Электродвигатели давно стали неотъемлемой частью повседневной жизни людей. Они активно используются в быту, обеспечивая функционирование бытовой техники, помогают на промышленных предприятиях.
В связи с этим, немалое количество технического оборудования и электроустановок в своем составе имеют коллекторный двигатель. Тип двигателя коллекторный столь популярен благодаря своей простоте и высоким эксплуатационным характеристикам. Стоит рассмотреть его подробнее!
Что собой представляет коллекторный тип двигателя и каковы его особенности?
Коллекторным тип двигателя называется, как можно догадаться, благодаря наличию данного элемента в конструкции установки. Располагается этот элемент рядом со щетками агрегата. Его функция – передавать электроэнергию в рабочий отдел механизма.
Существует несколько типов двигателей с подобной конструктивной особенностью: переменного тока, постоянного тока и те, что способны функционировать с любым из них. Они носят название «универсальные».
Подобно другим электрическим двигателям, рассматриваемый механизм состоит из статора и ротора. Отличается он наличием коллектора, закрепленного на валу – именно через него осуществляется питание машины.
Общее устройство механизма
Основные моменты ясны, теперь имеет смысл остановиться подробнее на каждом конструктивном элементе. Коллекторный тип двигателя обладает двумя основными составными частями:
1. Статором (являющимся неподвижной частью двигателя);
2. Ротором (являющимся подвижной частью – многие инженеры его называют «якорь»).
Неподвижная часть состоит из оболочки (корпуса) и обмотки возбуждения. Оболочка требуется для защиты конструкции от внешних механических воздействий, которые на промышленных предприятиях являются обычным делом. В верхней и нижней стороне оболочки расположены магнитные полюса. Их назначение заключается в том, чтобы сохранять магнитный поток, образовавшийся между подвижной и неподвижной частью механизма.
Функция якоря – передавать возникающую энергию. Одной из частей якоря является вал, на конце которого располагается коллекторный узел. Он занимается транспортировкой электрической энергии на обмотки.
Интересно! Если имеется необходимость, коллекторные моторы способны преобразовывать механическую энергию в электрический ток. Таким образом, они вполне могут брать на себя роль генератора.
Ротор коллекторного двигателя
Составными частями якоря являются:
· вал – основа конструкции;
· сборный магнитопровод – прикрепляется к валу;
· коллектор и вентиляторные лопасти – на каждую сторону валу приходится по одному из указанных элементов;
· подшипники (располагаются по обеим сторонам вала) – требуются для надежной фиксации вала в корпусе агрегата и его легкого вращения.
Важно! Чтобы рассматриваемый тип двигателя работал ровно, якорь должен быть хорошо сбалансирован. Именно поэтому к его проектированию и изготовлению подходят максимально ответственно. Любые просчеты влекут за собой расшатывание элементов установки в ходе ее эксплуатации и как следствие, скорые выход агрегата из строя.
Роторная обмотка
Для сборки сердечника якоря применяется множество металлических пластин. Они отличаются тем, что:
· выполнены из магнитных материалов;
· имеют толщину, не превышающую 0,4–0,5 мм (таковы ее оптимальные размеры);
· имеют дополнительное лаковое покрытие, служащее для придания материалу диэлектрических свойств и его защиты от периодически возникающих в системе паразитных токов;
· на своей внешней стороне имеют пазы, в которых проложена медная проволока.
При сборке устройства металлические пластины будут закреплены на валу. Получавшаяся система носит название «магнитопровод».
Устройство коллектора и принцип его работы
Без рассмотрения коллекторного узла невозможно понять, каким образом производится вращение якоря. Коллекторный узел имеет цилиндрическую форму, состоит из множества небольших медных пластинок.
Эти пластинки имеют еще одно название «ламели». Эти ламели не располагаются вплотную друг к другу, а имеют разделители. В их роли могут с одинаковой эффективностью выступать прокладки, выполненные на основе текстолита или слюды.
Получается агрегат, имеющий несколько секторов, никак друг с другом не взаимодействующих без обмотки. Каждая пластинка коллектора оснащена выводом одной рамки. Рамки, расположенные напротив друг друга, соприкасаются со щетками, причем прижимная сила их достаточно велика для обеспечения надежного контакта.
Когда мастер задействует переключатель, приводящий установку в рабочий режим, на щетки производится подача потенциала, перетекающего в подключенный виток обмотки.
Важно! Поскольку якорь обладает определенной вращательной скоростью, происходит переменная смена парных пластин. В связи с этим происходит подача напряжения не на одну пластину, а на все. Буквально каждую секунду начинают образовываться все новые магнитные поля, которые и поддерживают вращательные движения якоря, придавая ему нужное направление.
Принцип работы двигателя
Устройство составных элементов установки понятно, теперь нужно разобраться, каким образом она функционирует. Принцип работы коллекторных электрических двигателей схож с установками других типов. Чтобы его понять, необходимо вспомнить курс физики средней школы, в котором описывалась электромагнитная индукция. Следует провести мысленный опыт:
1. На оси вращения помещается проводник, внутри которого происходит циркуляция электрического тока.
2. Этот проводник будет вращаться в том же направлении, в котором двигается ток.
3. Питание машины производится через щетки на конец проводника.
4. После полуоборота можно будет наблюдать, как электрический ток переключится. Это происходит непрерывно, в связи, с чем будет поддерживаться вращение подвижной части электродвигателя. Причем данное вращение будет осуществляться в изначально заданном направлении, оно не хаотично и полностью подконтрольно.
Важно! К роторным обмоткам электрический ток приходит от статора. Делается это посредством последовательного соединения щеток с коллектором. Рассматриваемый тип двигателя нашел свое применение в электрических установках, для которых крайне важно, с какой скоростью производятся вращательные движения источника.
Достоинства и недостатки
Для лучшего понимания особенностей функционирования и эксплуатации рассматриваемого типа двигателя, разумно рассмотреть, какими он обладает достоинствами и недостатками. К неоспоримым преимуществам можно отнести:
1. Простое устройство агрегата. Не придется тратить много времени на то, чтобы обучиться, как им пользоваться, как его обслуживать и ремонтировать.
2. Наличие хорошего крутящего момента, даже если электродвигатель «не раскручивается», функционируя на малых оборотах. Это полезное свойство, поскольку оно позволяет значительно расширять диапазон функциональных режимов установки.
3. Возможность «раскручивать» данный тип двигателя до 10000 оборотов в минуту, что довольно много.
4. Скорость работы может варьироваться в широком диапазоне, что значительно увеличивает количество технических областей, в которых двигатель потенциально может быть применен.
5. Не требуется наличие высоких пусковых токов и нагрузок, что при длительной эксплуатации значительно экономить энергию.
6. Низкая стоимость обслуживания.
Как видно, положительных сторон у коллекторных электродвигателей немало. Однако помимо них есть, и отрицательные, которых также предостаточно:
1. Коллекторный узел требует особого ухода. Плюс, за его работоспособностью необходимо постоянно следить.
2. Периодически в ходе эксплуатации электродвигателя могут наблюдаться искрения щеток, что приводит к их скорому износу.
3. Ввиду наличия указанных выше проблемных элементов, некоторые двигатели будут подвергаться частым ремонтам. А это значит, что их потребуется извлекать из агрегата, что будет приостанавливать его работу. Как известно, приостановка работы сулит потерю времени и как следствие, денег.
4. Наличие в ходе эксплуатации установки большого количества шумов. В особенности они усиливаются при ее работе на повышенных оборотах. Самые высокие шумы издают щетки.
5. При изменении подаваемой нагрузки может наблюдать нестабильность технических показателей агрегата.
Коллекторный двигатель – довольно неплохой выбор. Собственно, именно поэтому он и встречается настолько часто на производственных предприятиях и в бытовой технике.
Помимо прочего популярность обусловлена повышенной ремонтопригодностью и возможность дистанционного управления машиной посредством применения всевозможных контролирующих датчиков.
Коллекторный двигатель постоянного тока
Для обеспечения постоянного магнитного поля в таких машинах могут присутствовать либо обмотки возбуждения, либо постоянные магниты. Вместе в одном агрегате они быть не могут.
Важно! Магниты и обмотки всегда находятся в одном месте – на корпусе. В зависимости от того, какой он у двигателя, они способны быть либо на верхней части корпуса, либо на нижней.
Подробнее о каждом типе установки:
С постоянными магнитами
Такие магниты в основном применяются только в маломощных установках. Благодаря им становится возможным плавно регулировать скорость, с которой ротор будет совершать вращения. Также к плюсам машин с магнитами можно отнести простоту строения, низкую стоимость и скорость, с которой они реагируют на изменения параметра напряжения.
К минусам подобных установок следует отнести сравнительно невысокую мощность и потерю магнитами эксплуатационных характеристик при возникновении перегрева. Установки с такими магнитами не способны выполнять свои функции в штатном режиме.
С обмотками возбуждения
Машины, оснащенные обмотками возбуждения, применяются намного чаще своих «собратьев» с постоянными магнитами. С их помощью функционирует масса агрегатов, применяемых в строительных отраслях, например, шуруповерты, дрели и другие резаки.
Обмотки делаются из медной проволоки. Их основу составляют канавки, расположенные на наконечниках. Именно на них обмотки и наматываются. Существует 4 способа, которыми возможно выполнить соединение обмоток с ротором:
· последовательное;
· параллельное;
· смешанное;
· независимое.
Важно! Коллекторные электродвигатели, работающие на постоянном токе, способны иметь как небольшой КПД (коэффициент полезного действия) – от 7 до 12%, так и довольно высокий – от 84 до 87%. Все зависит от того, какой тип подключения был применен.
Коллекторные электродвигатели переменного тока
Чаще всего подобные установки находят свое применение в качестве силовых агрегатов бытовой техники, в строительных инструментах и при создании электрической системы внутри автомобиля.
Это обусловлено тем, что подобные механизмы обладают достаточно компактными размерами. Плюс ко всему, они имеют малый вес и ими легко управлять.
Универсальные коллекторные двигатели
Устройство такой установки практически аналогично тому, которое имеет агрегат, работающий с переменным током. Разница между ними кроется в деталях:
· схема возбуждения, применяемая в установке, абсолютно всегда имеет последовательный характер;
· обмотка всегда представлена несколькими секциями – это требуется для обеспечения схожести режимов функционирования на любых токах, как постоянных, так и переменных.
· для ротора и статора магнитные системы выполняются шихтованного типа (в них отсутствуют продольные сплошные надрезы) – это необходимо для компенсации магнитных потерь.
Важно! Функционирование подобного типа двигателя основано на том, что в случае смены полярности питания на роторе и статоре, направление момента останется неизменным. Когда в установке имеется последовательная схема возбуждения, изменение полярности на обмотках производится с некоторой задержкой. Однако в результате, направление вращения ротора меняться не будет.
Достоинства и недостатки
Несмотря на массу достоинств (простота конструкции, экономичность, ремонтопригодность), в рассматриваемом типе двигателей есть немало существенных недостатков:
· при работе на переменном токе коллекторный узел периодически может демонстрировать искрение;
· при функционировании установки в радиусе нескольких метров могут наблюдаться существенные радиопомехи;
· работа установки сопровождается сильными шумами;
· при эксплуатации данного типа двигателя на переменном токе, КПД намного ниже, чем при его использовании на постоянном.
Однако, несмотря на немалое количество недостатков, достоинств намного больше. Отдельно стоит выделить тот факт, что когда частота рабочего напряжения составляет 50 Гц, ротор способен совершать за минуту до 9–10 тыс. оборотов. Этот показатель более чем высокий, поскольку в целом конструктивно схожие электродвигатели (синхронные и асинхронные) не способны выдавать более 3 тыс. оборотов.
Интересно! Хоть такие двигатели и продолжают активно эксплуатироваться, они постепенно все равно вытесняются более современными бесщеточными механизмами, демонстрирующими схожие эксплуатационные характеристики, но имеющие меньше слабых сторон по механической части.
Возможные неисправности
Как упоминалось ранее, основная проблема рассматриваемых механизмов – наличие искрений между коллектором и щетками. Чтобы избежать негативных последствий в виде деформаций или перегревов ламелей, щетки надлежит регулярно заменять новыми. Также стоит опасаться замыканий между статором и обмоткой якоря.
Важно! Чтобы двигатель функционировал в штатном режиме как можно дольше, требуется соблюдать всего два условия – своевременно обслуживать аппарат и соблюдать режимы работы.
Коллекторный двигатель – достойный агрегат, выполняющий поставленные задачи уже на протяжении многих десятилетий. Несмотря на то, что он имеет слабые стороны в виде частых проблем с коллектором и щетками, он все равно популярен, поскольку способен выдавать высокие обороты при сравнительно небольшой нагрузке.
Если регулярно следить за состоянием узлов агрегата и своевременно его обслуживать, то получится долгое время избегать продолжительных перерывов в работе установок и финансовых потерь, связанных с их капитальным ремонтом.
Оставить комментарий: