обмотках ротора. В двигателе с фазным ротором используются три контактных кольца, обычно изготовленных из меди или медного сплава, которые установлены на валу двигателя (но изолированы от него).Каждое контактное кольцо подключено к одной из трех фаз обмоток ротора. Щетки с контактным кольцом, изготовленные из графита, подключены к резистивному устройству, например, реостату. Поскольку контактные кольца вращаются вместе с ротором, щетки поддерживают постоянный контакт с кольцами и передают сопротивление обмоткам ротора.

Контактные кольца на двигателе переменного тока с фазным ротором. Когда двигатель достигает рабочей скорости, щетки поднимаются с помощью пружин, а контактные кольца замыкаются накоротко через скользящую контактную планку.
Изображение предоставлено: Wikipedia

Добавление сопротивления к обмоткам ротора делает ток ротора более синфазным с током статора. (Напомним, что двигатели с фазным ротором представляют собой тип асинхронных двигателей, в которых электрические поля ротора и статора вращаются с разными скоростями). В результате создается более высокий крутящий момент при относительно низком токе. Контактные кольца используются только при запуске из-за их более низкой эффективности и падения крутящего момента при полной скорости вращения. Когда двигатель достигает своей рабочей скорости, контактные кольца замыкаются, и щетки теряют контакт, поэтому двигатель работает как стандартный асинхронный двигатель переменного тока (также известный как «беличья клетка»).

Контактные кольца в двигателе с фазным ротором образуют вторичный внешний контур. Добавление сопротивления в эту цепь позволяет двигателю создавать очень высокий крутящий момент при запуске, который необходим для перемещения нагрузок с высокой инерцией.

---

Контактное кольцо или коммутатор?

Возможно, вы заметили, что конструкция и функция контактного кольца очень похожи на работу коммутатора. Хотя между ними есть сходство, между контактными кольцами и коммутаторами есть существенные различия.Физически контактное кольцо представляет собой непрерывное кольцо, а коммутатор — сегментированный. Функционально контактные кольца обеспечивают непрерывную передачу энергии, сигналов или данных. В частности, в двигателях переменного тока они передают сопротивление обмоткам ротора.

Коммутаторы

, с другой стороны, используются в двигателях постоянного тока для изменения полярности тока в обмотках якоря. Концы каждой катушки якоря подсоединены к стержням коммутатора, разнесенным на 180 градусов. Во время вращения якоря щетки подают ток на противоположные сегменты коммутатора и, следовательно, на противоположные катушки якоря.

---

Контактные кольца используются практически в любом приложении, которое включает вращающееся основание или платформу, от промышленного оборудования, такого как индексные столы, намоточные устройства и автоматические сварочные аппараты, до ветряных турбин, медицинских аппаратов для визуализации (КТ, МРТ) и даже аттракционов. которые работают в стиле поворотного стола. Хотя традиционным применением контактных колец была передача энергии, они также могут передавать аналоговые и цифровые сигналы от таких устройств, как датчики температуры или тензодатчики, и даже данные через Ethernet или другие шинные сети.

Изображение предоставлено Rotary Systems Inc.

% PDF-1.4 % 956 0 объект > эндобдж xref 956 126 0000000016 00000 н. 0000002891 00000 н. 0000003123 00000 п. 0000003275 00000 н. 0000003314 00000 н. 0000003372 00000 н. 0000003437 00000 н. 0000004263 00000 н. 0000004600 00000 н. 0000004667 00000 н. 0000004767 00000 н. 0000004873 00000 н. 0000005037 00000 н. 0000005097 00000 н. 0000005290 00000 н. 0000005383 00000 п. 0000005475 00000 н. 0000005594 00000 н. 0000005712 00000 н. 0000005819 00000 н. 0000005930 00000 н. 0000006036 00000 н. 0000006148 00000 п. 0000006255 00000 н. 0000006366 00000 н. 0000006472 00000 н. 0000006577 00000 н. 0000006696 00000 н. 0000006813 00000 н. 0000006922 00000 н. 0000007055 00000 н. 0000007230 00000 н. 0000007428 00000 н. 0000007547 00000 н. 0000007657 00000 н. 0000007790 00000 н. 0000007953 00000 н. 0000008112 00000 н. 0000008254 00000 н. 0000008427 00000 н. 0000008533 00000 н. 0000008616 00000 н. 0000008713 00000 н. 0000008810 00000 н. 0000008977 00000 н. 0000009076 00000 н. 0000009241 00000 п. 0000009360 00000 п. 0000009553 00000 п. 0000009689 00000 н. 0000009853 00000 п. 0000010046 00000 п. 0000010252 00000 п. 0000010388 00000 п. 0000010564 00000 п. 0000010741 00000 п. 0000010883 00000 п. 0000011025 00000 п. 0000011208 00000 п. 0000011320 00000 п. 0000011460 00000 п. 0000011568 00000 п. 0000011729 00000 п. 0000011884 00000 п. 0000011999 00000 н. 0000012111 00000 п. 0000012231 00000 п. 0000012352 00000 п. 0000012486 00000 п. 0000012607 00000 п. 0000012727 00000 п. 0000012848 00000 п. 0000012969 00000 п. 0000013091 00000 п. 0000013212 00000 п. 0000013333 00000 п. 0000013431 00000 п. 0000013528 00000 п. 0000013624 00000 п. 0000013720 00000 п. 0000013816 00000 п. 0000013913 00000 п. 0000014010 00000 п. 0000014107 00000 п. 0000014204 00000 п. 0000014301 00000 п. 0000014398 00000 п. 0000014495 00000 п. 0000014592 00000 п. 0000014689 00000 п. 0000014787 00000 п. 0000014885 00000 п. 0000014983 00000 п. 0000015080 00000 п. 0000015242 00000 п. 0000015399 00000 п. 0000015704 00000 п. 0000015916 00000 п. 0000016683 00000 п. 0000016707 00000 п. 0000017874 00000 п. 0000017897 00000 п. 0000018916 00000 п. 0000019572 00000 п. 0000019795 00000 п. 0000019819 00000 п. 0000021094 00000 п. 0000021118 00000 п. 0000022390 00000 п. 0000022414 00000 п. 0000023701 00000 п. 0000023725 00000 п. 0000024968 00000 п. 0000025495 00000 п. 0000025717 00000 п. 0000026484 00000 п. 0000026703 00000 п. 0000026727 00000 н. 0000028023 00000 п. 0000028047 00000 п. 0000029236 00000 п. 0000029377 00000 п. 0000029584 00000 п. 0000029803 00000 п. 0000003478 00000 н. 0000004240 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 957 0 объект > эндобдж 958 0 объект a_

Описание двигателя

постоянного тока — Инженерное мышление

Узнайте, как работает двигатель постоянного тока, чтобы понять основной принцип работы двигателя постоянного тока.Мы рассматриваем обычный ток, поток электронов, обмотку, якорь, ротор, вал, статор, щетки, щетки, клеммы, ЭДС, электромагниты, магнитное притяжение, а также детальные анимации того, как работает двигатель постоянного тока.

Прокрутите вниз, чтобы посмотреть руководство YouTube.

🎁 Получите БЕСПЛАТНО руководство по эксплуатации Fleming в формате PDF ➡️ Здесь

Детали двигателя постоянного тока

DC Motor

Двигатели постоянного тока выглядят примерно так, как показано выше, хотя есть довольно много вариантов.Они используются для преобразования электрической энергии в механическую, и мы можем использовать их, например, в наших электроинструментах, игрушечных машинках и охлаждающих вентиляторах.

Используется для преобразования электрической энергии

Когда мы смотрим на двигатель постоянного тока, мы сначала видим металлический защитный кожух, который образует статор.
На одном конце у нас есть конец вала, выступающий через кожух, на который мы можем прикрепить шестерни, лопасти вентилятора или шкивы.

Статор

На другом конце пластиковая заглушка с двумя выводами. Мы можем подключить к этим клеммам источник питания, чтобы вращать вал.

Если мы снимем кожух и заглянем внутрь двигателя, то обнаружим два магнита, которые образуют статор. Это постоянные магниты, которые образуют северный и южный магнитные полюса.

Магниты внутри двигателя

Проходя через центр двигателя, мы видим стержень, который называется валом. Это используется для передачи механической энергии. К валу прикреплен ротор. Ротор состоит из нескольких дисков, которые соединены вместе, каждый диск имеет эти Т-образные рычаги, врезанные в них.

Вокруг Т-образных плеч ротора находятся обмотки катушки, по которым проходит электрический ток от батареи. Когда ток проходит через катушки, он создает электромагнитное поле, мы контролируем синхронизацию и полярность этого магнитного поля, чтобы создать вращение.

Внутри двигателя

Концы катушек подключены к коммутатору. Коммутатор представляет собой кольцо, разделенное на несколько пластин, расположенных концентрично вокруг вала. Пластины разделены и электрически изолированы друг от друга, а также от вала.Концы каждой катушки подключаются к разным пластинам коммутатора, они делают это для создания цепи, и мы вскоре увидим это подробно.

Основы двигателя постоянного тока

Внутри пластиковой задней крышки находятся щетки, рычаги и клеммы. Пластины коммутатора находятся между двумя щетками.

Щетки, рычаги и клеммы

Щетки трутся о сегменты коммутатора, замыкая цепь. Затем электричество может течь через клемму, через плечо, в щетку, через сегмент коммутатора, в катушку, затем в другой сегмент коммутатора, в противоположную щетку и обратно в другую клемму.

Компоненты двигателя постоянного тока

Эти компоненты представляют собой наш основной двигатель постоянного тока. Чтобы понять, как работает двигатель постоянного тока, нам нужно понять некоторые основы электричества, а также то, как работают компоненты внутри.

Основы электроэнергетики

Электричество — это поток электронов по проводу. Когда много электронов движется в одном направлении, мы называем это током. Электричество постоянного тока означает, что электроны текут только в одном направлении, от одного вывода батареи непосредственно к другому.Если перевернуть батарею, ток будет течь в обратном направлении.

Основы электричества

Внутри медного провода мы находим атомы меди. Обращаясь к каждому атому, мы находим свободные электроны, их называют свободными электронами, потому что они могут свободно перемещаться к другим атомам. Они естественным образом перемещаются к другим атомам сами по себе, но это происходит во всех направлениях случайным образом, что бесполезно для нас. Нам нужно, чтобы много электронов текло в одном направлении, и мы можем сделать это, приложив разность напряжений к проводу.Напряжение подобно давлению заставляет электроны двигаться. Электроны текут только по замкнутому контуру. Они всегда пытаются вернуться к своему источнику, поэтому, когда мы даем им путь, такой как провод, они будут проходить через него. Даже если мы временно создадим путь, они воспользуются им, как только он станет доступен. Мы можем разместить компоненты на этом пути, чтобы они проходили через него и выполняли работу за нас, например, освещали лампу.

Атомы меди

В этих анимациях мы будем использовать два термина.Это поток электронов и обычный ток. Электронный поток — это то, что на самом деле происходит с электронами, протекающими от отрицательной клеммы к положительной. Обычный ток движется в противоположном направлении от положительного к отрицательному. Традиционный ток был исходной теорией, и она все еще широко преподается и используется сегодня, потому что ее легче понять. Просто помните о двух терминах и о том, какой из них мы используем.

Электронный поток и условный ток

Постоянные магниты

Магнит

Как вы, наверное, уже знаете, магниты поляризованы с северного и южного концов.Эти типы известны как постоянные магниты, потому что их магнитное поле всегда активно. Находясь рядом с другим магнитом, одинаковые концы отталкиваются, а противоположные концы притягиваются. Итак, мы получаем эти толкающие и тянущие силы, вызванные магнитным полем магнитов.

Линии магнитного поля

Магниты имеют эти изогнутые линии магнитного поля, которые проходят от северного полюса к южному и простираются, изгибаясь вокруг внешней стороны. Магнитное поле наиболее мощно на концах, мы видим это, потому что силовых линий магнитного поля больше, плотно упакованных вместе.

Мы действительно можем увидеть магнитное поле магнита, посыпав магнит железными опилками.

Магнитное поле магнита с использованием железных наполнителей

Когда два магнита находятся в непосредственной близости друг от друга, их магнитные поля взаимодействуют. Два одинаковых конца будут отталкиваться друг от друга, и их силовые линии магнитного поля не будут соединяться. Однако две противоположные полярности будут притягиваться друг к другу, и силовые линии магнитного поля сойдутся в область высокой концентрации.

Магнитное поле противоположных концов объединится.

Поэтому мы помещаем два магнита противоположной полярности в статор двигателя, чтобы сформировать сильное магнитное поле через ротор.

Электромагниты

Когда мы подключаем провод к положительной и отрицательной клемме батареи, ток электронов будет течь через провод от отрицательной клеммы к положительной.

Когда электроны проходят через медную проволоку, они создают вокруг нее электромагнитное поле. Мы действительно можем это увидеть, поместив несколько магнитов вокруг провода. Когда мы пропускаем электричество по проводу, магниты вращаются. Когда мы меняем направление тока на противоположное, магниты также меняют направление и выравнивают в противоположном направлении.

Итак, мы можем создать магнитное поле, которое действует так же, как постоянный магнит, за исключением того, что с помощью этого типа мы можем выключить магнитное поле.

Проблема с электромагнитным полем в проводе в том, что оно довольно слабое. Но мы можем сделать его намного сильнее, просто свернув провода в катушку. Каждый провод по-прежнему создает электромагнитное поле, но они объединяются в гораздо большее и более сильное магнитное поле, которое мы используем для создания катушек в роторе.

Сделайте электромагнитное поле сильнее, свернув провода в катушку.

Обмотки

Катушки с проволокой называются обмотками. Самый простой двигатель постоянного тока имеет всего одну катушку. Это более простой дизайн; Однако проблема в том, что они могут выравниваться магнитным полем, что блокирует двигатель и останавливает его вращение. Чем больше у нас наборов катушек, тем плавнее будет вращение, это особенно полезно для низкоскоростных приложений. Поэтому мы обычно находим в двигателе как минимум три катушки, чтобы обеспечить плавное вращение.

Чем больше наборов катушек, тем плавнее вращение

Каждая катушка расположена под углом 120 градусов друг от друга.Между каждой катушкой находим пластину коммутатора. Каждая катушка соединена с двумя пластинами коммутатора. Пластины электрически изолированы друг от друга, за исключением того, что они соединены через катушки. Итак, если мы подключим положительную и отрицательную клеммы к двум пластинам коммутатора, мы сможем замкнуть цепь, ток будет течь, и в катушках будет генерироваться магнитное поле.

Основы катушки

Ротор

Ротор или якорь состоит из нескольких металлических дисков, соединенных вместе.

Ротор

Каждый диск электрически изолирован друг от друга лаковым покрытием. Если бы якорь был сплошным куском металла, внутри закручивались бы большие вихревые токи. Они вызваны наведенной электродвижущей силой или ЭДС. Эти вихревые токи влияют на КПД двигателя. Чтобы уменьшить их, инженеры сегментируют ротор на изолированные диски, вихревые токи по-прежнему будут течь, но они будут намного меньше. Чем тоньше диск, тем меньше будет вихревой ток.

Более тонкий диск; Меньший вихревой ток будет

Коммутатор

Коммутатор состоит из небольших медных пластин, которые крепятся к валу.Каждая пластина электрически изолирована друг от друга, а также от вала. Конец каждой катушки соединен с другой пластиной коммутатора. В этой конструкции каждая пластина коммутатора соединена с 2 катушками.

Пластины подают электричество к катушкам. Чтобы передать электричество от батареи к пластинам, у нас есть несколько щеток, которые трутся о пластины. Держатели щеток удерживают их на месте. Когда мы замыкаем цепь, электричество будет течь в сегменты коммутатора через щетки, а затем течь в 1 или 2 катушки, когда станет доступен путь.

Ток между щетками

В определенных точках вращения щетки соприкасаются с двумя пластинами. Это создаст дугу, и при этом мы получим небольшие вспышки синего света. Дуги из-за трения со временем разрушат кисть.

Правило для левой руки Flemings

Что-то, что мы должны понять, это правило левой руки Флемингса, и для этого нам нужно использовать левую руку в этой забавной форме. Вы должны помнить, что правило Флемингса использует ОБЫЧНЫЙ ТОК, а не поток электронов.Обычный ток — от положительного до отрицательного.

Мы используем правило левой руки Флемингса, чтобы определить, в каком направлении катушка будет толкать и тянуть, поскольку электромагнитное поле взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита.

Если мы посмотрим на провод и представим, какой конец подключен к положительному или отрицательному, мы можем определить направление силы.

Для этого вытяните левую руку и представьте, что это большой палец, а затем пальцы 1, 2, 3 и 4.Сведите пальцы 4 и 3. Укажите пальцем 2 вправо, направьте палец 1 прямо вперед и направьте большой палец вверх.

Ваши 2 ^и пальца указывают в направлении обычного тока от положительного к отрицательному. Палец 1 ^st указывает на магнитное поле постоянного магнита с севера на юг. Ваш большой палец укажет в направлении движения.

Правило левой руки Флеминга

Мы сделали руководство в формате PDF, которое включает несколько примеров, которые помогут вам это запомнить.

🎁 Получите БЕСПЛАТНО руководство по эксплуатации Fleming в формате PDF ➡️ Здесь

Итак, если мы посмотрим на этот пример, обычный ток идет к нам, а магнитное поле идет слева направо. Итак, мы направляем наши 2 пальца ^и к нам, а палец 1 в направлении магнитного поля. Таким образом, наш большой палец направлен вверх, что означает, что сила, действующая на провод, будет перемещать его вверх.

Восходящая сила

В этом примере обычный ток в проводе меняется на противоположный, поэтому он движется от нас.Поэтому мы переворачиваем руку так, чтобы наши 2 ^и пальца были направлены от нас. Наш первый палец по-прежнему указывает в направлении магнитного поля, а большой — вниз. Это означает, что сила, действующая на провод, будет перемещать его вниз.

Сила, направленная вниз

Если мы свернем провод в катушку, как теперь будут действовать силы? Что ж, нам нужно рассматривать катушку как две половинки. В левой половине обычный ток течет от нас, поэтому наша рука переворачивается, и мы видим, что мы получаем направленную вниз силу.Справа обычный ток течет к нам, поэтому сила направлена ​​вверх. Следовательно, у нас есть объединенная сила, направленная вверх и вниз, поэтому катушка будет вращаться. Итак, теперь мы видим, как вращается мотор, давайте рассмотрим подробнее.

Левая сторона Правая сторона

Работа

Хорошо, давайте рассмотрим работу двигателя постоянного тока в замедленном режиме. Мы просто укажем на основные части, это северный и южный магниты, которые концентрируют магнитное поле через центр.В центре мы находим вал, прикрепленный к валу, у нас есть ротор, обернутый вокруг ротора, у нас есть катушки, соединяющие катушки, у нас есть коммутатор и обеспечивающий питание коммутатора, у нас есть щетки и щетки. Затем у нас есть блок питания.

Ротор, катушки и коммутатор будут вращаться, все остальное останется неподвижным.

Деталь двигателя постоянного тока

Мы собираемся рассмотреть протекание обычного тока и силы, возникающие на длинных сторонах каждой катушки.Мы также обозначим эти катушки 1,2 и 3. И пластины коммутатора a, b и c.

Позиция 1

1. В этом первом положении обычный ток будет течь от плюса батареи к пластине A, затем через обе катушки 1 и 3, через пластины B и C в правую щетку и обратно к батарее. Правая сторона катушки 1 имеет направленную вниз силу, а левая сторона — восходящую силу. Катушка 3 имеет восходящую силу с этой стороны и нисходящую силу с этой стороны. И так оно вращается.

Позиция 2

2.Теперь ток проходит через пластину A только в катушку 1, а затем выходит через пластину B. Это создает восходящую силу слева и нисходящую силу справа.

Позиция 3

3. Теперь ток течет через пластины A и C через катушки 1 и 2 в пластину B. Катушка 1 имеет направленную вверх силу слева и направленную вниз справа. Катушка 2 имеет направленную вверх силу слева и направленную вниз справа.

Позиция 4

4. Теперь ток течет через пластину c в катушку 2 и на пластину b. левая сторона катушки 2 имеет направленную вверх силу, а правая — направленную вниз.

Позиция 5

5. Теперь ток течет через пластину c в катушки 3 и 2 и выходит через пластины a и b. это дает нам наши восходящие и нисходящие силы на катушки.

Позиция 6

6. Теперь ток течет через пластину c в катушку 3, а затем выходит через пластину a, создавая наши восходящие и нисходящие силы.

Позиция 7

7. Теперь ток течет через пластины c и B, через катушки 3 и 1 и выходит через пластину a, давая нам силы с каждой стороны.

Позиция 8

8. Теперь ток течет через пластину b в катушку 1 и выходит через пластину a, которая создает наши силы.

Позиция 9

9. Теперь ток течет через пластину b в катушки 2 и 1, затем выходит через пластины c и a.

Позиция 10

10. Теперь ток течет через пластину b в катушку 2, а затем выходит через пластину c.

Позиция 11

11. Теперь ток течет через пластины B и A в катушки 2 и 3, а затем выходит через пластину c.

Затем это повторяется снова и снова, что дает нам вращающую силу, которую мы используем для вращения вентиляторов, шестерен, колес и шкивов.

Потоки тока, создающие силы

Если мы перевернем источник питания, мы изменим направление тока, и это изменит направление сил и, следовательно, направление вращения, так что мы используем магнитные силы и электричество для создания простого двигателя.

---

AB-026: Бездатчиковый стабилизатор скорости для двигателя постоянного тока

Введение

Скорость двигателя — это параметр двигателя постоянного тока, который часто измеряется и регулируется, обычно с помощью дополнительных датчиков и с обратной связью по замкнутому контуру. Для этого метода управления скоростью требуется какой-либо датчик скорости, обычно устанавливаемый на валу двигателя. Некоторые из наших двигателей постоянного тока и мотор-редукторов имеют задние валы специально для этой цели, например, 212-109.

Эта блок-схема, показанная ниже, представляет собой типичную систему управления с обратной связью, которая может быть разработана для работы в аналоговом или цифровом режиме.

Система управления с обратной связью для скорости двигателя постоянного тока

Датчики Холла и оптические датчики

обычно используются с цифровыми контроллерами, тогда как в аналоговых схемах часто используются тахогенераторы. С помощью ШИМ-управления можно достичь хорошей точности, гибкости и снизить потери мощности. Однако это происходит за счет дополнительного компонента и, возможно, модификации механической конструкции, если вы планируете использовать его в существующем продукте.

Для щеточных двигателей постоянного тока можно измерять и регулировать скорость без каких-либо датчиков на двигателе, используя основную характеристику — напряжение обратной ЭДС, зависящее от скорости.

Бессенсорное аналоговое измерение скорости двигателя

Двигатель постоянного тока моделируется как последовательное соединение внутреннего сопротивления и источника напряжения обратной ЭДС. Напряжение на клеммах двигателя складывается из обратной ЭДС и падения напряжения, превышающего сопротивление катушки.

Эквивалентная схема электродвигателя постоянного тока с щеткой

Падение напряжения на внутреннем сопротивлении якоря зависит от тока двигателя (и, следовательно, от момента нагрузки). Невозможно измерить скорость напрямую, измеряя только напряжение на клеммах двигателя.

Сопротивление обмотки Ra обычно постоянно — хотя оно имеет небольшую температурную зависимость, мы можем компенсировать его, чтобы падение напряжения на якоре двигателя было пропорционально току двигателя.

Поскольку измерить обратную ЭДС напрямую невозможно, нам необходимо рассчитать ее по следующему уравнению:

$$ V_ {мотор} = V_ {bemf} + (I_ {a} \ times R_ {a}) $$

К сожалению, напрямую измерить напряжение якоря также невозможно — однако мы можем подключить дополнительный (внешний) резистор последовательно с двигателем.Измерение падения напряжения на этом последовательном резисторе позволяет нам определить обратную ЭДС.

Эквивалентная схема электродвигателя постоянного тока

с последовательным резистором

Если мы установим значение последовательного резистора равным сопротивлению в двигателе, мы гарантируем, что любое изменение падения напряжения на последовательном резисторе будет равно падению напряжения в якоре:

$$ V_ {a} = I_ {a} \ times R_ {a} $$

$$ V_ {s} = I_ {a} \ times R_ {s} $$

$$ R_ {s} = R_ {a} $$

$$ V_ {s} = V_ {a} $$

Итак, сначала нам нужно узнать или измерить сопротивление якоря двигателя.Это можно сделать путем измерения сопротивления на клеммах двигателя с помощью омметра или путем измерения тока остановки с известным напряжением питания. При использовании последнего предпочтительнее использовать низкое напряжение питания, чтобы избежать повреждения из-за перегрузки по току.

Например, при питании двигателя 1,2 В и измерении 100 мА во время остановки сопротивление якоря рассчитывается как:

$$ V_ {supply} = I_ {stall} \ times R_ {a} $$

$$ R_ {a} = \ frac {V_ {supply}} {I_ {stall}} $$

$$ R_ {a} = \ frac {1.2 В} {100 мА} $$

$$ R_ {a} = 12 \ Omega $$

При использовании омметра для измерения оконечного сопротивления снимите среднее значение нескольких показаний при различных положениях ротора.

Напряжение питания будет равно напряжению последовательного резистора, напряжению сопротивления якоря и напряжению обратной ЭДС.

$$ V_ {supply} = V_ {s} + V_ {a} + V_ {bemf} $$

Мы можем рассчитать напряжение обратной ЭДС, вычтя двойное падение напряжения на последовательном резисторе из напряжения питания.

$$ V_ {bemf} = V_ {supply} — (2 \ times V_ {s}) $$

Для уменьшения потерь мощности мы можем использовать более низкое значение последовательного сопротивления, но резистор в конечном итоге снизит напряжение, воспринимаемое двигателем. Используя мостовую схему, мы можем сохранить высокую чувствительность измерения и компенсировать потери мощности в двигателе:

Мостовая схема для измерения напряжения обратной ЭДС

Правая опора моста состоит из последовательно включенных электродвигателя M и резистора Rs .Левая ножка — это последовательное соединение резисторов R1 и R2 , каждая ножка подключена к источнику питания. Напряжение обратной ЭДС измеряется между точками A и B .

Rload представляет входное сопротивление нашей измерительной цепи. Поскольку он будет состоять из операционного усилителя, его входное сопротивление будет намного больше, чем другие сопротивления в этой схеме (идеальные операционные усилители имеют бесконечное входное сопротивление).

Нам необходимо убедиться, что напряжение между точками A и B не зависит от тока двигателя и напряжения питания и зависит только от скорости двигателя и входного сопротивления измерительной цепи ( Rload ).

Начнем с анализа схемы без обратной ЭДС, т.е. когда двигатель остановлен. Для балансировки моста напряжение между точками A и B должно быть нулевым. Это происходит до тех пор, пока соотношение между R1 и R2 такое же, как Rs и Ra :

$$ \ frac {R_ {2}} {R_ {1}} = \ frac {R_ {a}} {R_ {s}} $$

h — коэффициент усиления нашего моста:

$$ h = \ frac {R_ {1}} {R_ {2}} = \ frac {R_ {s}} {R_ {a}} $$

Если мы выведем двигатель из состояния остановки, напряжение обратной ЭДС пропорционально скорости:

$$ V_ {bemf} = k_ {e} \ times n $$

, где ke — электрическая постоянная для нашего двигателя, а n — скорость двигателя.

Если двигатель может вращаться со скоростью холостого хода, для идеального двигателя мы ожидаем, что Ia равно 0. Это потому, что идеальные двигатели игнорируют сопротивление воздуха и трение подшипников. Напряжение на холостом ходу:

$$ V_ {rpm_ {NL}} = k_ {e} \ times n_ {NL} $$

Отсюда Vbemf можно подписать как:

$$ V_ {bemf} = V_ {rpm_ {NL}} \ times \ frac {n} {n_ {NL}} = V_ {rpm_ {NL}} \ times K $$

Где K — коэффициент пропорциональности между Vbemf и V_rpm в нашей схеме.{2} \ times R_ {load}} \ times R_ {load} $$

А для работы без нагрузки:

$$ V_ {rpm} = \ frac {h} {h + 1} \ times V_ {rpm_ {NL}} \ times K $$

Выходное напряжение между точками A и B не зависит от источника питания и тока двигателя, как без нагрузки, так и при работе под нагрузкой. Он зависит от х , и при увеличении выходное напряжение также увеличивается.

Как упоминалось ранее, сопротивление якоря будет изменяться в зависимости от температуры, что приводит к разбалансировке моста и влиянию на выход В об / мин .Чтобы свести к минимуму этот эффект, мост следует настраивать, когда двигатель находится при рабочей температуре.

Этот метод стабилизации скорости был популярным решением для регуляторов скорости вращения ротора, используемых в магнитофонах, использующих аналоговую электронику. В эпоху магнитофонов многие компании производили микросхемы для управления двигателем постоянного тока, чтобы лента двигалась с постоянной скоростью. Это было интересное решение, потому что оно работало линейно и не создавало шума, как контроллеры на основе ШИМ.

Общие ИС включают LA5586, TDA7274, BA6220 и AN6550. К сожалению, производство большинства из них было снято с производства, и теперь их можно приобрести только на вторичном рынке. Схемы в микросхемах немного отличались, но принцип работы по-прежнему основан на мостовой схеме, описанной выше.

LA5586 Эквивалентная цепь регулятора скорости двигателя и прикладная схема

Обратите внимание, что эквивалентная схема нарисована с источниками тока и постоянным коэффициентом тока. Коэффициент текущей ликвидности составляет от 20 до 40, в зависимости от конкретной ИС, и обозначен как K .В интегральных схемах легко сделать два источника тока с одинаковыми температурными параметрами.

Двигатель подключен к одной ветви моста, а вторая ветвь содержит резистор со значением K, в раз превышающим внутреннее сопротивление двигателя.

Цепь установившегося состояния для контроллера двигателя

В установившемся режиме ток двигателя в K в раз больше, чем ток через Rt . Отрицательный вход операционного усилителя подключен к источнику напряжения, поэтому падение напряжения на резисторе Rt всегда будет ниже, чем напряжение двигателя.Разница составит Vref . Напряжение в точке A (относительно земли) всегда будет выше, чем напряжение в точке B .

Без Rs ток через Rt в 40 раз меньше тока двигателя. Когда нагрузка двигателя увеличивается, напряжение в точке B увеличивается, а также увеличивается выходное напряжение усилителя. Более высокое напряжение усилителя вызывает более высокий ток двигателя, что увеличивает крутящий момент двигателя.Регулировка скорости может быть достигнута путем добавления шунтирующего резистора — напряжение между точками A и B всегда равно опорному напряжению, поэтому легко контролировать дополнительный ток, добавленный к Rt .

Эта схема будет сбалансирована, когда напряжение двигателя равно сумме напряжений на Rt и Rs ( Vref ). Уравнение установившегося состояния:

$$ I_ {m} \ times R_ {m} + V_ {bemf} = R_ {T} \ times I_ {s} + R_ {T} \ times \ frac {I_ {s} + I_ {m}} { K} + V_ {ref} $$

Отсюда уравнение для обратной ЭДС:

$$ V_ {bemf} = V_ {ref} + (1+ \ frac {1} {K}) \ times R_ {T} \ times I_ {s} + \ frac {R_ {T}} {K — R_ {m}} \ times I_ {m} $$

Предполагая:

$$ K \ times R_ {m} = R_ {T} $$

, то количество оборотов, определяемое Vbemf , составляет:

$$ V_ {bemf} = V_ {ref} + R_ {T} \ times (1+ \ frac {1} {K}) \ times I_ {s} $$

Важно, чтобы во всех случаях Rt было меньше, чем K x Rm , в противном случае цепь будет чрезмерно компенсированной и нестабильной.

Аналоговый регулятор скорости с отрицательным сопротивлением

Увеличение нагрузки на двигатель приводит к увеличению потребляемого тока и падению скорости. Также уменьшается обратная ЭДС и напряжение на двигателе, этот метод управления известен как регулятор отрицательного вывода.

В этом случае мы используем операционный усилитель для управления скоростью, поэтому наша R_load будет на тысячи больше, чем другое сопротивление в этой цепи, и снова может быть опущена.

Из предыдущего раздела мы знаем, что напряжение источника питания не изменилось В об / мин , что позволяет нам запитать нашу схему от мощного операционного усилителя или добавить транзистор к выходу стандартного операционного усилителя. .Подключив инвертирующий вход к ножке моста между двигателем и последовательным резистором, мы можем управлять источником питания моста с помощью напряжения, подключенного к неинвертирующему выходу.

Цепь управления напряжением двигателя

Входное напряжение подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а инвертирующий вход подключается непосредственно к клемме двигателя. Мы пока не можем контролировать скорость с помощью схемы, в связи с чем наш усилитель работает как буфер (или повторитель напряжения) с коэффициентом усиления равным 1.По сути, входное напряжение определяет напряжение двигателя.

Можно изменить скорость двигателя, установив напряжение Vin, но это не поддерживает постоянную скорость при изменении нагрузки. При постоянном входном напряжении двигатель будет вращаться быстрее при малых нагрузках и медленнее при увеличении нагрузки. Нам нужно еще несколько компонентов для стабилизации скорости двигателя.

Падение напряжения на Rs пропорционально падению напряжения на сопротивлении якоря двигателя, мы будем использовать это напряжение для компенсации падения напряжения на сопротивлении якоря.Это можно сделать, добавив модификацию схемы к приведенной ниже — добавив R1 и R2 и подключив их среднюю точку к неинвертирующему входу операционного усилителя.

Цепь регулятора скорости двигателя

Соотношение R1 и R2 должно быть таким же, как Rs и Ra для обеспечения стабилизации скорости. На изображении выше показана полная схема и ее эквивалент для руководства, управляющее напряжение должно быть таким же, как напряжение обратной ЭДС при желаемой скорости.

Коэффициент компенсации определяется значением Rs , но удобнее использовать стандартное значение сопротивления, а затем изменить R1 или R2 соответственно.

Если скорость двигателя уменьшается при приложении нагрузки, значение R2 должно быть увеличено (или R1 должно быть уменьшено). Если скорость двигателя начинает колебаться (или имеет тенденцию к увеличению) при приложении нагрузки, следует уменьшить R2 или ( R1 следует увеличить).

Чтобы спроектировать эту схему, нам нужно знать, какое значение обратной ЭДС при желаемой скорости:

1. Чтобы найти напряжение обратной ЭДС на желаемой скорости, вал двигателя может быть установлен на бурильщик и приведен в движение. После достижения желаемой скорости (проверенной тахометром) измерьте напряжение на клеммах двигателя с помощью высокоомного вольтметра.
2. Измерить внутреннее сопротивление обмотки с помощью омметра на клеммах двигателя. Хорошо взять среднее значение из нескольких различных измерений положения ротора.
3. Выберите значение Rs из стандартных значений, оно может быть меньше сопротивления двигателя.
4. Выберите R1 и R2 , чтобы соотношение было таким же, как соотношение между Rs и Ra . Фактические значения резистора должны быть больше Rs и Ra для экономии тока. Поскольку эквивалентное сопротивление плеч моста будет другим, операционный усилитель должен быть с низким входным током.
5. Подайте управляющее напряжение, равное желаемой обратной ЭДС.
6. Проверьте скорость и соответствующим образом компенсируйте (указано в абзаце перед этим списком).

Для температурной компенсации можно выбрать Rs с тем же температурным коэффициентом, что и обмотки двигателя — для меди это 3400 частей на миллион. Этот резистор следует размещать как можно ближе к двигателю, чтобы поддерживать тот же температурный режим.

Простая схема стабилизации скорости двигателя также может быть выполнена только на транзисторах:

Транзисторный регулятор скорости

В этой схеме T2 работает как выходной каскад, а T1 как усилитель ошибки.Сигнал на коллекторе T1 является выходным сигналом, эмиттер работает как инвертирующий вход, а база как неинвертирующий вход.

Сигнал напряжения на двигателе подключен к неинвертирующему входу, потому что выходной каскад инвертирует этот сигнал, что означает, что больший сигнал на коллекторе вызывает меньший ток двигателя.

Диоды D1 и D2 создают опорное напряжение, напряжение на эмиттере T1 всегда ниже напряжения на выводах двигателя.Напряжение компенсации берется из R3 и вычитается из напряжения питания моста, которое измеряется делителем напряжения R4 , R5 и R1 .

R7 и C2 представляют собой схему запуска, помогающую преодолеть статическое трение, в то время как C1 представляет собой конденсатор компенсации частоты, предотвращающий высокочастотные колебания.

Поскольку нам необходимо точное измерение обратной ЭДС, которое зависит от контактного сопротивления между коммутатором и щетками, лучше всего использовать двигатели с металлическими щетками.Большинство двигателей Precision Microdrive имеют металлические щетки и подходят для этого метода управления скоростью.

Регулятор скорости со специализированной микросхемой

Эта схема основана на AN6651, специализированном контроллере двигателя, который ранее был популярен в магнитофонах.

Цепь регулятора скорости

132-100 и AN6651

AN6651 работает по тому же принципу, что и описанный выше LA5586. Контакты 2 и 4 являются выходами источника тока, соотношение между управляющим выходом (контакт 2) и выходом двигателя (контакт 4) составляет 40: 1.

Сопротивление R1 , подключенное между контактом 2 и источником питания, должно быть в 40 раз больше, чем внутреннее сопротивление двигателя для того же падения напряжения на R1 , что и на внутреннем сопротивлении двигателя:

$$ K = 40 $$

$$ R_ {1} = K \ times R_ {m} $$

Например, используя стандартное значение 390 Ом для R1 (меньшее значение снижает склонность к возникновению колебаний), нам нужно найти значения для последовательного соединения R2 и R3. Давайте возьмем двигатель постоянного тока 132-100 и установим целевую скорость 2400 об / мин.Для начала нам нужны некоторые технические детали:

• Сопротивление двигателя, \ (R_ {m} = 10 \ Omega \)
• Входное напряжение без нагрузки при частоте вращения 2400 об / мин, \ (V_ {m} = 3,87 В \)
• Ток без нагрузки при скорости 2400 об / мин, \ (I_ {m} = 23 мА \)

Мы можем рассчитать падение напряжения на внутреннем сопротивлении как:

$$ 23 мА \ раз 10 \ Омега = 0,23 В $$

, и мы также можем рассчитать Vbemf как:

$$ 3,87 В- 0,23 В = 3.65 В $$

В установившемся состоянии, когда цепь сбалансирована, уравнение для цепи:

$$ I_ {m} \ times R_ {m} + V_ {bemf} = R_ {1} \ times (I_ {R2R3} + \ frac {I_ {R2R3} + Im} {K} + V_ {ref} $ $

Из этого уравнения мы можем рассчитать обратную ЭДС:

$$ V_ {bemf} = V_ {ref} + R_ {1} \ times (1+ \ frac {1} {40}) \ times I_ {R2R3} $$

Как мы знаем из даташита Vref = 1V, значит:

$$ I_ {R2R3} = \ frac {V_ {bemf} — V_ {ref}} {R_ {1} \ times (1+ \ frac {1} {40})} $$

На наш мотор у нас:

$$ I_ {R2R3} = \ frac {3.64 — 1} {390 \ times (1 + \ frac {1} {40})} $$

$$ I_ {R2R3} = 0,0051 A = 5,1 мА $$

С помощью этого значения мы можем рассчитать последовательное сопротивление R2 и R3 :

$$ I_ {R2R3} = \ frac {V_ {ref}} {R2 + R3} $$

$$ R_ {2} + R_ {3} = \ frac {V_ {ref}} {I_ {R2R3}} $$

$$ R_ {2} + R_ {3} = 195 \ Omega $$

Мы можем использовать постоянный стандартный резистор 150 Ом плюс потенциометр 100 Ом, что дает нам диапазон для точной настройки. Вычисленные значения являются приблизительными, в реальной цепи ток внутреннего источника опорного напряжения также является значительным (между 0.8 — 2 мА для AN6651), это вызовет изменение тока двигателя.

Добавление потенциометра позволяет установке регулировать скорость и должно быть откалибровано через некоторое время, чтобы двигатель прогрелся до рабочей температуры, чтобы минимизировать результирующий сдвиг сопротивления.

Прецизионные микроприводы 132-100 PCB с AN6651

Прецизионные микроприводы 132-100 PCB с AN6651

Регулятор скорости с дискретным операционным усилителем

Это улучшенная версия схемы операционного усилителя, описанной выше, с использованием специальной ИС.Основное улучшение — это работа при низком напряжении благодаря использованию опорного сигнала с малым запрещенным напряжением. Использование этого дискретного компонента минимизирует размер схемы, что идеально подходит для современных небольших корпусов.

Схема на основе ОУ стабилизации скорости двигателя

В этой схеме напряжение компенсации снимается с последовательного резистора R8 , значение которого меньше внутреннего сопротивления двигателя для уменьшения потерь мощности. Вторая опора моста состоит из R6 и R7 .Соотношение этих резисторов должно быть таким же, как R8 и сопротивление обмотки двигателя. В качестве типичного значения можно выбрать R8 , тогда следует выбрать R6 и R7 для компенсации внутреннего падения напряжения. Для стабильной работы коэффициент R7 / R6 должен быть больше Rm / R8 .

Эта схема должна подходить для небольших двигателей с номинальным напряжением 1 В ~ 2 В.

Схема стабилизации на основе прецизионных микроприводов ОУ

Регулятор скорости на транзисторах

Двухтранзисторный регулятор скорости двигателя

Эта недорогая схема построена на транзисторах для управления скоростью двигателя, хотя она не обеспечивает такой же точности, как операционный усилитель, ее можно сделать очень маленькой и полезной для недорогих приложений.

В этой схеме опорное напряжение составляет 1,2 В, и D1 работает как опорное напряжение. Обратная ЭДС двигателя больше опорного напряжения — в зависимости от R2 , R3 и R4 делитель напряжения :

1. Во-первых, нам нужно установить коэффициент делителя напряжения, наше опорное напряжение составляет 1,2 В, а когда желаемая обратная ЭДС составляет 3,6 В, делитель напряжения R2 , R3 и R4 должен иметь коэффициент: \ ( \ frac {3.6} {1.2} = 3 \)
2. Итак, у нас есть максимальный диапазон для точной настройки схемы, это нужно делать, когда потенциометр ( R3 ) находится в среднем положении. Теперь нам нужно разделить оставшееся значение между каждым из других резисторов.
3. Когда мы знаем наш коэффициент делителя напряжения, выбрать R6 и R8 легко. Нам нужно иметь такое же соотношение между делителем напряжения R6 и , R8 и внутренним сопротивлением двигателя.

Этот контур разработан для одной постоянной скорости, и изменение скорости с помощью триммера влияет на компенсацию скорости.Таким образом, триммер следует использовать только для настройки этой схемы в диапазонах очень низких скоростей. Чтобы использовать эту схему с широким диапазоном настройки скорости, нам необходимо внести некоторые изменения:

Трехтранзисторный регулятор скорости двигателя

Эта схема работает по тем же правилам, что и предыдущая версия с двумя транзисторами, но основным улучшением является увеличение коэффициента усиления для опорного напряжения транзистором Q2 . Это позволяет нам использовать опорное напряжение с микромощной запрещенной зоной, которое более стабильно, чем стандартные диоды.Еще одним улучшением по сравнению с добавлением Q2 является температурная компенсация Vbe между транзисторами Q1 и Q2 .

Расчет этой схемы начинается с задания напряжения обратной ЭДС. В этой схеме опорное напряжение равно LM385 — 2,5 В и напряжение Vbe из Q2 :

$$ V_ {ref} = V_ {bg_ {ref}} + V_ {be} = 1,2 В + 0,7 В = 1,9 В $$

Если нам нужно, чтобы Vbemf составлял 3,8 В, коэффициент делителя напряжения R2 , R4 и R3 должен быть 2: 1.Потенциометр ( R3 ) предназначен для точной настройки этого напряжения, но в этой схеме изменение скорости с помощью триммера вызовет изменение компенсации. Таким образом, R3 предназначен только для окончательной настройки скорости в небольшом диапазоне, скажем, 5% или меньше, и должен использоваться только для компенсации допуска других значений компонентов.

После установки этого делителя напряжения выбрать значение R6 и R7 легко, когда мы знаем внутреннее сопротивление двигателя. Эквивалентное параллельное соединение R6 , R7 и сопротивление двигателя должны иметь такое же соотношение, как R2 , R3 и R4 делитель напряжения (с потенциометром R3 , установленным в среднее положение).

Прецизионные микроприводы Трехтранзисторный контроллер скорости двигателя

Прецизионные микроприводы Трехтранзисторный контроллер скорости двигателя

Режим переключения аналогового регулятора скорости

В этой статье описывается простая реализация аналогового регулятора скорости двигателя, основанная на измерении обратной ЭДС и управляющем сигнале ШИМ.

При использовании ШИМ с двигателем постоянного тока все еще можно управлять скоростью двигателя без каких-либо датчиков. Используя типичный недорогой драйвер с одним полевым МОП-транзистором, можно измерить обратную ЭДС, когда двигатель вращается, а транзистор выключен.

Регулирование скорости двигателя с использованием обратной ЭДС в режиме переключения аналоговой цепи

Этот контроллер состоит из модулятора ШИМ, выходного транзистора и схемы «выборки и удержания» (иногда известной как схемы «слежения и удержания»). Модулятор PWM имеет управляющий вход, который позволяет изменять рабочий цикл. Если вы не знакомы, это может показаться сложным, но общая идея довольно проста:

• когда транзистор включен, напряжение питания подключено к клеммам двигателя, ток двигателя Im протекает через двигатель, заставляя его ускоряться
• , когда транзистор выключен, двигатель действует как генератор, а Vm равно Vbemf , что пропорционально скорости двигателя.Срабатывает схема выборки и хранения, которая сохраняет выборку Vbemf в конденсаторе
.

Узел суммирования затем вычисляет разницу между желаемой скоростью и текущей скоростью, поскольку обе представлены напряжением (желаемое напряжение и Vbemf , соответственно). Это напряжение ошибки используется для управления скоростью двигателя путем увеличения или уменьшения рабочего цикла модулятора ШИМ.

Из-за индуктивной природы двигателей постоянного тока измерение обратной ЭДС невозможно сразу после выключения транзистора.Когда транзистор переключается, генерируется сильный индуктивный всплеск, и индуктивный рециркуляционный ток Ir протекает через реверсивный диод. Необходима небольшая задержка, пока напряжение обратной ЭДС не станет стабильным:

Измерение сигнала ШИМ на клеммах двигателя

Этот метод управления может быть выполнен с использованием только аналоговых компонентов или с помощью цифрового микроконтроллера. Практическая реализация контроллера, основанного на этом методе и использующего двигатель постоянного тока 132-100, показана ниже:

Регулятор скорости двигателя на основе измерения обратной ЭДС и выхода ШИМ

В этой схеме напряжение на R2 представляет желаемую скорость, IC1A работает как усилитель ошибки и ПИД-регулятор.

Схема ШИМ-модулятора построена на IC1B и IC2 , где IC1B работает как генератор треугольных волн с частотой, определяемой R12 и C4 .

IC2 действует как компаратор, который сравнивает напряжение треугольного сигнала с выхода IC2 с установочным напряжением от потенциометра R15 . Когда напряжение сигнала треугольника ниже, чем напряжение от R15 , выход компаратора высокий, и двигатель запитан.

Цепь выборки и хранения состоит из C3 , R10 , D2 , Q1 , R13 . Когда двигатель питается от T1 , Q2 включен, а узел R13 и D2 закорочен на землю, что не позволяет ему сделать образец, когда Vcc подается на двигатель. Диод D2 предотвращает разряд C3 , когда включен Q1 .

Когда T1 выключен, Q2 также выключен, и Vbemf может заряжать конденсатор C3 .Напряжение на C3 находится на неинвертирующем входе усилителя ошибки, IC1A . Этот усилитель вычитает текущее напряжение скорости из желаемого напряжения скорости (устанавливается потенциометром R2 ). При увеличении обратной ЭДС выходное напряжение на IC1A также увеличивается — это смещает уровень сигнала треугольника вверх пропорционально ошибке скорости. Если уровень сигнала треугольника увеличивается, то время, когда выходной транзистор включен, уменьшается, и коэффициент заполнения ШИМ также уменьшается.

Этот усилитель ошибки работает как схема ПИД-регулирования, где коэффициент усиления определяется как \ (\ frac {R_ {5}} {R_ {5} + R_ {10}} \), а постоянная времени определяется как R5 и C2 .

Схема выборки и хранения очень проста, потому что время выборки равно состоянию выключения в рабочем цикле ШИМ, поэтому напряжение выборки напрямую зависит от рабочего цикла. Кроме того, это менее важно, если схема используется для управления приложением, которое не использует полный диапазон скорости двигателя.Его также можно уменьшить по выбору, изменив значения R10 , C3 и R13 , которые позволяют изменить время заряда / разряда C3 .

Диапазон изменения рабочего цикла ШИМ (от приложенного напряжения ошибки) определяется соотношением от R7 до R8 || R9 , однако, поскольку схема Sample & Hold настолько проста, этот диапазон не должен быть очень широким.

Эта схема предназначена для работы в малом диапазоне ШИМ, максимальная нагрузка ШИМ снижается за счет задержки индуктивной нагрузки двигателя, и с ограничением схемы выборки и удержания этот метод не должен использоваться для широкого диапазона. диапазон регулирования скорости.

Это демонстрирует принцип работы, поэтому для практического использования настоятельно рекомендуется улучшить простую схему выборки и хранения. Например, схема на основе недорогого LF398 может обеспечить время выборки 10 мкс.

По сравнению с аналоговой схемой отрицательной обратной связи этот метод:

• снижает потери мощности
• мог бы быть более стабильным, так как температура не влияет на напряжение обратной ЭДС (за счет изменения сопротивления обмотки)

Однако это также:

• не подходит для двигателей с высокой индуктивностью
• имеет узкий диапазон регулирования скорости
• имеет склонность к колебаниям

Аналоговый импульсный регулятор скорости на двигателе постоянного тока 132-100

Бесщеточный и щеточный электродвигатели: почему вы должны знать разницу

Двигатель дрели предназначен для преобразования электроэнергии в механическое движение.На рынке представлен широкий спектр двигателей, которые могут работать с различными приложениями и различными требованиями к мощности. Двумя наиболее распространенными типами двигателей являются бесщеточные и щеточные двигатели. Хотя они основаны на одних и тех же физических принципах, их структура, характеристики и управление значительно различаются.

… Спешите?

См. Наш Наша бесщеточная дрель №1 с рейтингом 4,7 из 5 звезд и почти 300 отзывами клиентов.

Бесщеточный двигатель, который становится все более популярным среди домашних пользователей и профессиональных пользователей, не является новым для рынка. Чтобы понять его происхождение, важно вернуться к изобретениям г-на Эрнста Вернера фон Сименса в 1856 году. Несмотря на то, что изобретения были элементарными, за десятилетия они претерпели ряд улучшений, одним из которых был реостат для точного управления скоростью вращения. вала.

Путь к известности бесщеточного двигателя начался в начале 1960-х годов с появлением силового диммера, способного преобразовывать переменный ток (AC) в постоянный (DC).В 1962 году Т. Г. Уилсон и П. Х. Трики опубликовали статью, описывающую бесщеточный двигатель, работающий на постоянном токе. Блоки были оснащены технологией, которая использовала магнетизм и последовательно противодействовала электрическому устройству. Главным открытием концепции бесщеточного двигателя стало отсутствие физического переключателя для передачи тока.

Однако только в 1980-х годах бесщеточный двигатель действительно хорошо стартовал. Большая доступность постоянных магнитов в сочетании с высоковольтными транзисторами позволила этому типу двигателя генерировать такую ​​же мощность, как и щеточные двигатели.Усовершенствования бесщеточного двигателя не ослабевают в течение последних трех десятилетий. Это изменило способ производства эффективных буровых инструментов производителями сверл. В свою очередь, клиенты пользуются ключевыми преимуществами, связанными с разнообразием и меньшими требованиями к обслуживанию.

Как работает дрель?

Основное различие между бесщеточными и щеточными двигателями дрелей состоит в том, что щеточные варианты сделаны из углерода, а бесщеточные блоки используют магниты для выработки энергии.По этой причине бесщеточные двигатели лучше адаптированы, не вызывают трения, меньше нагреваются и обеспечивают лучшую производительность. Кроме того, бесщеточные агрегаты значительно сокращают техническое обслуживание, которое сводится к пыли и нет необходимости заменять изношенные щетки.

В бесщеточном двигателе коммутация обмоток не механическая, а управляется электроникой с помощью устройства, известного как контроллер. Это преобразует постоянный ток в трехфазный ток переменной частоты и последовательно питает катушки двигателя для создания вращающегося поля.Понятно, что при таком силовом принципе катушки закреплены в двигателе и не вращаются, как в щеточных двигателях.

Все бесщеточные двигатели имеют относительно схожую конструкцию. Они поставляются с неподвижным статором, на котором держатся катушки, и подвижным ротором, на который наклеены постоянные магниты. Обмотки могут быть построены по-разному: в форме звезды или треугольника. Большинство бесщеточных машин имеют внутренний ротор, который быстро вращается до 100 000 об / мин.

Что такое кисти?

Щетки необходимы для правильного функционирования щеточных моторных инструментов, таких как дрели, отбойные молотки, строгальные станки, кусторезы и шлифовальные машины.Угольные щетки выбирают в зависимости от марки и типа инструмента. Они устанавливаются на неподвижной части двигателя, чтобы обеспечить оптимальную передачу мощности на ротор (вращающуюся часть). Они обеспечивают переключение без искры.

Работая попарно, эти компоненты изнашиваются и подвержены трению. Угольные щетки постоянно контактируют с контактными кольцами. Эти компоненты изготовлены из графита и бывают разных типов. Они могут быть оснащены пружиной, коннектором (провод с вилкой) или без щеткодержателя.Щетки бывают разных размеров и форм (в основном квадратные, прямоугольные) и могут иметь канавки для улучшения направления.

Скорость сверла указывается как часть крутящего момента, который зависит от силы магнитного поля. Подпружиненные угольные щетки прикреплены к пружине, которая снабжена пластиной для обеспечения плавной передачи мощности. В некоторых случаях щетки устанавливаются на щеткодержателе с пружиной, предназначенной для увеличения тяги.

С другой стороны, дробящие щетки используются для остановки работы двигателя и, в конечном итоге, сверла до полного износа графитового материала.Это нацелено на поддержание оптимальной производительности.

Производители переносных электроинструментов, включая дрели, обычно продают щетки, совместимые с их станками. Размеры выражаются в миллиметрах или дюймах, которые представляют толщину, глубину и ширину. Однако эти характеристики могут отличаться от одного производителя к другому.

Недостатки щеточных двигателей

Хотя щеточные двигатели недороги, надежны и обладают высоким крутящим моментом или передаточным числом инерции, они также имеют ряд недостатков.Эти компоненты со временем изнашиваются, образуя пыль. Этот тип двигателя требует регулярного обслуживания для очистки или замены щеток. Они также имеют низкую теплоотдачу из-за ограничений ротора, высокой инерции ротора, низкой максимальной скорости и электромагнитных помех (EMI) из-за дуги на щетках.

Принцип работы бесщеточных двигателей такой же, как и у двигателей со щетками (управление переключением с использованием внутренней обратной связи по положению вала), но их общая конструкция отличается.Конструкция бесщеточных агрегатов снижает внутреннее сопротивление и помогает рассеивать тепло, выделяемое в обмотках статора. Таким образом, эффективность повышается, поскольку тепло от катушек может рассеиваться более эффективно благодаря гораздо большему стационарному корпусу двигателя.

В отличие от щеточного двигателя, в бесщеточном блоке постоянный магнит установлен на роторе. Статор изготовлен из рифленого стального проката и содержит обмотки катушки. С другой стороны, щеточные устройства требуют небольшого количества внешних компонентов или вообще не требуют их и поэтому хорошо работают в ограниченных условиях.

Что такое бесщеточный дрель?

Прочтите полный обзор дрели Dewalt 20v max.

Если вы хотите понять, что означает «бесщеточный», очень важно рассмотреть базовую конструкцию этих двигателей. Обмотки статора могут быть расположены звездой (или Y) или треугольником. Прокатку стали можно производить с канавками и без них. Двигатель дрели без пазов имеет меньшую индуктивность. Следовательно, он может работать быстрее и вызывать меньше пульсаций на более низких скоростях. Его главный недостаток — более высокие факторы стоимости, поскольку необходимо увеличивать количество обмоток, чтобы компенсировать большее воздушное пространство.

Число полюсов ротора может варьироваться в зависимости от области применения. Чем больше полюсов, тем больше крутящий момент, но снижается максимальная скорость. Материал, из которого изготовлены постоянные магниты, также влияет на максимальный крутящий момент, который увеличивается с увеличением плотности магнитного потока.

Поскольку переключение должно выполняться электронным способом, управление бесщеточным двигателем намного сложнее, чем в простых схемах, связанных с щеточными агрегатами. Используются как аналоговые, так и цифровые методы управления.Базовый блок управления аналогичен блоку управления щеточными двигателями, но управление с обратной связью является обязательным.

В бесщеточных двигателях используются три основных типа алгоритмов управления: трапецеидальная коммутация, синусоидальная коммутация и векторное (или ориентированное на поле) управление. Каждый алгоритм управления может быть реализован по-разному в зависимости от кода программного обеспечения и конструкции оборудования. У каждого есть свои преимущества и недостатки.

Трапецеидальная коммутация требует простейшей схемы и управляющего программного обеспечения, что делает ее идеальным решением для приложений начального уровня.Он использует шестиэтапный процесс с использованием обратной связи по положению ротора. Трапецеидальное переключение эффективно контролирует скорость и мощность двигателя, но страдает от пульсации крутящего момента во время переключения, особенно на низких скоростях.

Бездатчиковое переключение (оценка положения ротора путем измерения обратной ЭДС двигателя) обеспечивает впечатляющую производительность за счет большей сложности алгоритма. Благодаря удалению датчиков на эффекте Холла и их интерфейсных схем, это бездатчиковое переключение снижает затраты на компоненты и установку и упрощает конструкцию системы.Это помогает ответить на вопрос, что такое бесщеточный двигатель?

Преимущества бесщеточного двигателя

Прочтите полный обзор Makita 18v Drill

Технология бесщеточного двигателя не только увеличивает мощность ваших аккумуляторных электроинструментов, но и продлевает их срок службы. С этими двигателями у вас практически не будет забот об обслуживании.

Бесщеточная технология имеет множество преимуществ. Отсутствие щеток избавляет от проблем, связанных с перегревом и поломками. Таким образом, срок службы бесщеточного двигателя зависит только от подшипников.Бесщеточный двигатель компактнее и в два-три раза легче щеточных агрегатов. Это улучшает портативность, а также снижает вибрацию и шум.

Электронная коммутация обеспечивает точное позиционирование. Двигатель развивает скорость до 50 000 об / мин с оптимально сбалансированными роторами. Электронный модуль обеспечивает большую гибкость с более широким диапазоном вариаций и, в особенности, поддержание крутящего момента с самого начала.

Эффективность значительно повышается без трения между ротором и статором.Тепло и трение уменьшаются, а энергия батареи оптимизируется. Это увеличивает мощность и автономность до 25 процентов с обычными батареями. По словам производителей, последние поколения литий-ионных аккумуляторов обеспечивают до 50 или даже 60 процентов повышенной автономности.

Отсутствие трения позволяет двигателю работать без искрения даже при интенсивных нагрузках. Бесщеточная технология не имеет зоны контакта, что значительно снижает износ и обслуживание.Это дает несколько преимуществ: двигатель более энергоэффективен, предотвращает перегрев, устраняет необходимость замены щеток, а пользователи получают более длительный срок службы батареи — вы обнаружите, что лучшая аккумуляторная дрель работает на бесщеточном двигателе.

Матовые и бесщеточные двигатели: почему дополнительные затраты?

В обычном электродвигателе ротор (вращающаяся часть машины) приводится в движение внутри статора (неподвижная часть). Оба соединены электрическим соединением: коллектором или коммутатором, который контактирует с небольшими угольными щетками.

В бесщеточной технологии ротор состоит из магнитов, а статор — из катушек, которые поочередно заряжаются положительно или отрицательно. Таким образом, полюса притягиваются и отталкиваются, позволяя двигателю вращаться. Преимущество заключается в отсутствии физического контакта между ротором и статором. Энергия передается от одного к другому через магнетизм между электромагнитами.

Приведенный в действие постоянным током, двигатель работает с переменным током, вырабатываемым электронной платой, которая преобразует постоянный ток в трехфазную переменную частоту.Таким образом, катушки питаются поочередно, чтобы создать вращающееся поле и, следовательно, вращение. Электронный модуль, встроенный в двигатель или в корпус, непрерывно регулирует ток, чтобы двигатель работал с максимальной эффективностью. Это улучшает общую производительность и, таким образом, обеспечивает реальное соотношение цены и качества.

Что лучше: бесщеточный или щеточный мотор?

Таким образом, бесщеточные двигатели лучше щеточных. Пользователи могут воспользоваться преимуществами сокращенного обслуживания, повышения эффективности, снижения тепловыделения и шума.Бесщеточные двигатели представляют собой синхронные блоки с одним или несколькими постоянными магнитами. Электроинструменты с бесщеточным двигателем теперь считаются продукцией высокого класса.

Двигатель постоянного тока состоит из двух электрических частей: статора и ротора. При включении двигателя он создает магнитное взаимодействие, которое приводит двигатель в движение. Когда вы меняете направление напряжения, питающего двигатель, он вращается в противоположном направлении.

Ознакомьтесь с другими аккумуляторными дрелями

.